电致变色：打开电子纸色彩之门:色彩混合图片大全

　　文章编号：1006-6268（2008）07-0016-03 　　 　　摘要：电子纸的下一个发展阶段是提高再现彩色图像的能力，一些专家将电致变色视为领导彩色电子报纸显示的、最具竞争力的技术。讨论与其他电子纸显示技术相比，电致变色技术是怎样实现堆叠彩色的。
　　关键词：电致变色技术；电子纸；电子印刷
　　中图分类号：TN141.9 文献标识码：B
　　
　　Electrochromics: Unlocking Color in Electronic Paper
　　Chris Giacoponello，Henrik Lindstrom
　　（Business Development and Marketing Dept. for NTERA, Inc., Dublin, Ireland）
　　Abstract: The next step in the evolution of e-paper is to improve its ability to reproduce color images. Some experts have pegged electrochromic technology as the strongest contender to lead to color e-paper displays. This article examines how electrochromics stack up when compared to other e-paper display technologies.
　　Keywords: electrochromics technologies; E-paper; EP
　　
　　想想当今社会中印刷的纸制品多么普遍。全球每年大约要生产出3亿吨的纸和卡纸，每年要出版发行超过20亿本书、3.5亿本杂志和240亿份报纸, 据估计每年印数达45万亿页，并且其中绝大部分是彩色印刷。这真是个不可思议的数字！而这些数据甚至还不包括各种各样的纸制品、包装、海报、标签、卡片和标志在内。不同的用途引起不同的经济价值，这是多么广大的应用市场。不论这些应用范围多么广大，这些传统的纸质工业应用仍然有着一些相同的特性：它们是柔性媒质，在其上打印对比度高，可读性好；它们可以大规模低成本生产印刷；它们支持宽光谱范围的自然色显示。
　　信息显示产业积极发展电子媒介来部分或更多地取代纸质媒介现在扮演的角色，就必须要考虑到它的一些重要特征。首先，一定要像印刷纸一样，在光学和人体工程学范畴内为电子显示器的使用者提供符合人的阅读习惯；其次，电子纸必须能以低成本支持广泛地使用（纸张成功地得以普及使用就是由于这个十足的理由）；最后，又是最重要的，如果电子纸将要从小型的应用规模扩大到更广大的市场，它必须支持丰富、生动的天然色。
　　本文分析了初期电子纸技术的出现和从长远角度看这些技术在电子纸应用上的适配性。因为彩色再现能力有关的物理局限，限制了这些初期电子纸技术的大规模采用，使这些技术只能应用于小范围内（比如电子书）。本文将要探寻克服这些缺点的技术候选者，而且目前发展需要将这些长期的解决办法带入市场。
　　
　　电子纸的出现和印刷式电子制品
　　
　　近来，第一批含有初期电子纸显示技术成分的商业化产品面世。迄今为止，这些技术的应用对象是电子阅读器（便携式电子阅读装置）和价格标签。
　　现在最广泛应用电子纸显示技术的是EPD（电泳显示器）。这些器件有着好的可读性、低能耗而且兼容柔性衬底。一些公司比如SiPix Imaging公司（微单元电泳粒子）、E Ink公司（微胶囊成像薄膜）和Bridgestone公司（空气间隙微粒系统）已在制作EPD显示器。
　　与此同时，电子纸在显示市场正在寻找新的道路，基于印刷电子的新产业已经崭露头角，并通过将电子技术引入纸和塑料的领域，对传统的印刷行业产生巨大的冲击。将智能电子技术和印刷产品（标签、包装、磁卡以及告示牌）结合在一起的愿望，创造了基于功能式印刷的崭新行业。通过使用传统的诸如丝网印刷、苯胺印刷术、凸版印刷和平版印刷等印刷工艺，功能型电子墨在高速滚动的印刷线路上以添加剂打印方式印刷。这样就能在柔性衬底上创造出简单、低成本的电子器件和光电功能器件。
　　
　　图1电子纸和印刷电子显示技术的市场动态
　　
　　总的来说，这两个市场趋势提供了对这些新应用的一些潜在要求。无论如何，电子纸和印刷式电子产品的主流采用方案需要像纸一样的使用体验、低成本、可大量印刷和彩色化。图1中通过产品的相关价值应用复杂性的比较，阐明了已经出现的市场契机、印刷式电子显示器的未来价值取向，和电子纸显示器的早期市场。
　　
　　NanoChromicsTM技术：印刷式电致变色彩色显示器件
　　
　　电致变色最新的发展技术是使用改良的多孔纳米薄膜构造的电极，这是由NTERA首先提出的，它有一些显著的优势使之能应用于高级数字显示之中。这些优势包括：在光照条件下有良好的对比度（这一点类似于纸的光学特性）、快的转换速度、长时间显示内容时的极小功耗，而且它是一个兼容低成本、使用加色打印工艺制造和宽光谱范围反射式结构器件。
　　
　　图2NanoChromicsTM的印刷类纸显示器结构
　　
　　图2显示的是一个单块集成的NanoChro -micsTM显示器结构。它由多个多孔层堆叠组成，这些层依次打印在有透明导电层（ITO或PSS: PEDOT）的基底上。器件的每一层都有特定的功能。吸附染料的TiO2层通过染料分子的还原或氧化来改变器件颜色。白色反射层提高对比度而且使TiO2层与ATO层之间电绝缘。ATO层有着高电容，保持TiO2层内的电荷注入和流出时的整个器件的电荷中性平衡。ATO下的导电碳层使器件电容进一步增加，起着背电极的作用。
　　打印的最后一步（图2中未体现），用液体或聚合物凝胶电解液套印多孔塑料结构，干燥之后用PET膜密封。在导电碳层下的透明导电层上加上负电压器件就被接通。这引起TiO2层上染料分子的还原（着色）。加反电压下，染料被氧化，器件褪色。
　　使电致变色器件着色和漂白的阈值电压很低(只有1V)。这个可以用小的过电压驱使表面吸收染料分子发生的电化学还原解释，而且小的过电压能驱使在塑料基膜孔中的电荷补偿离子移动。因为所需的正向直流电压很小，器件的能量消耗也小，而且转换速度在ms范围内。
　　通过控制电荷的注入可以连续调节着色量。使用吸收高密度染料的TiO2层结合优化白色的反射镜，得到高对比度的彩色。选用合适的染料分子的组合可以实现全光谱范围的彩色。
　　喷墨打印是基于无毒、容易掌控的材料，例如碳、二氧化钛、ATO、和小分子染料。所有的活性层通过传统过程沉积，例如丝网印刷技术和持续辊式加工技术如苯胺印刷。这些打印式器件的结构如图2所示。
　　NanoChromicsTM器件的性能、可靠性符合先进器件所需要的性能。通过分子技术、材料和离子补偿驱动电流技术的结合，NCDTM器件的性能满足了商业化应用。NCDTM器件在消费产品应用要求其寿命至少要达到10年，在实验室加快寿命测试中证明了其寿命至少能达到10年，且有4,000万次的循环数
　　印刷式单片电路结构的柔性基底的转变，提供了器件在柔性和低成本的解决方案。单片集成电路结构在一个基底上构造了所有层（像今天的打印式媒介），而且基于两个平行空间分隔基体的传统显示器不可能具有如此的挠曲性。另外，基于单个基底全打印式器件具有成本优势和无后端装配需求，这是相当值得考虑的，它打开了和传统印刷媒介竞争的功能性应用之门。图3显示的是打印在PET上的NCDTM器件。
　　
　　打印式彩色器件展望
　　
　　现在，大多数平板显示器采用RGB彩色滤波器实现彩色显示，如图4所示，主动发光型器件的RGB方案可以得到一个宽色域（是以光的叠加产生的），但如果将其应用于反射型器件中，结果则很糟糕。
　　大部分反射光在传输和吸收中损失，降低了总体的亮度，而其对人眼感知的色彩也有影响。事实上，反射型白光器件的最大光功率比同等的单色光器件的33%还要少。器件的亮度可以通过降低在滤光片中的光饱和度改善，但这同时会降低器件的色域。
　　
　　图3印制在PET上的NCDTM器件，与一片印有银线的平板电池连接
　　
　　图4RGB彩色滤光片
　　
　　进一步讲，反射型器件是产生富彩色最好的解决方法，它从结构上实现色彩叠加。在这些领先的候选技术中能够实现色彩叠加的技术有Ch-LCD和电致变色。
　　Kent显示公司演示了几种RGB模式堆叠彩色Ch-LCD技术模型。最新Ch-LCD的聚合物矩阵小滴溶胶旋涂实验证实了发展打印叠层彩色器件结构的可能性。印刷是使堆叠RGB Ch-LCD商业化的解决方案，可实现致力于户外广告业日益增长的市场。
　　这些初期叠层显示器件是有前途的，他们在RGB滤光片实现彩色进行了很大的改进。然而，实现鲜艳自然的彩色还是存在一些技术障碍。特别是，颜色通过窄波长光的反射（不是吸收）补偿，限制了色域。另外，这还导致在配置在柔性基体上的器件有大的频移。
　　最后，全打印式光吸收式自然彩色显示器件为真彩色的产生提供了最好的解决方案。它可通过多色像素平面列阵或者CMY墨减色堆叠序列实现。尽管实现多色电致变色分子匹配存在一些困惑，电致变色器件有能力支持这两种结构。
　　图5阐明了CMY减色堆叠全光谱打印式NCDTM电子纸显示器的结构。今天， 印刷式OTFT的发展和商业化为这种器件体系打开了门路。印刷式电子晶体管的发展让人期待，一些公司在印刷式有机晶体管发展上取得一些成功，一些器件现在已经可以实现80 cm2/V-sec的迁移率。我们期望在不久的将来会实现一个全打印式NCD CMY/CMYK堆叠显示器。
　　
　　图5堆叠的NCDTMCMY显示器
　　
　　结束语
　　
　　使用EPD技术的电子读物，比如Sony Reader和Amazon"s Kindle，和印刷式电子学支撑的自动架子标签的出现，都清楚地显示了电子纸显示器时代的到来。想要将市场从局限的应用环境（电子书、印刷式标签）到更广阔的的应用，需要电子纸显示器有和打印纸一样的使用体验，而且还要支持低成本印刷，能够实现鲜艳自然色显示。
　　反射式显示器技术有着易读的对比度。一些支持大批量全印刷式制造业和印刷式电子技术一致。彩色方面的一些限制上，彩色堆叠器件结构上有了初步的成功。无论如何，实现全打印式减色彩色显示器的电致变色技术是最理想的支持这三个重要性能的技术。
　　最后，为真正认识到打印式媒体市场色彩的重要性后，要考虑以下方面：电子报纸和电子杂志被认为是便携式电子纸显示器的目标市场但报纸和杂志最主要的收入（和书不同）不是靠内容，而是靠广告。在现在市场中，色彩对广告能给予人深刻印象起着至关重要的作用。没有任何一种电子纸显示技术可以和印刷式彩色器件相匹敌，我们都将期待这些技术产品能够得到应用。
　　
　　参考文献：
　　[1] www.省略.
　　[2]U. Bach, et al., Adv. Mater. 2002，14, No. 11：845.
　　[3]Cummins, et al., [J]. Phys. Chem., B 104: 11449-11459.
　　[4]D. Corr, et al., Solid-State Ionics, 2003,165: 315-321.
　　[5]M. A. Mossman, et al., New Reflective Color Display Technique Based on Total Internal Reflection and Subtractive Color Filtering [C].SID Symposium Digest Tech Papers, 2001, 32： 1054.
　　[6]P. S. Drzaic. The Emergence and Evolution of Electronic Paper[C]. SID Applications Tutorial Note, 2005.
　　[7]I. Shiyanovskaya, et al. SID Symposium Digest Tech Papers 2007, 38, 65.
　　（北京交通大学 解凤贤 译自《Information Display》01/08）