深度解读E-link——电子墨水屏技术

[导读] 阅读电子书早已成为大家生活中一部分,方便轻巧的电子版书籍更便于携带,而电子阅读器也不仅仅局限于电脑、手机等传统设备,新兴的电子书阅读器渐渐为我们所接受。E-ink电子墨水技术就是现在最著名的产品之一,他的出现让电子书阅读器不再是液晶屏幕一家独大。

阅读电子书早已成为大家生活中一部分,方便轻巧的电子版书籍更便于携带,而电子阅读器也不仅仅局限于电脑、手机等传统设备,新兴的电子书阅读器渐渐为我们所接受。E-ink电子墨水技术就是现在最著名的产品之一,他的出现让电子书阅读器不再是液晶屏幕一家独大。

提起E-ink电子墨水屏,大家第一时间反应就是“哦,就是那个只能显示黑白灰的屏幕是吧,亚马逊kindle电子书就是用这个的”。

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电子墨水屏凭借接近纸质书的阅读体验,以 Kindle 为代表的电子书成为不少阅读爱好者出门必带的数码设备,以省电、护眼为噱头的各种电子墨水屏设备也开始出现。发展了这么多年,电子墨水屏仿佛还是诞生初的样子,从普通消费者的角度看,它没有成为主流,但也从未离去。

E-link技术的起源

电子墨水屏技术最早可以追溯到 1996 年,它基于美国麻省理工学院媒体实验室(MIT Media Lab)的一项研究,利用电泳技术(EPD)实现显示,这类屏幕的显示效果十分接近传统纸张,因此也被成为“电子纸”。1997 年,麻省理工学院的教授 Joseph Jacobson 创立 E Ink 公司,开始推动电子纸技术走向商业化,电子墨水技术成为电子纸的主流。

电子墨水与印刷使用的墨水很相似,都是用颜料所制,这也是为什么我们看到电子墨水屏和传统纸张显示效果相似的原因。电子墨水通常会制成薄膜,由大量微囊组成,这些微囊只有人类头发的直径大小。微囊中的黑白小球是带不同电荷的色素颗粒,初始状态下,色素颗粒悬浮在微囊中,当施加一定方向的电场后,相应的色素颗粒被推到顶部,微囊就会显示不同的颜色,而不同颜色的微囊组成了各种文字和图案。

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电子墨水屏基本结构如下图所示:

⒈上层;⒉透明电极层;⒊透明微胶囊;⒋带正电荷的白色颜料;⒌带负电荷的黑色颜料;⒍透明液体(油);⒎电极像素层;⒏基板;⒐光线;⒑白色;⒒黑色

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电子墨水屏是由许多电子墨水组成,电子墨水可以看成一个个胶囊的样子(如上图所示)。每一个胶囊(位置6)里面有液体电荷,其中正电荷染白色,负电荷染黑色。当在一侧(位置8)给予正负电压,带有电荷的液体就会被分别吸引和排斥。这样,每一个像素点就可以显示白色或者黑色了(注:彩色电子墨水的电子书并不是不能做,只是成本和技术还没符合市场要求)。

因为电子墨水的刷新是不连续的,每一次刷新完成就可以保持现在的图形,即使拔掉电池也依旧保存。可能会有人问到,拔了电池吸引电子墨水的电压就木有了,那么小球不就回复原状或者进入随机的混沌状态了吗?答案是因为电子墨水具有双稳态效应(磁滞效应)。

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上图中,横轴是电子书提供的电压大小,纵轴灰度(假定正为最白,负为最黑)。电压加大的过程和减小的过程,给予同样的电压,电子墨水黑白程度是不同的。这样的效应就叫做双稳态效应(磁滞效应)。利用这样的效应,我们就可以给一个正电压(从0到B点过程,走下面上升的路线),吸引负电荷,显示正电荷白色给读者,然后断电(从B减少到0,走上面那条回来的路线)。白色得以保持。于是,电子墨水的电子书省电就在于如果不需要显示有所变化,屏幕部分消耗电量为0。

注1:不变化屏幕电子书自己没电是由于电路板的待机消耗以及电池自己的内阻消耗;

注2:其他常见显示器无论屏幕内容是否变化,屏幕部分的耗电量都是持续的,变化不大。

为什么每一次变化(如:翻页),或者每隔一段时间就需要有一个全部清场的动作呢?我们刚假设电压从0加大然后再减少到0,但是电子墨水的灰度从位置A变到了位置C。那么如果下一次变化,如果我减少电压,也就是顺着上面那条返回路径继续行走,就没有问题。但是如果下一次刷新,我还需要这个像素显示白色,那么这个在C点情况的墨水所遵循的路线就不是这个图形了。电路所驱动的电压对应的灰度将会不准确。导致的结果就是黑色的墨水黑色程度不相同,白色的墨水有的没有完全白下去。就会出现我们所说的鬼影,或者残影。于是,为了避免残影的出现,就全部加到最大或者最小电压,把所有的墨水清零,从初始状态从新开始调整,这样所有的墨水小球就可以保持只有两种颜色的均匀显示了。

电子墨水屏的工作原理

“电子墨水的主要由大量细小微胶囊 ﹙microcapsules﹚组成,这些微胶囊约为人类头发直径大小。每个微胶囊中包含悬浮于澄清液体之中的带正电荷的白粒子和带负电荷的黑粒子。设置电场为正时,白粒子向微胶囊顶部移动,因而呈现白色。同时,黑粒子被拉到微胶囊底部,从而隐藏。如施加相反的电场,黑粒子在胶囊顶部出现,因而呈现黑色。”

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对肉眼看来电子墨水像一瓶普通墨水,但悬浮在电子墨水液体中有几百万个细小的微胶囊。每个胶囊内部是染料和颜料芯片的混合物,这些细小的芯片可以受电荷作用。为了能看见电子墨水的微胶囊,可以把它想象成清晰的塑料水球。水球内包含几十个乒乓球,水球内充入的不是空气而是颜料水。如果从顶部看水球,我们可以看到许多白色乒乓球悬浮在液体中,于是水球看起来呈白色。从底部看水球,你只不过看到的是颜料水,于是水球看起来呈黑色。如果你把几千个水球放到一个容器,并使这些乒乓球在水球的顶和底之间运动,你就能看到容器在改变颜色。这就是电子墨水工作的基本原理。事实上这些水球是100 微米宽的微胶囊。在1平方英寸,大约包含10万个微胶囊。如果在一页纸上打印电子墨水,则一个句子包含30多个微胶囊。

电子墨水是融合化学,物理和电子学的整体产生的一种新材料。制造微胶囊本身仅涉及较简单的化学,可以比作做沙拉菜!微胶囊制成后被称为是一种胶质材料。这材料是细小的固态颗粒,承担液态的物理性质。于是微胶囊象传统墨水悬浮在液态“载媒体”,然而它将粘着到普通墨水可以用的任何表面。并且可以用现有的丝网印刷工艺打印。打印的微电子学技术改变了墨水颗粒的颜色并产生了字和图。

电子墨水屏的特点

1、电子墨水屏有两个优点:省电、护眼。

电子墨水屏可以在没有电源的情况下持续显示画面,只有画面变化时才需要消耗少量电源,比如 Kindle 在关机状态下也可以显示屏保,只有在翻页时,屏幕才会刷新。这种特性极大地将降低了电源消耗,也是电子书续航长的原因。

传统的 LCD 屏显示原理是利用背光发射,光线需要一直穿过显示屏,直射眼睛。而电子墨水屏无需背光,它是利用环境光打在显示屏上,再折射到眼睛。这种方式模拟了墨水和纸张的特性,环境光越强,显示效果越清晰。由于没有了闪烁,在长时间阅读时眼睛不容易感到疲劳。

电子墨水屏省电、护眼的特点让其成为电子书阅读器的首选,索尼和亚马逊相继推出配备电子墨水屏的阅读器。现在距离第一代 Kindle 发布已经过去了 10 年,电子墨水屏也已经有 20 年历史,从诞生起不少人就对其抱有厚望,认为电子书会革了纸质书的命,但直到今天,电子书从未成为市场主流,电子墨水屏似乎也很少出现明显的变化,技术好像一直没有更大的进步。

2、刷新率低,不适用于主流设备

电子墨水屏没有获得更多的市场份额,主要是受本身特性限制,其中最大的局限之一就是刷新率低。

相比主流的 LCD 显示屏,电子墨水屏无需不断刷新就可以显示内容,这降低了耗电,也减少了辐射,让阅读体验更接近纸张,不容易造成眼睛疲劳。但这样的特性也让电子墨水屏无法被主流电子设备采用。

不管是手机还是电脑,屏幕需要显示的内容都很丰富,同时还要进行弹出菜单、窗口滚动等操作,电子墨水屏极底的刷新率显然无法满足这样的要求。和 LCD 显示屏相比,电子墨水屏更适用于内容简单、变化较少的文字显示。

从诞生起就有的省电、护眼特性,让电子墨水屏成为电子书阅读器的标配,但也引来应用性单一的质疑。

E-link墨水屏与LCD液晶屏的主要区别

原理不同

EInk是基于电泳技术的显示技术。带黑白两种颜色的带点粒子在液态胶囊中在电场的作用下,上下浮动而形成画面的过程。在形成画面后,颜色粒子就停止运动,即使断电画面也不会消失。因此,在翻到某一页时,屏幕是不会闪烁。

LCD液晶屏的工作原理简单描述就是通过电压将每个固定好的独立像素中的液晶分子进行方位调整,达到显示不同颜色与画面的效果。由于液晶分子的是依靠电压维持状态,因此需要持续供电来维持显示。因此,TFT始终处于闪烁状态下,只是频率高肉眼分辨不出来而已。

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显示机制不同

EInk是全反射式,也就是随着环境光的变化显示效果会不同。外界光源越好,显示效果越好。因此在晴朗的户外看EInk电子书与看纸质书的体验几乎一样。

由于Eink依赖环境光,当夜晚时环境光效果不佳,因此目前行业中通过增加导光板来解决夜晚阅读体验的问题。

LCD液晶屏有背光,所以基本上受外接影响不大,除非极端情况(夏天户外太阳光下)。因此在会有在户外,手机屏幕亮度需要调亮来抵御环境光对屏幕显示的遮盖效果。

残影问题

由于EInk原理中,黑白粒子的固定状态特性,在阅读翻页时容易看到上页黑色粒子残留的印记,行业中俗称“残影”,因此屏幕商提供了一种恢复初始状态的刷新方式,也就是大家常见到的“闪屏”问题。类似阅读纸质书籍中的翻书的过程。

由于LCD液晶屏本身一致在刷新,因此不会有类似过程。

节能功耗

由于EInk的特性,在阅读过程中不需要耗电,只在翻页一瞬间消耗极少电量,因此电子书产品一般的使用周期都在2周甚至一个月左右。

由于LCD液晶屏始终需要电压来维持画面,基本上屏幕占了主要的电量消耗。目前基本上智能手机的使用是一天一充或一天多充。

结论

因此,无论从原理还是实际使用感受上,EInk在阅读文字与非彩色漫画类内容时,有着无可比拟的阅读优势:

1、高度接近纸张的阅读体验。

2、不伤眼睛,适合长时间阅读。

3、电池使用寿命长,接近一个月。

但也有一些自身劣势:

1、目前主要只有黑白产品,彩色只有三色(黑白红)。

2受限于其原理性的问题,无法像TFT屏幕能快速响应一些动画类需求。

3、刷新过程中会闪屏。

E-link技术应用

从诞生起就有的省电、护眼特性,让电子墨水屏成为电子书阅读器的标配,但也引来应用性单一的质疑,除了 Kindle,电子墨水屏好像并没有其他更合适的应用。

E Ink 官方在微博中不断强调“不止 Kindle”,似乎也证明了这种焦虑。这些年来,电子墨水屏也开始在其他设备中出现,比如手机。

在 2014 年 APEC 峰会期间,俄罗斯总统普京将一台 YotaPhone 2 作为国礼,这台手机也因此受到很多的关注。YotaPhone 最大的特点就是其背部搭载的电子墨水屏,独特的双面屏设计和「国礼」光环让它成为当年最“亮眼”的手机之一。近期, Yota 顺势推出第三代手机 YOTA3,它配备了一块 E Ink 电子墨水屏,可以在阅读文字时起到省电、护眼的效果,这块屏幕还能独立运行一些 App。

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屏幕是手机的耗电大户,Kindle 与纸质书相近的阅读体验也早就让很多用户眼馋,YotaPhone 的出现让不少人看到新的商机,开始尝试将电子墨水屏与手机结合。趁着 YotaPhone 的热度,华为 P8 在发布时同步推出一款电子墨水屏手机壳。国外也出现了专做电子墨水屏手机壳配件的 InkCase。

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不过电子墨水屏与手机的结合更像是在丰富市场话题,远远谈不上技术创新。电子墨水屏只是作为补充,手机屏幕还是以实用性为主。

相比之下,电子墨水屏在手表上的尝试更像是一场革新。手表的显示屏小,成本可控,同时屏幕需要展示的内容少,符合电子墨水屏的定位。在这一领域最亮眼的是 FES Watch。索尼在的 20 周年庆典上宣布,整体用柔性 E-ink 屏制成的 FES Watch 将在中国限量发售。它的表盘和表带都由一整块柔性 E Ink 屏幕制成,没有断点又非常有设计感。由于只能显示黑白两色,它只有显示时间一个功能。由于 E Ink 屏幕的特殊性,FES Watch 的待机时间理论上可以达到 2 年。

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这些应用虽然跳出了电子书阅读器的限制,但仍然是对电子墨水屏原有特性的应用。实际上,电子墨水屏也一直在尝试新的技术,以突破本身的局限。

E-link技术的未来:取代纸、取代印刷

在刚过去的 2017 年智慧显示与触控展览会上,E Ink 展出了彩色电子纸 ACeP。传统的电子墨水屏只能显示黑白两色,而彩色电子纸则是将传统的电泳式微囊技术延伸。黑白颗粒通过电场变化,呈现出灰阶与黑白画面,在此基础上覆盖彩色滤光片,将黑白粒子转换成 RGB 彩色粒子,就可以呈现彩色画面。E Ink 的彩色电子纸显示屏除了提供 16 灰阶的黑白显示效果外,还提供 4096 种色彩。

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除了突破颜色限制的彩色电子纸,E Ink 还展示了 84 英寸拼接电子纸展示板、可折叠电子纸、具备手写功能的电子纸笔记本等技术应用。

不管是彩色电子纸还是可折叠电子纸,E Ink 所做的尝试都是在努力跳出传统电子墨水屏的局限,但从一些实际应用中我们也可以看到,电子墨水屏的使命并不是取代普通显示屏,主流电子设备不是它的主战场。关于电子墨水屏未来的应用,应该是在那些需要改变传统显示方式的地方,比如三色电子纸显示屏替代零售商店的商品标签,可以动态改变显示内容,帮助零售商及时改进营销策略。这些以前用传统纸张显示,现在需要灵活显示更多内容的领域,才是电子墨水屏未来的发展方向。

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Kindle 已经诞生 10 年,电子墨水屏也出现了 20 年之久,对于一项已经足够「成熟」的技术来说,使命不再是寻找更多的应用场景,而是利用技术创新来创造更多需求。

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