第1章 光电显示技术基础
　　信息技术的发展，给人类带来了海量的信息资料。文字阅读的媒体需求越来越大，如果用传统的纸张印刷方法，将消耗掉地球上大量的森林资源，这意味着传统纸张可能*终无法满足网络时代信息阅读的需求。液晶显示器等传统显示器是纸张的一个替代方案，但是本身仍存在质量大、体积大、耗电高、携带不方便等缺点。信息技术的发展对显示技术提出了更高的要求，迫切需要具有类纸功能的新型显示器，在方便使用的同时，还希望其具有较大的显示面积，类似纸张的阅读性，超低的电量消耗，真正的轻薄轻便设计，等等。随着信息技术的发展和应用，一种新颖的具有超薄化、超低功耗、长寿命、类纸的显示技术—电子纸显示技术应运而生。这就是既能够利用电子装置显示，又具有像纸张一样的高可视性的“电子纸张”。这是一项早在约30年前就已经开始研究的“梦幻技术”，经过十余年的技术孕育，电子纸显示器终于从幕后走向台前。
　　1.1 电子纸显示技术基础
　　从1888年液晶的发现，到阴极射线管（cathode ray tube，CRT）的广泛应用，显示器已经经历了一百多年的发展。目前，显示技术在信息产业中具有非常重要的地位，被列为国家战略性新兴产业。新型平板显示技术逐步成为当今社会主流的人-机界面技术，并已经深入人们的日常生活中，与其相关的产业已经占到整个信息产业的三成以上，且深刻影响着电子信息产业的发展前景。在目前主流的平板显示技术中，依靠自身光源发光的显示技术，称为主动显示；而通过反射外界光源进行显示的技术，称为电子纸显示。所以，需要背光的液晶显示器（liquid crystal displayer，LCD）、依靠材料自身主动发光的有机发光二极管（organic light emission diode，OLED）均属于主动显示的范畴。在缺少外界光源的情况下，主动显示可以满足视觉需求。但是，在户外特别是强光环境下，随着外界光源强度的加强，显示器内部自带的光源与外界光源的相互冲撞，进入人眼的光强十分有限，使得信息显示效果不佳。另外，在主动显示机制中，需要持续提供电能才能满足显示器件的发光机制。特别是在便携式系统中，电池的电能供应十分有限，这大大限制了显示器的续航能力。所以，电子纸显示技术就应运而生，其通过反射自然界的光进行显示，不需要额外的光源，并且随着外界光源的加强，显示效果会随之改善。更为重要的是，这种显示技术的显示效果十分接近纸张，更加符合人类几千年的阅读习惯。目前，主流的电子纸显示技术有电泳显示（electrophoretic display，EPD）技术、电流体显示（electrofluidic display，EFD）技术或电润湿显示（electrowetting display，EWD）技术、微机电系统显示（microelectromechanical system，MEMS）技术、胆甾相液晶显示（cholesteric liquid crystal display，Ch-LCD）技术、电致变色显示（electrochromism display，ECD）技术、光子晶体显示技术（photonic crystal display，PCD）技术等。
　　电子纸显示是世界平板显示领域的重要研究方向之一。电子纸本身不发光，依靠反射环境光来实现显示。该原理决定了其功耗极低、视觉舒适、日光环境显示效果好，非常适合移动便携和户外显示领域。另外，不发光也易于与周围环境融合，符合“绿色显示”的未来发展趋势，引起行业巨头［如高通（Qualcomn）、三星、夏普等］的高度重视。2003年，在飞利浦电子纸团队和美国Eink公司的联合攻关下，电子纸首次从实验室走向大规模量产，并在亚马逊电子纸阅读器的市场需求推动下，经历了多年高速增长，电子纸显示屏相关产业的产值已达90亿美元。随着未来高响应速度、高反射率的可显示视频和彩色的电子纸产品问世，电子纸的应用领域将大大拓展，并在对能耗要求苛刻、长时间阅读、户外应用较多的电子产品领域取代LCD成为主流。和现在的液晶显示器相比，电子墨水显示器具有许多独特的优点。
　　1.1.1 类似纸张的易读性
　　电子墨水显示器是反射式的，无论在明亮的日光下还是昏暗的环境中都能轻松阅读，事实上，从各个角度看它都和真正的纸张相似，可视角度广。为了定量说明电子墨水显示器像纸一样的易读性，可以拿电子墨水显示器和商品化的反射型LCD进行对比。在模拟办公室照明环境下和手持式显示器的日常观察条件下（即使用者可以决定直视位置），电子墨水显示器的反射率是LCD的6倍多，对比度是LCD的2倍。在阅读文字时，反射率和对比度是决定显示设备易读性的两个重要因素。反射率是从显示设备白色区域反射过来并进入人眼的光强与入射光强的比值。对比度是显示设备白色区域的反射率与黑色区域的反射率的比率，对比度使人眼可以很方便地区分黑色区域和白色区域。
　　1.1.2 超低能耗
　　与液晶显示器相比，电子墨水显示器的电量消耗大大减少。功耗低的两个主要原因是：它是完全反射的，不需要大功率的背光源；它固有的双稳性，一旦写入图像，就不需要消耗电量来维持图像，所以能保持图像很长时间。
　　1.1.3 便携性
　　电子墨水显示器模块比LCD模块更薄、更轻，也更加坚固。这些优点与电子墨水显示器的超低能耗将一起直接促进更薄、更轻的智能手持设备设计，从而实现真正的便携性。除了以上显著特点以外，电子墨水还可以涂在任何表面，制造可以适度弯曲、折叠的轻便显示载体。由它制造的电子书和电子报纸可以连接到互联网，下载文本或图像，以及信息的更新可由遥控自动改变。此外，电子墨水工艺和大规模生产工艺兼容、制造方便、成本低廉，易于大规模工业化生产且可循环利用，有利于环保。
　　1.2 电子纸显示技术发展和产业现状
　　索尼公司于2004年推出首款电泳显示电子书，直到2007年，电泳显示电子书基本上处于市场培育阶段。在这一段时间，逐渐有其他与显示产品相关的企业加入，进行相关技术和工艺研究，开发了与电泳显示有关的器件，如电泳显示控制器、电泳显示TFT专业基板，使得大批量生产电泳显示电子书的配套条件逐渐形成。
　　电泳显示技术在电子阅读器、电子报纸、媒介产品等领域有着巨大的应用空间，而上述的中间产品有着广阔的市场。2007年底，亚马逊推出的Kindle电子书具有上网、收发电子邮件、订阅电子报纸和杂志、购买或下载电子版书籍等功能，销售强劲增长，获得巨大成功，开创了电子纸显示技术应用的新纪元。2008年，亚马逊Kindle的销量达到40多万台，2009年的销量超过100万台。2018年，Kindle在中国的累计销量已达到数百万台，目前在中国市场占据了超过65%的市场份额。Kindle中国用户总数提高91倍，付费电子书下载量和Kindle付费用户数分别较2013年增长了10倍和12倍。目前市场需求的电子纸显示屏幕绝大部分使用的是美国Eink公司的微胶囊电泳显示器（EPD）。美国SiPix公司发明了与微胶囊电泳显示器类似原理的微杯电泳显示（microcup EPD）。此外，EWD、快速响应电子粉流体显示器（quick response liquid powder display，QR-LPD）、MEMS、Ch-LCD等多种新型电子纸显示技术正在日益取得突破。电子纸显示技术正处于百花齐放的状态。从表1-1可以看出，与包括目前占据垄断地位的黑白微胶囊电泳显示器等在内的电子纸显示技术相比，电润湿显示技术在各个显示指标方面都比较突出，其对比度、反射度均高于目前的微胶囊电泳显示技术，并可以实现真彩色显示效果，同时刷新速度可以达到10 ms以下，从而满足动态显示的*低刷新速度（20 ms）的要求。该技术获得突破后极有可能成为LCD、OLED显示技术的*佳替代方案。尤其是反射式显示技术极为节能，显示效果不受户外强光影响，非常适合移动电子产品。
　　表1-1 各类电子纸显示技术对比表
　　类纸显示面板有不少供货商，均是国外的企业，包括从事Ch-LCD制造的Kent Display和Fujitsu，从事QR-LPD制造的普利司通，从事EPD制造的Eink和SiPix，从事双稳态向列液晶制造的Nemoptic和ZBD Dispalys，从事干涉调变器（interferometric modulator，IMOD）MEMS显示器制造的高通等。
　　长期以来，国际上EPD显示模组的供应商是我国台湾地区的元太科技公司，其显示材料和薄膜来自美国的Eink公司，其出货对象包括索尼、宜锐、iRex Technologies、汉王、津科等。我国大陆采用有源EPD显示屏的电子书商品于2006年开始出现，如汉王、津科、宜锐等均有电泳显示电子书产品。通过两年的市场推广，EPD慢慢被市场和人们接受，并开始进入增长期，随着功能及应用的开发，市场的规模将越来越大。在电子纸研发方面，广州奥翼电子科技有限公司取得了很大进步，并已部分实现了量产，在电子纸显示模组方面也取得了突破，并已向电子书厂家供应样品。
　　截至2018年，中国已成为全球*大的电子纸显示器制造和出口地区，约占电子纸显示器产量的45%，中国台湾电子纸显示器（EPD）排名第二，产量约占42%。在电子纸行业中，前四大厂商元太科技、奥翼、无锡威峰科技和龙亭新技占据了全球电子纸显示器营业额的93.13%，其中元太科技约占了56%的市场份额。据美国联合市场研究公司（Allied Market Research）的调研报告，全球电子纸市场预计到2022年将从2015年的4.9亿美元增长至42.7亿美元，2016～2022年将保持37.5%的复合年增长率。
　　1.3 电子纸显示技术未来的发展趋势
　　目前，电子纸的研究主要集中于高响应速度和高反射率（亮度）两项功能上。由于电泳显示采用的固态颗粒的电泳移动，颗粒移动速度较慢，在理论上无法达到可显示视频的响应速度。另外，微胶囊薄膜的存在，阻挡了部分光线，导致反射率降低，因此，研究者把目光聚焦于开发新显示原理的电子纸。其中，电润湿显示技术是解决电子纸“视频”和“彩色”显示关键性能的*佳路径之一。
　　在便携移动电子产品中，能耗是显示屏*重要的参数之一。显示屏的能耗所占比重较高，通常高达40%。现在，人们越来越看重便携设备，但是由电池供电的各种便携设备都面临着续航时间短的问题。电子纸一般都采用功耗非常低的“双稳态显示技术”。所谓的双稳态显示器件（bistable display），就是像素都具有“亮”与“暗”两种稳定显示状态，且在没有外加电压时能保持其显示内容不变。通俗地讲，就是双稳态显示可以在低耗电或“零功耗”的情况下保持或“记忆”显示内容，只在更新显示内容时需要加载瞬间的驱动电压。电子纸的亮度和对比度是决定电子纸易读性的关键因素，所以高亮度和高对比度毫无疑问将是电子纸技术发展的重点。彩色显示具有更丰富、更逼真的视觉效果，高品质的彩色动态电子纸无疑具有更强的竞争力和更大的市场需求，众多的厂商和研究机构目前都在努力跨越电子纸彩色化显示的技术难关。动态显示是电子纸获得更广泛应用的前提，所以各种新型电子纸技术都在尽力突破响应速度的瓶颈，以实现视频的显示。
　　研究者们提出了多种反射式显示原理，包括：电润湿、胆甾相液晶、电致变色、光子晶体、微机电干扰调制系统（Mirasol）等技术，且很多已经做出了样品，但关键的彩色显示和视频播放功能无法满足需求，而且产品质量和量产工艺上也有待突破。如表1-1所示，能实现视频显示（画面切换时间＜20 ms）、高亮度和高对比度关键功能的仅有电润湿显示技术和Mirasol技术。高通的Mirasol采用MEMS技术，像素结构复杂，制造成本高且成品率低，难以实现较大屏幕的产品制造。电润湿显示器件的光反射率达到60%，亮度比液晶高两倍。同时，电润湿显示器无需偏光片、无需极化，没有视角范围限制，所有可视角度皆表现稳定。因此，电润湿显示可能成为*有前途的反