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在生活中,各种电子设备随处可见,大到电视机、笔记本,小到手机、平板等等,它们的存在和显示屏息息相关,都离不开显示技术的支持。显示技术从最初的阴极射线管显示技术(CRT)发展到平板显示技术(FPD),平板显示更是延伸出等离子显示(PDP)、液晶显示(LCD)、有机发光二极管显示(OLED)等技术路线,各种触摸显示屏、可弯曲显示屏在数码产品的应用上大放光彩,在高速发展的物联网时代应用前景极为广阔。

其中,电子墨水屏(又称“电子纸”)作为显示材料的黑马,不容忽略。电子墨水屏自1975年被概念化后,其技术和应用在1996年突破,并于1999年实现商用,其势头就呈燎原之态——从经典的亚马逊Kindle电子书阅读器,到大型商超中的电子货架、会议场景的电子看板、会议桌牌以及墙面软装的装饰中等等,都能看到正在逐渐丰富的电子墨水屏应用场景。

打着替代传统纸张旗号的电子墨水屏,出货量频频上升,凭着其自身优势普遍应用于生活,正在慢慢侵蚀显示市场,对其它显示材料来说,这会不会是一场显示革命呢?

电子墨水屏能否掀起一场显示革命还很难说,因为电子墨水屏与其它显示材料相比,电子墨水屏虽然具备很多优势,但还有尚未逾越的鸿沟,如电子墨水屏的彩色屏量产、动态显示以及成本问题等,能否跨越这些产品鸿沟,是电子墨水屏能否引起一场显示革命的关键所在。

1.显示技术的发展历程

要说电子墨水屏能否引起显示技术的更新迭代,不妨让我们先来初步了解一下显示技术的发展历程。

显示技术的发展可以追溯自1897年,世界上第一台CRT诞生,实现了电信号向光输出的转换。20世纪50年代开始,随着CRT技术大量产业化,黑白CRT电视和彩色CRT电视成为那个时代最重要的显示设备。

20世纪70年代初,世界上第一台液晶显示设备出现,被称之为TN-LCD(扭曲向列)液晶显示器。随着液晶技术应用的不断拓宽,液晶技术凭借更大的屏幕尺寸和更轻薄的机身厚度,逐渐取代了响应时间,色彩表现都不逊色于液晶的CRT。

20世纪90年代,等离子技术、液晶技术发展达到技术并行阶段。2000年后,随着液晶技术的完善,液晶技术在显示效果、成本等诸多方面均显著超越等离子技术,等离子技术逐步退出市场,液晶技术成为全球主流的显示技术。

同样是在等离子技术、液晶技术并行的20世纪90年代,1996年,美国麻省理工学院的贝尔实验室通过一项研究,利用电泳技术(EPD)实现显示,成功制造出电子纸的原型。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,并于1999年成功将电子纸商业应用于户外广告。

随着材料技术的发展,消费者对于尺寸跃升和轻薄设计的需求并未减弱,且加入了对于色彩表现和形态多样性的要求,由此引发了自发光、柔性屏的新趋势,符合消费者需求的有机发光二极管显示(OLED)技术出现并实现产业化。2006年之前,OLED面板多为PMOLED面板,主要针对小尺寸显示器件,自从2008年诺基亚推出了第一台应用AMOLED显示屏的手机后,索尼、LG分别推出小尺寸OLED电视;2010年,三星大举推进AMOLED技术,并在其高端手机中广泛使用AMOLED面板,OLED的商业化进程得到了实质性进展。

目前,平板显示(FPD)的主流产品为LCD面板与OLED面板,异军突起的电子墨水屏出货量频频上升值得关注。

平板显示技术按照非自发光和自发光的分类(不包括电子纸)

LCD面板中,其中TFT-LCD平板依靠其具有的工作电压低、功耗小、分辨率高、抗干扰性好、应用范围广等一系列优点,仍为显示产业的主流产品,广泛应于笔记本电脑、桌面显示器、电视、移动通信设备等领域。

AMOLED平板是OLED技术的主流产品,OLED面板在推出伊始价格较为昂贵,未进入日常电子消费品行列,2010年之后随着其生产工艺的提升,OLED屏幕逐渐在手机、可穿戴设备应用和推广,广泛应用于手机、平板电脑等小尺寸平板显示中。

电子墨水屏算得上是平板显示发展中半路杀出的“程咬金”,其凭借超低功耗、双稳态的物理特性在显示市场逐渐站稳脚跟,据了解,电子墨水屏的出货量近几年不断上升,2018年出货量突破一亿片,在零售市场信息化方案改造的电子货架标签中得到大量应用。

显示技术的发展离不开消费者需求的原始驱动,和时代发展趋势息息相关。多种显示技术并存,且在不同的应用环境中,各自发挥自己的独特优势可能会是显示技术未来的发展趋势。

2.动态显示领域,LCD与OLED屏仍是主流

显示领域的分类中,可以分成动态显示和静态显示领域。静态显示就像是一帧照片,而动态显示则是成百上千帧的照片在快速切换,当照片切换的速度超过了人类能够识别的速度,即照片切换频率达到每秒15~30帧时,人类便察觉不到照片切换之间的时间间隔,这时人类看到的就是运动的事物,这就是视频播放的动态显示原理。

那么,我们先来说动态显示领域,生活中能看到的电视、电脑显示器、手提电脑和手机等终端电子消费品,都能进行动态显示,即播放视频,它们的显示材料选择更多是TFT-LCD和OLED显示材料,然而,电子墨水屏却没有应用于视频播放,这是为什么呢?

通过上图的对比可以明显的看到, TFT-LCD、OLED和电子墨水屏三者之间的信号响应速度相差相对明显,更深层次的原因在于三者之间的显示原理各不相同。

说到显示原理,不如先来了解一下屏幕的显示成像原理。屏幕是由众多像素点组成的,而每个像素点由红绿蓝三个子像素组成,只要有红绿蓝三原色,通过颜色配比就可以调制出成千上万种颜色,当然也包括我们想要的颜色。

LCD屏的主要显示部件包括背光层板、液晶层和三原色薄膜(三部件由下往上排布,为了简单解释原理,其他部件不做列举),背光板主要是显示白光,液晶层是白光的控制阀门,通过电压控制,当被控制的白光穿透三原色薄膜后,就能显示相应的颜色。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,可以达到显示不同颜色与画面的效果,由于是通过电压对液晶进行控制,信号的响应时间最快只要1毫秒。

因此,液晶屏需要成像,无论显示什么颜色,背光板都需要一直打开显示白光,这个也成为液晶屏耗电的主要原因。

然而,相比于LCD,OLED并不需要背光板,也不需要液晶层,OLED屏由于构造简单,制造工序只需要86道,远低于TFT-LCD的200多道工序,在信号响应速度方面也极具优势,最快只需20微秒。

OLED屏的发光方式属于固态自发光,就像是由无数个彩色小灯泡组合而成的屏幕,每个小灯泡就是一个像素点。OLED每个像素点可以被独立控制,显示成像时不需要像LCD全部打开背光板,相比之下就会省电很多,但还是需要一直通电。

出于对功耗的追求,有人可能会突发奇想,世界上会不会有不通电也能显示的显示屏呢?

电子墨水屏就是一种不通电也能显示的显示屏,原因就在于电子墨水屏的显示材料是电子墨水,而电子墨水具有双稳态特性,即磁滞效应。在磁滞效应带来低功耗的同时,而这也是电子墨水屏不适用于播放视频的主要原因。

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,即使不通电,图形也依旧可以保存,这就是电子墨水屏的磁滞效应特征。但是需要连续显示下一个图像时,则需要先使墨水屏回归原始状态,这是为什么呢?

磁滞效应图例

通过上图对电子墨水屏的磁滞效应作解释,横轴是电压值,表示设备提供的电压大小,纵轴是灰度值,假定正为最白,负为最黑。当设备给一个正电压,即从电压值0到B点过程,灰度值走下面上升的路线,显示白色给读者,然后断电,电压值从B减少到0,灰度值走上面那条回来的路线,白色得以保持(双稳态特征)。如果这个时候需要继续显示更高灰度值的白色,而此时灰度的初始值是C,电路所驱动的电压对应的灰度将会不准确,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,就会出现我们常说的残影现象。

于是,为了避免残影的出现,就需要全部加到最大或者最小电压,把所有的墨水先清零,从初始状态开始调整,动态显示就像擦黑板一样,照片一帧一帧换的时候,需要先擦黑板再写上去,这会严重影响电子墨水屏的响应速度。

所以,电子墨水屏想要在动态显示领域掀起一场革命似乎还言之过早,目前主流产品还是液晶的TFT-LCD面板与OLED的AMOLED面板。

平板显示的市场划分情况

平板动态显示的市场分布主要如上图所示,主要呈现出以下特点:

(1)由液晶技术主导的传统市场,由于TFT-LCD面板的成熟性及逐步改良的成本优势,大屏幕显示市场仍由液晶主导,该市场仍是目前平板显示最大的市场;

(2)液晶与OLED技术交叉存在的市场,该市场主要由手机及平板电脑的中小尺寸显示屏幕构成,由于液晶技术与OLED技术各有千秋,两种显示面板共同瓜分了这块市场;

(3)新兴市场,该市场是随着消费电子的发展而衍生的一块市场。近年来随着技术的发展及用户需求的提升,一些新的电子消费品因为AMOLED技术的特性得以实现商业化,如可穿戴设备、曲屏手机、VR设备等,这部分市场完全由AMOLED面板主导,是平板显示新增的一块市场。

3.电子墨水屏是静态显示领域的最佳选择

超低功耗的电子墨水屏在动态显示领域还不能有所作为,那么在静态显示领域呢?

根据显示原理,显示屏可分为发光式和反射式两类。发光式显示器需要搭配发光源(如LCD)或自发光材质(如OLED)才能达到显示效果,而反射式显示器结合不会自行发光的显示介质(如电子墨水)通过反射率的变化达到显示作用。

电子墨水屏是一种典型的反射式显示器。目前,世界上主要的电子墨水屏的显示技术包括电泳式、胆固醇液晶、电子粉流体和旋转球等技术。其中,电泳式技术细分为微胶囊型和微杯型技术,目前技术比较成熟,应用相对广泛,而其他几种技术应用较少或者尚未被产业化。

微胶囊型电泳技术是制作电子墨水屏的一种常用技术,目前被元太科技收购的原Elnk公司在微胶囊型电泳技术处于全球领先地位。微胶囊型电泳技术是通过微胶囊中含正电荷的白色粒子和带负电荷的黑色粒子在透明液体中的上下运动来呈现图像。微胶囊的顶部有一个电极,底部为另一个电极,微胶囊夹于两个电极之间。当负电场作用于微胶囊时,带正电荷的白色颗粒移动到微胶囊顶部,相应位置显示为白色;如果正电场作用于微胶囊时,则显示黑色。数百万个微米级别尺寸的胶囊构成了电子墨水,电子墨水连同顶部和底部的两个电极可以加工做成薄膜状的电子墨水膜。

微杯型电泳显示技术则是微胶囊型的技术升华,微胶囊型技术是将不同的带电粒子放在范围较大的电介质共同溶液中,而微杯型技术则是将带电粒子与电介质液体封装在微杯中,从而将电泳液分割成细小的独立单元,有效地预防了电泳液外漏和微粒的位移。

由于微杯式结构使粒子上下运动流畅,具备良好的机械性能和结构完整性,使得显示屏在弯曲、卷曲及受压情况下仍能保持优异性能,封装后可被裁减切割为任意尺寸和形状。微杯式结构的电子墨水屏和成本更为高昂的OLED屏相比,在屏幕的柔性、弯曲性能上,OLED屏并不占据上风。

电子纸的特性与优势

由电泳显示技术制造出的电子墨水屏具备双稳态、反射式、柔性可弯曲等“类纸”特性及其阳光下可视、超广视角、轻薄羽量等优点,因此被称之为“电子纸”。

在动态显示中也有说到,电子墨水屏具备双稳态特性,即在不供电的情况下,显示屏可以保持“正电荷粒子上浮、负电荷粒子下沉”或“负电荷粒子上浮、正电荷粒子下沉”两种稳定状态。因此,电子墨水屏可以保持画面常亮时处于零耗电状态,从而拥有超低耗电的口碑,而这也是电子墨水屏能在静态显示领域独树一帜的重要原因。

从元太科技公司提供资料了解到,元太科技经过实验测算,在户外的情况下,电子纸功耗仅为液晶显示屏的0.8%,而室内情况下,电子纸功耗则为液晶显示屏的3.3%。由此可见,电子纸的超低功耗实至名归。

电子墨水屏除了在功耗上与液晶显示屏有鲜明对比外,反射式的电子墨水屏与发光式的液晶显示屏相比也是优势尽显。电子墨水屏具有超广全视角,高达180度;其次,电子墨水屏阳光下可视,并没有蓝光伤害,对使用者可以达到舒适护眼的阅读效果。

从电子墨水屏的典型应用——亚马逊Kindle电子书阅读器,也能看出电子墨水屏不同于不断追求高分辨率和色彩更丰富的手机电脑显示屏,电子墨水屏的需求自诞生起就不一样,亚马逊Kindle电子书凭借电子墨水屏的省电、舒适护眼、类纸质感等显著优点,使它在姿色各异的电子书阅读器市场中杀出一片重围。

在电子产品还未被大量应用时,传统纸张是生活中信息载体的主要显示材料,具备很多原始的优缺点,电子墨水屏的出现不仅吸纳了传统纸张的大部分优点,同时还克服了它不环保、信息更新慢、无法显示即时信息的硬性缺点。

如超市的电子货架标签,通过带电子墨水屏的电子价签应用,不仅可以即时变价,显示最新信息,而且价签还能重复利用,对店家来说,可以节省大量的人力和纸质成本,环保意义重大。

由于电子墨水屏同时具备纸张和电子器件的优良特性,和传统纸张比,优势绰绰有余。然而,不管是LCD还是OLED屏,都具备全彩颜色可选的特点,对于电子墨水屏来说,这会是技术壁垒吗?

其实,早在2002年3月召开的东京国际书展上,就出现了第一张彩色电子纸。时至今日,元太科技生产的电子墨水屏,也从一开始的黑白单色、三色,发展到如今的全彩色,由此可见,电子纸在彩色显示技术上并无很大的技术壁垒。

那为何市面上,还没有彩色电子纸应用大量出现呢?成本问题可能是重要因素,据了解,有电子价签厂商反映,三色的电子纸在价签应用中成本占比仍然较高。彩色电子纸的制作工艺比三色复杂,成本也较高,如果市场连三色的电子纸都不能合理消化,那彩色电子纸很难有经济性可言。

随着市场教育的不断推进,市场对于电子墨水屏的接受程度也在不断增加,电子墨水屏的出货量逐年不断上升,相信对于成本问题将会是一个利好影响。据了解,元太科技称2019年为其彩色元年,彩色电子纸的量产化进程同样值得期待。

尽管,电子墨水屏在动态显示的突破方面仍然道阻且长,但是电子墨水屏在彩色显示、柔性显示中均不落后于LCD和OLED屏,在静态显示性能和显示效果上均占优势,这将会促使电子墨水屏慢慢成为静态显示领域的最佳选择。

显示革命尚未成功,电子墨水屏仍需努力!


本文转自:http://news.rfidworld.com.cn/2019_12/103f6dfbffae20eb.html

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