电子墨水如何开发全彩电子纸

编者按:据报道，苹果公司正在为iPhone测试E Ink的彩色电子纸显示屏最近的报告．这是E Ink长达20年将全彩电子纸推向世界的充满希望的一步。要了解更多关于电子墨水技术的信息，请阅读下面由电子墨水科学家Edzer Huitema和Ian French撰写的专题文章。

那是2008年底，十月，就在假日购物季之前。脱口秀主持人奥普拉·温弗瑞公布了她备受期待的“最喜欢的东西”榜单，亚马逊Kindle位居电子产品榜首。

这是电子纸或电子纸的概念成为主流的时刻。

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但这种黑白反光显示屏似乎总是亮着的，早在亚马逊Kindle让它出名之前就已经发明了。它的故事开始于十年前，1997年麻省理工学院媒体实验室当时，两个学生j·d·阿尔伯特和巴雷特·科米斯基受到他们的教授约瑟夫·雅各布森的启发，创建了它。

从一开始，电子纸就显得很神奇。即使在户外和明亮的阳光下，其他便携式显示器都无法读取，它也很方便。它可以连续几周不充电，而配备其他显示器的手机只能坚持一天(其中一些手机仍然只能坚持一天)。然而，它的局限性是显而易见的——图像只能以黑色和白色出现。在一个很长时间没有出现单色显示器的世界里——电视在20世纪60年代转变，电脑显示器在80年代末——单色显示器绝对是古色古色的。

所以，自从电子纸的基础技术——电子墨水的最初发展，以及随着Kindle的发布，一个很大的问题一直笼罩着电子纸:我们什么时候才能看到这种神奇的、明亮的颜色?这并不是说人们没有尝试过。电子墨水研究人员多年来一直在研究彩色电子纸，世界各地的大学、企业研究实验室和初创公司的研究人员也是如此。他们提出了一些早期的产品，针对实体零售店的货架标签和标识。但这只是在黑白屏幕上增加了一种颜色——红色或黄色——这并不是任何人所认为的全彩显示器。事实上，在第一代Kindle问世十多年后二十年全彩电子纸发明后，还没有进入消费市场。

为什么电子纸花了这么长时间才把《绿野仙踪》里的黑白转变成彩色呢?多年来，研究人员尝试了几种方法，有些采用了更传统的显示技术，有些则从原始电子纸的独特设计中发展而来。例如，高通(Qualcomm)就花费了数十亿美元追求蝴蝶翅膀的灵感。总的来说，彩色电子纸的成功之路是一个经典的，如果曲折，技术胜利的故事。继续往下读，看看为什么这个看似简单的挑战两年前才在E Ink实现，我们是该公司的首席技术官。

在E Ink的Triton和Kaleido显示器中，彩色滤光片将白色粒子反射的光转化为红色、绿色和蓝色的子像素。然而，这种方法降低了分辨率和亮度，限制了第一代技术的普及。詹姆斯教务长

今天,E Ink的全彩ePaper已经进入消费者的手中，产品包括电子阅读器、智能手机和笔记设备，来自大约12家制造商。其中包括国越智能书V5彩色,海信A5C彩色智能手机,缟玛瑙盒子戳2颜色，以及钱包的颜色．此外，只有一种全彩电子纸产品被宣布——来自中国的des(显示电子浆料)大连佳展．在撰写本文时，还没有使用DES的设备交付给消费者，尽管少数记者已经收到了样品，Kickstarter上也有两次针对使用DES的产品的宣传活动。

挑战开始了从技术的本质来看。黑白电子墨水是化学、物理和电子学的直接融合，它的功能与传统墨水和纸张的功能基本相同。E Ink的版本是由带负电荷的黑色粒子和带正电荷的白色粒子组成的微胶囊——与今天印刷行业使用的颜料相同——漂浮在透明液体中。每个微胶囊大约是人类头发的宽度。

为了制造我们的ePaper显示器，我们先批量生产这种电子墨水，然后用它涂在25到100微米厚的塑料基板上，这取决于它用于哪种产品。然后，我们将涂膜卷切成所需的显示尺寸，并添加薄膜晶体管，在墨水层的上方和下方形成电极，墨水层夹在保护层之间，可能还夹在触摸屏或前灯之间。

为了产生图像，ePaper设备在顶部和底部电极上施加不同的电压以产生电场。在顶部，电压接近于零，在底部，它在-15、0或15之间交替。每当屏幕上的图像需要改变时，施加在底部电极上的特定电压序列将颗粒从先前的位置移动到所需的位置，以显示新图像的正确颜色。这个更新时间通常不到半秒。

将白色颗粒带到显示器的顶部，就会产生“纸”的外观;黑色的是“墨水”。但粒子并不一定要在最上面或最下面;当我们停止产生电场时，粒子就会停止运动。这意味着我们可以在显示器顶部附近创建黑白粒子的混合——呈现为灰色阴影。

E Ink的高级彩色纸(ACEP)使用四种不同类型的颜料颗粒，大小和电荷各不相同。该系统应用不同的电场来推动和拉动它们到每个梯形微杯中不同的位置，以创造所需的颜色。詹姆斯教务长

确定时间和施加到每个电极上的电压的软件是复杂的。选择取决于先前在该像素处显示的内容。例如，如果一张图像中的一个黑色像素在下一张图像中再次变成黑色，则不需要在该位置施加电压。我们还必须注意过渡;我们不希望之前的图像停留，但我们也不希望突然的变化导致屏幕闪烁。这些只是我们在设计称为波形的算法时考虑的几个因素，我们使用波形来设置电压序列。设计它们既是科学也是艺术。

把颜色加入到等式中极大地复杂化了波形。黑与白是一种简单的二分法，因为电场既可以产生正电荷，也可以产生负电荷。这种方法不适用于全彩数字纸。我们需要一些全新的东西。

我们在21世纪初开始探索各种选择。2010年，我们第一个商业化推出的彩色产品使用了滤色器——在标准黑白墨水层之上的一层玻璃上印上一组方块。当我们施加电荷将白色粒子移动到选定点的表面时，光线将通过其上方的红色、绿色或蓝色滤镜反射回观众。这是一个显而易见的方法:所有人类可见的颜色都可以通过红色、绿色和蓝色的光的组合来产生，这就是为什么今天大多数最常见的显示技术，如lcd和oled，都使用RGB发射器或滤色器。

我们把我们的产品叫做电子墨水Triton。虽然电子教科书确实随着技术的发展而推出，但这一努力教给我们的主要事情是什么会发生不为消费者市场工作。它的分辨率太低，颜色也不够鲜艳，对于那些习惯了平板电脑或印刷杂志的高分辨率的人来说。

亮度问题源于这样一个事实:与分别使用背光或直接发光的lcd和oled不同，E Ink的显示器是完全反射的。也就是说，来自外部光源的光线穿过透明罩，击中墨水层，并反射回观看者的眼睛。这种布局非常适合户外使用，因为反光显示器得到增强，而不是被强烈的阳光冲掉。而且这种显示器对眼睛的舒适度有好处，因为它们不会直接将光线照射到用户身上。但是有了反射系统，墨水和眼睛之间的每一层都会吸收或散射一些光线。事实证明，添加颜色滤镜层会导致明显的变暗。

对于其Kaleido彩色显示器，E Ink包括一个前灯，并将滤色片图案设计为一系列短线条，以提高亮度、色彩饱和度和对比度。詹姆斯教务长

此外，使用颜色滤镜将单色像素分割为三个彩色像素降低了整体分辨率。原本分辨率为每英寸300像素的显示器，在增加了三色滤镜后，现在的分辨率为每英寸100像素。对于32英寸的显示屏来说，这并不是一个大问题，因为符号的像素可以更大，而且大字母不需要高分辨率。但对于手持设备上的小字体和线条画来说，这确实是个问题。

当我们的研究人员想出这种过滤显示器时，我们实验室的其他人专注于一种不同的方法，称为多色素，它不依赖于滤色器。然而，这种方法需要复杂得多的化学和力学。

Multipigment电子纸也与它的单色前辈分享基本原理。然而，现在有三到四种粒子，而不是只有两种类型的粒子，这取决于为特定应用选择的颜色。

我们需要让这些粒子对电场有独特的反应，而不是简单地吸引或排斥。我们对墨水颗粒做了一些处理，使它们能够更好地分类。我们使粒子的大小不同——较大的粒子通常比较小的粒子在液体中移动得更慢。我们利用电荷更像模拟电荷而不是数字电荷这一事实，改变了粒子的电荷。也就是说，它可以非常积极，有点积极，非常消极，或者有点消极。中间有很多层次。

一旦我们区分了粒子，我们就必须调整我们的波形;我们不只是把一组粒子送到顶部，另一组粒子到底部，而是同时推动和拉动它们来创建图像。例如，我们可以将一种颜色的粒子推到顶部，然后将它们向后拉一点，使它们与其他粒子混合，形成特定的阴影。例如，青色和黄色一起产生绿色，白色颗粒提供反射背景。粒子离表面越近，混合后颜色的强度就越大。

我们还改变了容器的形状，从球形变成梯形，这让我们更好地控制颗粒的垂直位置。我们称这些容器为微杯。

对于三粒子系统，现在市场上的E Ink Spectra，主要用于电子货架标签(esl)，我们将黑色，白色和红色或黑色，白色和黄色颜料放入每个Microcup。2021年，我们在这个系统中增加了第四个粒子;我们的新一代使用黑色、白色、红色和黄色的粒子。这些颜色非常适合生成高对比度的深度饱和颜色，但这四种颜色不能组合起来创建全彩图像。该技术于2013年首次用于零售esl。公司已经在数百万个这样的标签上安装了电子墨水屏幕，并将它们运往世界各地的零售商，如百思买、梅西百货和沃尔玛。类似电泳货架标签，使用来自中国的显示器DKE有限公司现已上市。

对于我们真正的全彩系统，我们称之为高级彩色ePaper (ACeP)，我们也使用四种颗粒，但我们放弃了黑色，而依赖于白色——我们的纸张——以及喷墨打印机使用的青色、品红和黄色。通过在不同的水平上停止粒子，我们可以使用这些粒子创造多达50,000种颜色。由此产生的显示器呈现出像报纸甚至水彩画一样的颜色。

2021年推出的“PocketBook Inkpad 3 Pro”使用了“E Ink Kaleido Plus”第二代彩色显示屏钱包

E Ink于2016年以E Ink Gallery的形式推出了ACeP。同样，它也不适合消费类设备，因为刷新率很慢。此外，由于这是一款没有背光的反光显示屏，对于习惯了明亮智能手机和平板电脑显示屏的消费者来说，颜色太过柔和。目前，它主要用于亚洲的零售标识。

意识到我们仍然没有我们的彩色显示器击中了消费者市场的最佳点，我们的研发团队重新审视了使用RGB滤色镜的Triton系统。哪些有效，哪些无效?为了最终生产出消费者想要的彩色电子阅读器，我们还能做些什么改进吗?

我们知道滤光片在削弱亮度。我们非常确定，通过使滤光片更接近电子墨水，我们可以显著减少这种损失。

我们还想提高显示器的分辨率，这意味着更精细的彩色滤镜阵列。为了获得更符合消费者习惯的分辨率，我们必须拍摄到每平方英寸至少200像素。这大约是我们第一轮海卫一展示所能达到的密度的两倍。

与我们在开发ACeP时配制各种电荷的油墨的复杂性相比，你可能会认为这是很容易的。但最终需要一种新技术来在玻璃基板上打印彩色滤镜。

我们早期的滤镜是用半透明的红色、绿色和蓝色墨水在玻璃上打印出来的。但这个玻璃是额外的一层。因此，我们决定直接在固定顶部电极的塑料薄膜上进行打印，在我们的显示模块接近组装过程的尾声时添加这一步。这样可以使滤光片尽可能地接近电子墨水。它还允许我们提高分辨率，因为与使用单独表面时相比，将过滤器与显示像素对齐可以更精确地完成。

我们在德国公司找到了我们需要的打印机类型塑料逻辑自E Ink成立之初，他就是该公司的合作伙伴。但这台打印机是用于研发实验室的，而不是用于大批量生产。它使用的流程必须转换为在不同的、可用于生产的机器上运行。

我们还需要为滤色器设计新的打印图案。这些是红色、蓝色和绿色滤镜的实际形状和排列。通过在Triton上的工作，我们发现将滤镜打印为简单的方形网格并不是最好的选择，因为在某些图像转换过程中，图案可能是可见的。于是，寻找完美图案的工作开始了。我们进行了多次迭代，考虑光线照射到显示器的角度，因为这个角度可以很容易地改变用户看到的颜色。我们评估了网格、直线打印线、长线和许多其他设计，并确定了短线的模式。

因为这是一个反射显示器，越多的光打在显示器上，它就越亮。研究团队决定在显示器上增加一个前光，这不是Triton的一部分，努力确保光线以一个最大反射率的角度照射到墨水层。当然，使用前灯会增加能源消耗，但在这种情况下是值得的。

因此，E Ink的新色彩技术E Ink Kaleido比E Ink Triton拥有更饱和的颜色和更好的对比度。最后，一种全彩电子墨水显示器已经准备好用于消费类产品。

第一批正式的Kaleido显示屏于2019年底下线。不久之后，我们开始向客户发货，现在你可以在海信A5C等产品中看到这项技术，科大讯飞Book C1以及PocketBook Color，所有这些都是在2020年推出的。第二代Kaleido被称为Kaleido Plus，于2021年初开始发货缟玛瑙而且钱包很快还会有更多的产品推出。这次更新提高了色彩饱和度，这要感谢在打印模式和前灯的导光板上所做的调整。

作为E Ink制造工艺的一部分，微胶囊油墨涂层塑料薄膜。然后对薄膜进行干燥、检查、重卷，并进行进一步加工。电子墨水

我们还有几件事要做。光效，也就是入射光反射回用户眼睛的比例，虽然很好，但还可以更好。我们将继续改进薄膜层，以进一步减少这种损耗。

通过继续改进我们的打印图案，我们也在努力提高分辨率，在墨水层以下的电子设备中使用更密集的电路，并通过打开和关闭电压来移动带电粒子。

我们还在继续研发无滤、多色电子墨水技术。我们希望很快发布用于标识的新一代，它将包括更明亮的颜色和更快的页面更新。有一天，我们甚至可以将其应用到消费类设备中。

当E Ink的研究人员在21世纪初开始探索彩色电子墨水时，他们认为考虑到我们在这项技术上的专业知识，几年时间就能实现。毕竟，黑白电子纸从概念到商业化只用了10年时间。通往全彩色的道路却漫长得多。但是，就像《绿野仙踪》里的多萝西一样，我们终于越过了彩虹。

本文发表在2022年2月的印刷版上，题为“E Ink的Technicolor Moment”。