电子墨水的绚丽时刻

那是2008年10月，假日购物季即将开始。脱口秀主持人奥普拉•温弗瑞（Oprah Winfrey）公布了备受期待的“最受喜爱购物清单”，在小型电子产品类别中，亚马逊Kindle名列前茅。由这一刻起，电子纸的概念成为主流。但是，这种似乎永不熄屏的黑白反射式显示器却早在亚马逊Kindle流行之前就已发明问世。它的故事始于1997年，当时麻省理工学院媒体实验室的两名学生J. D. 艾伯特（J.D. Albert）和巴雷特•科米斯基（Barrett Comiskey）在教授约瑟夫•雅各布森（Joseph Jacobson）的启发下设计出这种显示屏。
电子纸自刚一出现就令人感到很神奇。在户外或明亮的阳光下，其他便携式显示屏会变得很难看清，但看电子纸时眼睛仍然很舒适。它的两次充电间隔可能长达数周，而采用其他显示屏的移动设备几乎撑不到一天（有些设备至今仍然无法撑过一天）。但电子纸的局限性也很明显：只能显示黑白图像。在这已经很久未曾坚果单色显示器的世界里（电视机在20世纪60年代起就已经变成彩色了，电脑显示器在80年代后期也告别了黑白色）单色显示器绝对称得上是老古董了。因此，从电子纸的基础技术——电子墨水的初期研发开始，特别是Kindle推出以后，电子纸一直面临一个大问题：我们何时能看到这神奇的显示屏显示出鲜艳明媚的色彩？
人们并非没有进行尝试。电子墨水的研究人员多年来一直在研究彩色电子纸，世界各地的大学、大型企业的实验室和初创公司的研究人员亦是如此。他们开发的早期产品可用于实体零售店货架标签和标示牌。但这些产品只能在黑白屏幕上增加一种颜色：红色或黄色。它们不是大家所谓的全彩色显示器。事实上，在Kindle问世十余年、电子纸发明二十余年后，全彩电子纸仍未进入消费市场。电子纸从黑白过渡至彩色的“绿野仙踪”之旅为何耗时如此之久？多年来，研究人员尝试了许多方法，有的从传统显示器中汲取技术灵感，有的从原始电子纸的独特设计进行演变，例如，高通公司耗资数十亿美元研究了一项受蝴蝶翅膀启发的方案。总体看来，彩色电子纸的成功之路是一个典型的技术传奇。后文将介绍为何这一看似简单的挑战直至两年前才在我们任首席技术官的E Ink公司实现。今天，E Ink公司的全彩电子纸已进入消费者手中，产品包括电子阅读器、智能手机和电子笔记本，生产商约有十几家，比如国悦V5彩色墨水屏智能笔记本、海信A5C彩屏智能手机、文石Boox Poke 2 Color和PocketBook Color。除此此外，还有一款全彩电子纸产品已经发布，即中国大连佳显电子的显示电子浆料技术（DES）。截至本文发稿时，采用DES的设备还未交付至消费者，仅有少数记者收到了样机，以及两个Kickstarter众筹活动描述了采用该显示器的产品。这项技术之所以有这么大的挑战，根源在于技术的本质。黑白电子墨水是化学、物理和电子学的直接融合，其作用与传统的墨水和纸张相差不多。E Ink版本的黑白电子墨水是由带负电荷的黑色粒子和带正电荷的白色粒子（与当今印刷业使用的颜料色素相同）微胶囊组成的，微胶囊悬浮于透明液体中，颗粒直径与人发丝直径差不多。为制造电子纸显示屏，我们首先批量生产电子墨水，再根据目标产品的不同，将其涂覆于约25至100微米厚的塑料基板上。然后，将一卷卷涂层薄膜切割成所需的显示屏尺寸，并贴覆上薄膜晶体管，在墨水层上方和下方建立电极，墨水层夹在保护片之间，此外可能还有触控面板或前灯。要形成图像，电子纸设备会在顶部和底部电极施加不同的电压，产生电场。顶部电压接近于零，底部电压在-15、0和15之间变换。每当屏幕上的图像需要改变时，施加于底部电极的特定电压序列会将粒子从之前的位置移动至所需位置，正确显示新图像的颜色。此更新过程的时间通常不超过0.5秒钟。白色粒子被带到显示屏顶端，营造出“纸”的感觉；黑色粒子营造出“墨水”的感觉。但粒子不必始终位于最上层或最底部；当停止产生电场时，粒子便停在自己的位置上。这意味着我们可以在靠近显示屏顶部的位置形成黑白粒子的混合，显示为灰色度。确定作用在每个电极上的电压值和时序的软件十分复杂，这取决于该像素之前显示的颜色是什么。例如，若上一幅图像中的黑色像素在下一幅图像中仍为黑色，则无须在该点施加电压。图像的过渡也须细心处理；我们不希望上一幅图像迟滞，但也不希望突然的变化导致屏幕闪烁。在设计设置电压序列的算法（称为波形）时，这些只是我们考虑的其中一些因素。设计墨水屏的过程既有科学性，也不乏艺术性。将彩色引入这一过程会令波形大大复杂化。黑与白是简单的二分法，因为电场可以产生正负两种电荷，但此方法不适合全彩电子纸。我们需要全新的技术。我们从2000年初开始探索各种方案。2010年，我们首次推出商用彩色产品时使用的是彩色滤光片：在标准黑白墨水层上面的一层玻璃上印有一组方形阵列。当我们用电荷将一个白色粒子移动至选定点表面时，光线会通过这点上方的红色、绿色或蓝色滤光片反射到观看者眼中。这是一种显而易见的方法：人类可见的所有色彩都是通过红、绿和蓝三色光的组合形成的，所以当今最为常见的显示技术（如液晶显示屏和有机发光二极管）大多使用RGB发光器或彩色滤光片。我们将自己的产品称为E Ink Triton。这项技术确实在一款电子教科书产品上得到了应用，但我们从中学到的主要经验却是哪些技术不适用于消费市场。对那些习惯了高分辨率平板电脑或印刷杂志的人，Triton的分辨率太低，颜色也不够明亮。
亮度问题的根源在于，与使用背光的液晶显示屏或直接发光的有机发光二极管不同，E Ink是全反射显示屏。也就是说，外部光源的光线穿过透明的外壳，射向墨水层，再反射到观察者的眼睛。这非常适合户外使用，因为明亮的阳光会增强而非减弱反射显示器的亮度。由于显示屏不直接向用户发光，所以眼睛感到很舒适。但是作为反射式系统，墨水和双眼间的每一层都会吸收或散射一些光。事实证明，添加一层滤色片会使亮度明显减弱。此外，使用滤色片将单色像素分为3个彩色像素，也降低了整体分辨率。显示器的初始分辨率为每英寸300像素，加上一个三色滤光片后，分辨率降为每英寸100像素。当用这种屏幕作为32英寸的指示牌时这不是什么大问题，因为相应的像素尺寸可能会更大，而且大型字体也不需要太高的分辨率。但对于手持设备上的小字体和线条，这是一个实实在在的问题。在我们的研究人员研究滤光显示器的同时，实验室的其他人在专注研究另一种不依赖于彩色滤光片的新方法，称为多色素法（multipigment）。这种方法需要更加复杂的化学成分和运作机制。多色素电子纸与其早期的单色电子纸的基本原理是相同的，但它不是仅有两种类型的粒子，而是使用三种或四种粒子，这取决于具体应用所选的色彩。我们需要让这些粒子对电场做出独特的反应，而不仅仅是被吸引或排斥。我们对墨水粒子做了一些处理，以便对它们更好地管理。我们制作不同尺寸的粒子，在液体中，较大粒子的移动速度一般比较小粒子慢。利用电荷模拟特性多于数字特性的事实，我们改变粒子的电荷量。也就是说，粒子可带有强正电荷、弱正电荷、强负电荷或弱负电荷，之间可分为许多层级。在完成粒子的差异化之后，我们还不得不对波形进行调整。要想生成一幅图像，不仅要将一组粒子送至顶层、另一组粒子送至底层，还要对粒子又推又拉。例如，我们将一种颜色的粒子推到顶部，然后将再向下拉一点，以便与其他粒子混合，形成特定色度。例如，青色与黄色混合产生绿色，白色粒子提供反射背景。颜色粒子离表面越近，该颜色的强度在混合色中就越高。我们还将容器的形状从球形改为梯形，这可以更好地控制粒子的垂直位置。我们称这些容器为微杯（Microcups）。三色粒子系统上市后名为E Ink Spectra，其主要用于电子货架标签（ESL），我们在每个微杯中放入黑、白、红或黑、白、黄三色粒子。2021年，我们在此系统中添加了第四种粒子，新一代产品使用黑、白、红、黄四色粒子。四色系统非常适合生成高对比度、高饱和度的色彩，但这4种颜色无法通过组合生成全彩色图像。该技术于2013年首次推出，用于零售ESL。公司已将内置E Ink电子屏的数百万ESL标签运送至世界各地的零售商，如百思买、梅西百货和沃尔玛。采用中国东方科脉公司（DKE）电泳显示屏的类似货架标签亦已上市。我们将真正的全彩色系统称为高级彩色电子纸（ACeP）。ACeP也使用了4种粒子，但我们去掉了黑色，将颜色换成了白色（作为纸张），以及喷墨打印机所使用的青色、洋红色和黄色色。通过让粒子停留在不同的层级，我们可生成多达5万种颜色，色彩的显示效果犹如报纸甚至水彩画。2016年，E Ink 推出了采用了ACeP显示屏的Gallery系列。由于刷新率低，这款显示屏同样不适合消费类设备。此外，因为它是无背光的反射显示屏，对习惯了智能手机和平板电脑高亮显示器的消费者，它的颜色过于柔和，目前在亚洲主要作为零售店标签使用。
意识到我们的彩色显示屏仍未触及消费市场的“甜蜜点”后，我们的研发团队重新审视了使用RGB彩色滤光片的Triton系统。哪些可行，哪些不可行？我们能否通过改进，最终生产出消费者想要的彩屏电子阅读器？我们知道滤色片会削弱亮度。我们也非常确定可以让滤色片更靠近电子墨水，进而显著地减少亮度损失。我们要提高显示屏的分辨率，这意味着要更精细的滤色阵列。为了获得更符合消费者习惯的分辨率，我们必须至少达到每平方英寸200个像素。这大概是我们第一批Triton显示屏所达到的像素密度的2倍。见识到了我们用不同电荷配制墨水、开发ACeP的复杂性后，你可能觉得这会很容易。但我们最终发现，要将彩色滤光片印制在玻璃基板上，我们需要一种新技术。一开始，我们在玻璃上印制半透明的红、绿、蓝色墨水作为滤色器。但这层滤色玻璃额外增加了一层。于是，我们决定直接将颜色印制在载有顶部电极的塑料薄膜上，在显示模块组装过程即将结束前添加这一步骤。这样一来，就可以使滤色器尽可能靠近电子墨水，同时还能提高分辨率，与用单独滤色层相比，这样可更精确地将滤色器与显示屏像素对齐。在E Ink早期的合作伙伴德国公司Plastic Logic，我们找到了需要的打印机类型。但这台打印机是用于研发实验室的，不适大批量生产。打印机所用的工艺流程必须转换到适合批量生产的不同机器上。我们还要为彩色滤光片寻找新的印刷图案，即红色、蓝色和绿色滤光片的实际形状和排列。我们在研发Triton时便已发现，将滤色片印制为简单的方形网格并非最佳选择，因为在某些图像过渡期间，滤色片图案是可见的。于是，寻找完美图案的工作开始了。我们经历了多次迭代，将光线照射显示屏的角度考虑在内，因为这一角度很容易改变用户看到的颜色。我们评估了栅格、直线、长线条和许多其他图案，最后选定了短线条图案。因为我们要做的是反射式显示屏，照射到显示屏上的光线越多，屏幕就越亮。研究团队决定在显示屏上添加一个前灯（Triton并无此部件），进而确保光线照射墨水层的角度可获取最大反射率。当然前灯会增加功耗，但这样做是值得的。因此，与E Ink Triton相比，E Ink的新彩色显示技术——E Ink Kaleido明显具有更高的饱和度和更优的对比度。这一次，全彩电子墨水显示屏终于可应用于消费产品了。第一批Kaleido显示屏于2019年底正式下线。我们很快便开始出货，2020年推出的海信A5C、科大讯飞C1阅读器和PocketBook Color等产品均使用了这项技术。第二代Kaleido产品 Kaleido Plus于2021年初开始出货，采用该产品的文石和PocketBook等其他产品即将推出。由于调整了印制图案和前灯的导光板，二代产品在色彩饱和度方面有所提升。

我们仍有一些工作要做。光效率（即入射光返回用户眼中的比例）现在已经不错，但还要更好。我们正在研究改进薄膜层，进一步减少入射光损耗。

通过不断改进印刷图案，我们还在努力提高分辨率，在墨水层下方使用更密集的电路，并开关电压来移动带电粒子。我们还在继续研究无滤色片、多色素电子墨水技术。预计很快将发布用于路标或广告牌的新一代产品，它们的色彩将更明亮，页面刷新速度也会更快。有朝一日，我们甚至可以将这项技术用于消费类设备。在2000年初，E Ink的研究人员开始探索彩色电子墨水时，考虑到自身的专业技术经验，他们认为只需几年时间便可取得成果，毕竟黑白电子纸从概念到商业化只用了10年。然而事实证明，全彩色电子纸的道路要漫长得多。但就像《绿野仙踪》里的桃乐丝一样，我们终将飞越彩虹，到达彼岸。文章来源于悦智网，作者Edzer、Ian特别提醒：RISC-V 线下研讨会开启报名！

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