電泳式電子紙顯示技術(shù)的量產(chǎn)化應(yīng)用

電子紙 (Electronic Paper，ePaper) 實(shí)際上是一類技術(shù)的統(tǒng)稱，主要技術(shù)有微膠囊電泳顯示技術(shù)、微杯型電泳顯示技術(shù)、擰轉(zhuǎn)球顯示技術(shù)、雙色性染料液晶技術(shù)、電潤(rùn)濕顯示技術(shù)以及色粉顯示板技術(shù)等。

其中采用電泳顯示技術(shù)(Electro-Phoretic Display, EPD)作為顯示面板較為主流。電子紙是一種自身不發(fā)光、依靠自然光反射成像、雙穩(wěn)態(tài)維持靜態(tài)圖像無(wú)需用電的顯示技術(shù)。作為文字的一種新載體，電子紙具有低碳、可循環(huán)、數(shù)字化的特征。近年來(lái)，電子紙產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速成長(zhǎng)期，成長(zhǎng)性高居顯示技術(shù)之首。

持續(xù)推進(jìn)電子紙商用化，彩色、柔性特質(zhì)帶來(lái)新機(jī)遇

電子紙技術(shù)概念于 20世紀(jì) 70 年代被提出，當(dāng)時(shí)研究人員藉由透明硅樹脂為材料，里面包覆許多帶正負(fù)電荷的聚乙烯小單球體，每個(gè)球體有黑白兩端。改變電場(chǎng)時(shí)，球體就會(huì)上下轉(zhuǎn)動(dòng)而呈現(xiàn)出黑白兩色以顯示圖案。到了 20 世紀(jì) 90 年代，MIT 以透明微膠囊取代原有的小球體，正式確立了電氣泳動(dòng)式的基礎(chǔ)技術(shù)，即當(dāng)下的電子紙。1997 年 E Ink 公司成立，進(jìn)一步推動(dòng)了電泳式電子紙顯示技術(shù)的量產(chǎn)化應(yīng)用。

推進(jìn)商用化進(jìn)程，亞馬遜引領(lǐng)電紙書閱讀器發(fā)展高潮。2002 年，隨著全球首個(gè)電子紙生產(chǎn)基地落戶中國(guó)江蘇揚(yáng)州，電子紙技術(shù)進(jìn)入商用化進(jìn)程。2004 年，索尼推出了全球第一本采用電子紙顯示的商用電紙書閱讀器 SONY LIBRIéEBR-1000EP。亞馬遜也基于其強(qiáng)大的出版內(nèi)容，于 2007 年推出了電紙書閱讀器 Amazon Kindle。在亞馬遜的引領(lǐng)下，全球電紙書閱讀器市場(chǎng)在 2009 至 2011年間進(jìn)入發(fā)展高潮期。2012 年，元太科技在收購(gòu)了友達(dá)光電旗下 SiPix 電子紙事業(yè)部后成為了全球最大的電子紙可量產(chǎn)技術(shù)擁有者，并成立了專門的創(chuàng)新應(yīng)用拓展團(tuán)隊(duì)，大力拓展電子書以外的創(chuàng)新應(yīng)用消費(fèi)生態(tài)。由此，電子紙開始進(jìn)入手機(jī)、可穿戴產(chǎn)品、筆記本電腦等消費(fèi)領(lǐng)域。在這一商用化進(jìn)程中，超市價(jià)格標(biāo)簽、俄羅斯 YotaPhone 雙屏手機(jī)、Sony 電子記事本、Sony 可穿戴手環(huán)、聯(lián)想雙屏筆記本、海信單雙屏電子紙手機(jī)等產(chǎn)品先后問(wèn)世。

B2B 智慧物聯(lián)全領(lǐng)域生態(tài)建設(shè)，下游應(yīng)用進(jìn)一步拓展。2018 年開始，隨著電子紙?jiān)谌蛐铝闶蹆r(jià)格標(biāo)簽領(lǐng)域出貨量接近 5000 萬(wàn)片，電子紙進(jìn)入了 B2B智慧物聯(lián)全領(lǐng)域生態(tài)建設(shè)階段。電子紙產(chǎn)業(yè)圍繞軟件集成商（SI）、ODM 硬件設(shè)備商、周邊配套、渠道等構(gòu)建了完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。通過(guò)升級(jí)傳統(tǒng)紙張，并將其內(nèi)容數(shù)字化智慧物聯(lián)，電子紙的下游應(yīng)用進(jìn)一步拓展至智慧醫(yī)療、智慧教育、智慧辦公、智慧交通、智慧民航、智慧物流等領(lǐng)域，誕生了電子紙床頭病歷卡、電子紙作業(yè)本、電子紙公交站牌、電子紙行李牌等產(chǎn)品。

E Ink 引領(lǐng)電子紙進(jìn)入全彩階段。在色彩方面，E Ink 于 2013 年率先推出了黑白紅三色電子紙 E Ink SpectraTM。2019 年，E Ink 推出的彩色印刷電子紙技術(shù)標(biāo)志著電子紙正式進(jìn)入彩色電子紙?jiān)辍?021 年，E Ink 推出 E InkSpectraTM 3100 黑白紅黃四色電子紙；2022 年，E Ink 推出 Gallery plus 全彩色電子紙，電子紙至此進(jìn)入全彩階段。

電子紙顯示屏柔性特質(zhì)增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。電子墨水薄膜本身是柔性的，因此，開發(fā)出的柔性電子紙顯示屏能做到彎曲、曲度的效果，可以配合人體的弧度設(shè)計(jì)終端產(chǎn)品，特別適合手環(huán)、手表、皮包或鞋面等穿戴式設(shè)備。同時(shí)，采用塑料基板的柔性電子紙相比于玻璃基板更輕薄、防碎，其終端產(chǎn)品容易攜帶，且掉落或遭受撞擊時(shí)不易損壞。柔性電子紙顯示屏不僅提供了更寬廣的設(shè)計(jì)空間，也能與使用平面顯示屏的產(chǎn)品做出市場(chǎng)區(qū)隔，增加競(jìng)爭(zhēng)力。

政策導(dǎo)向加強(qiáng)電子紙產(chǎn)業(yè)布局，“雙碳”潮流促進(jìn)電子紙走向市場(chǎng)。2022年 1 月，工信部電子信息司提出要“聚焦基礎(chǔ)電子元器件、關(guān)鍵電子裝備與電子材料等領(lǐng)域，提升電子信息領(lǐng)域基礎(chǔ)保障能力，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)。加強(qiáng) Micro-LED、電子紙、硅基 OLED、印刷顯示等前瞻性產(chǎn)業(yè)布局”，為電子紙的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了積極助力?！半p碳”趨勢(shì)下，具備節(jié)能減排和視覺(jué)友好特性的電子紙產(chǎn)品是“雙碳”目標(biāo)的解決方案之一。順應(yīng)“雙碳”潮流，電子紙的新產(chǎn)品、新技術(shù)正在加速走向市場(chǎng)化。

材料、工藝技術(shù)壁壘高，已向全彩化發(fā)展突破

雙色電子墨水由數(shù)百萬(wàn)個(gè)微膠囊(microcapsules) 所構(gòu)成，一個(gè)微膠囊的大小僅約等同于人類頭發(fā)的直徑，其技術(shù)難度之大、工藝要求之高不言而喻。每個(gè)微膠囊里含有電泳粒子一-帶 負(fù)電荷的白色以及帶正電荷的黑色粒子，懸浮于透明液體中。在電子墨水的上方和底部分別裝有正負(fù)電極。

雙色電子墨水的工作原理是依靠黑色與白色顆粒在電壓的作用下發(fā)生電泳，用以控制兩種顆粒在微小空間內(nèi)的位置分布，進(jìn)而在屏幕表面形成不同的灰階。利用正負(fù)相吸原理，當(dāng)電場(chǎng)接通時(shí)，相對(duì)應(yīng)的黑或白粒子會(huì)移動(dòng)至微膠囊的頂端，使用者就可在該區(qū)塊上看見(jiàn)黑色或白色。對(duì)同一個(gè)微膠囊施加不同的電壓，微膠囊表面就會(huì)呈現(xiàn)出半黑、半白，使用者就可以看見(jiàn)灰色。電子墨水的技術(shù)難點(diǎn)主要在于需要合理控制電壓以提高顯示的分辨率，從而創(chuàng)造更銳利清晰的圖案或文字，達(dá)到在視覺(jué)上與印刷紙張幾乎沒(méi)有分別的效果。

各類彩色電子紙膜片則基于SiPix 微杯型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。相比于微膠囊型,微杯型電子紙的結(jié)構(gòu)由于其高度一致、結(jié)構(gòu)均勻且電泳液被分隔成獨(dú)立單元，因此更適合彩色的呈現(xiàn)。三色電子墨水系統(tǒng)由數(shù)百萬(wàn)個(gè)微杯(Microcup)組成，在微杯內(nèi)注入三種不同顏色的粒子，除了黑白兩色以外，還增加了紅色或黃色粒子，有色粒子與黑白粒子稍有不同。通常情況下，白色粒子帶負(fù)電，黑色和有色粒子帶正電。

不同顏色的粒子對(duì)不同電壓敏感度不同。因此，通過(guò)串行施加不同的電壓于上、下層電極，就可以使不同顏色的粒子移動(dòng)至上下層預(yù)設(shè)的位置，從而使三色電子紙顯示模組呈現(xiàn)出不同的顏色畫面。在未通電狀態(tài)為白色時(shí)，施加負(fù)電場(chǎng)，在正負(fù)相吸原理下，紅色粒子就會(huì).上升至頂部，從而使顯示模組呈現(xiàn)出紅色。而若利用分割電場(chǎng)吸附黑色粒子至頂端，則顯示模組就會(huì)呈現(xiàn)出黑色。由于驅(qū)動(dòng)電壓不同，紅色粒子的移動(dòng)速度慢于黑白兩色，室溫下更新速度約為20s。相比于雙色電子墨水，三色電子墨水需要控制三種顏色的粒子，因此對(duì)電壓的控制需要更加精確。