編譯 高斯寒

2008年10月，正好在假期購(gòu)物季之前，脫口秀節(jié)目主持人奧普拉·溫弗里（Oprah Winfrey）公布了備受外界期待的“最喜歡的物品”名單，亞馬遜Kindle閱讀器居于小裝置類(lèi)的首位。

在這一刻，電子紙（電子墨水屏）的概念進(jìn)入主流視野。

然而，早在亞馬遜Kindle閱讀器讓這種黑白二色、總像是開(kāi)啟著的反射式顯示屏為人所知之前，它早已被人發(fā)明出來(lái)。電子墨水屏的故事開(kāi)始于1997年的麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室，在教授約瑟夫·雅各布森（Joseph Jacobson）的啟發(fā)下，兩名學(xué)生阿爾伯特（J.D.Albert）和巴雷特·科米斯基（Barrett Comiskey）創(chuàng)造出電子墨水屏。

電子紙從一開(kāi)始就被視為神奇無(wú)比。它對(duì)眼睛很友好，甚至在戶(hù)外明亮的陽(yáng)光下也能看清楚，而其他便攜式顯示屏?xí)陉?yáng)光下變得無(wú)法辨識(shí)。電子紙使用數(shù)周才需要充電，而配備其他顯示屏的手機(jī)基本撐不了一天。然而，電子紙的局限性也顯而易見(jiàn)——圖片只能以黑白兩色顯現(xiàn)。在一個(gè)很久沒(méi)有見(jiàn)識(shí)過(guò)單色顯示屏的世界里——早在20世紀(jì)60年代，黑白電視機(jī)就被彩電取代，而計(jì)算機(jī)顯示器的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代后期——單色顯示屏毋庸置疑既老套又有趣。

在電子墨水公司的Triton和Kaleido顯示屏中，彩色濾光片將白色微粒反射的光變成紅色、綠色和藍(lán)色次像素。然而，這種方式降低了分辨率和亮度，限制了第一代彩色電子紙技術(shù)的普及

所以，從電子紙背后的基礎(chǔ)技術(shù)“電子墨水”最初開(kāi)發(fā)之時(shí)起，一個(gè)大問(wèn)題就籠罩著電子紙，并且隨著Kindle閱讀器的發(fā)布而日益突顯：我們到何時(shí)會(huì)看到這種神奇的顯示屏呈現(xiàn)出鮮艷的色彩？研究人員并非沒(méi)有嘗試。全球各地大學(xué)、企業(yè)實(shí)驗(yàn)研究室和新創(chuàng)企業(yè)的電子墨水研究者多年來(lái)一直在追求實(shí)現(xiàn)彩色電子紙。他們研究出一些早期產(chǎn)品，目標(biāo)定位于實(shí)體零售店鋪的貨架標(biāo)簽，也用于標(biāo)志牌。但這些早期產(chǎn)品僅僅是給黑白顯示屏增加一種顏色（紅色或黃色），那可不是任何人認(rèn)知中的全彩顯示屏。在第一臺(tái)Kindle閱讀器問(wèn)世十多年之后，在電子紙發(fā)明了二十多年之后，全彩電子紙依然沒(méi)有進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。

電子紙從黑白到彩色的轉(zhuǎn)變過(guò)程為何耗費(fèi)了這么久的時(shí)間？多年來(lái)，科研人員嘗試了多種方法，一些是來(lái)自更為傳統(tǒng)的顯示屏的技術(shù)，另一些是演變自原本的電子紙的獨(dú)特設(shè)計(jì)。譬如，高通公司花費(fèi)數(shù)十億美元來(lái)研究一種受到蝴蝶翅膀啟發(fā)的方法?？傮w而言，彩色電子紙的成功之路可能有些曲折，但依然是經(jīng)典的技術(shù)勝利故事。

如今，電子墨水公司（E Ink）的全彩電子紙進(jìn)入消費(fèi)者的手中，出現(xiàn)在包括電子閱讀器、智能手機(jī)和筆記設(shè)備在內(nèi)的產(chǎn)品上。有十多家制造商在生產(chǎn)這些產(chǎn)品，包括國(guó)悅V5彩色墨水屏筆記本、海信A5C彩墨屏閱讀手機(jī)、文石Boox Poke 2彩墨屏閱讀器和PocketBook彩墨屏閱讀器等。迄今公布的全彩電子紙產(chǎn)品中，除了電子墨水公司的技術(shù)，另外只有一種中國(guó)大連佳顯公司推出的電漿顯示屏（DES）。在本文寫(xiě)作之時(shí)，尚未有采用DES技術(shù)的設(shè)備送到消費(fèi)者手中，然而已有若干記者收到樣品，還有兩個(gè)Kickstarter公司的募資活動(dòng)的主打產(chǎn)品會(huì)用上DES顯示屏。

彩色電子紙的挑戰(zhàn)源自這項(xiàng)技術(shù)的性質(zhì)。黑白電子墨水是化學(xué)、物理學(xué)和電子學(xué)的直接融合，完成了與傳統(tǒng)的墨水和紙張幾乎一樣的事。電子墨水公司的產(chǎn)品由許多微膠囊構(gòu)成，這些膠囊內(nèi)有帶負(fù)電的黑色微粒，帶正電的白色微粒（同樣的色素也被用于現(xiàn)今的印刷工業(yè)），漂浮在透明液體中。每個(gè)微膠囊差不多同一根頭發(fā)絲一樣粗細(xì)。

為了制造電子紙顯示屏，研究人員首先制造出這種電子墨水，再用這種電子墨水覆蓋在塑料基板上，達(dá)到大約25到100微米厚，具體要視打算用于哪類(lèi)產(chǎn)品而定。接著把一卷卷覆層薄膜切割成想要的顯示屏尺寸，再添加薄膜晶體管，在墨水層的上方和下方生成電極，再像做三明治一樣將它夾在保護(hù)性薄片之間，如果有可能的話，會(huì)增加觸控面板或前光。

為了產(chǎn)生圖像，電子紙?jiān)O(shè)備向頂層和底層電極施加不同電壓，從而生成一個(gè)電場(chǎng)。頂層電壓接近為零，底層電壓在-15伏、0伏和15伏之間變換。每次顯示屏上的圖像需要變換時(shí)，特定順序的電壓被施加在底層電極上，驅(qū)動(dòng)微粒從先前的位置移動(dòng)到顯示新圖像的正確顏色所需的位置上。這種圖像更動(dòng)所用的時(shí)間通常不到半秒鐘。

讓白色微粒來(lái)到顯示屏頂層，創(chuàng)造出“紙張”的外觀。黑色微粒則創(chuàng)造出“墨水”的外觀。但微粒不用位居最頂層或最底層。當(dāng)我們停止生成電場(chǎng)后，微粒會(huì)在運(yùn)動(dòng)軌跡中停住。這意味著，我們能在顯示屏頂層的附近生成黑色微粒和白色微粒的混合物——這就顯現(xiàn)為灰度。

決定向每個(gè)電極施加多久的電場(chǎng)和多大電壓的軟件很復(fù)雜。具體的選擇取決于之前在那個(gè)像素上展示的顏色。譬如說(shuō)，假如一張圖像中的一個(gè)黑色像素在下一張圖像中仍然是黑色，就無(wú)需向那個(gè)像素施加電壓。我們也必須小心處理顏色的轉(zhuǎn)變。我們不希望之前的圖像滯留，但我們也不想讓顏色突然轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致顯示屏閃爍。這些只是設(shè)計(jì)算法（被稱(chēng)為波形，我們用它來(lái)確定電壓的順序）時(shí)要考量的因素中的一部分而已。這部分的設(shè)計(jì)工作既是科學(xué)，也是一種藝術(shù)。

電子墨水公司的先進(jìn)彩色電子紙（ACeP）使用四種不同的色素微粒，尺寸和電壓都各有不同。系統(tǒng)施加不同的電場(chǎng)，將微粒推拉到每個(gè)梯形微杯的不同位置，產(chǎn)生企望的顏色

將色彩納入方程式，使得波形大大地復(fù)雜化了。鑒于一個(gè)電場(chǎng)要么產(chǎn)生正電壓，要么產(chǎn)生負(fù)電壓，黑白兩色是簡(jiǎn)單的二元對(duì)立。二元對(duì)立的方法無(wú)法適應(yīng)全彩電子紙。我們需要一些全新的方法。

我們?cè)?1世紀(jì)初開(kāi)始探究各種選擇。我們于2010年在商業(yè)上推出的首批彩色電子紙產(chǎn)品中，有一種使用了彩色濾光片。彩色濾光片是印刷在一層玻璃上的方塊陣列，那層玻璃放置在標(biāo)準(zhǔn)黑白墨水層的上方。當(dāng)我們施加電壓，讓白色微粒移動(dòng)到選定位置的表面，光會(huì)穿過(guò)上方的紅色、綠色或藍(lán)色濾光片，反射回觀看者的眼中。這是一種顯而易見(jiàn)的方法：人類(lèi)所能看見(jiàn)的所有顏色都能通過(guò)紅色、綠色和藍(lán)色光的混合而產(chǎn)生。由于這個(gè)緣故，如今大多數(shù)的常見(jiàn)顯示技術(shù)（譬如LCD和OLED）都使用RGB發(fā)光器或彩色濾光片。

我們將這款產(chǎn)品起名為“電子墨水Triton屏”。盡管當(dāng)時(shí)推出了采用該技術(shù)的電子教科書(shū)，但這一嘗試教給我們最主要的經(jīng)驗(yàn)是，什么樣的技術(shù)在消費(fèi)市場(chǎng)中會(huì)行不通。對(duì)于習(xí)慣了平板電腦或紙本雜志的高分辨率的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這種顯示屏的分辨率實(shí)在太低，顏色不夠明亮。

顏色不夠明亮的問(wèn)題出在一項(xiàng)事實(shí)上：和采用背光的LCD或直接發(fā)光的OLED顯示屏不一樣，電子墨水公司的墨水屏是全反射屏。也就是說(shuō)，來(lái)自外部光源的光線穿過(guò)透明保護(hù)層，擊中墨水層，反射回到觀看者的眼中。這種布置對(duì)于戶(hù)外使用很適合，因?yàn)榉瓷湫燥@示屏?xí)玫教嵘?，而不是被明亮的日光照得黯淡。這種顯示屏對(duì)于眼睛的舒適也有好處，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)將明亮的光線直接照向使用者的眼睛。但是在反射性顯示屏系統(tǒng)中，墨水層和眼睛之間的每一層都吸收或散射掉若干光線。結(jié)果證明，增加彩色濾光層導(dǎo)致顯示屏暗淡了好多。

另外，采用彩色濾光片來(lái)將單色像素分離為三個(gè)有色像素，拉低了整體分辨率。原本分辨率為每英寸（1英寸約合2.54厘米）300像素的顯示屏在增加三色濾光片后，分辨率降低為每英寸100像素。對(duì)于用作指示牌的32英寸顯示屏來(lái)說(shuō)，不是大問(wèn)題——像素尺寸可以做得更大，而碩大的字母也不需要高分辨率。但是對(duì)于手持設(shè)備上小小的字體和線條畫(huà)來(lái)說(shuō)，這是個(gè)真實(shí)的問(wèn)題。

我們有研究者構(gòu)思出這種濾光片顯示屏，而公司實(shí)驗(yàn)室的其他科研人員著眼于一種不一樣的、采用多色素、不依賴(lài)于彩色濾光片的方法。然而，那種方法需要更為復(fù)雜的化學(xué)和力學(xué)機(jī)制。

多色素電子紙與之前的單色電子紙有著共同的基礎(chǔ)原理。然而，相對(duì)于單色電子紙只有兩種微粒，多色素電子紙如今使用了三種或四種微粒，具體要依據(jù)一個(gè)特定應(yīng)用所挑選的顏色來(lái)確定。

我們需要讓這些微粒對(duì)于電場(chǎng)做出獨(dú)特的反應(yīng)，而不是簡(jiǎn)單地受到吸引或排斥。我們對(duì)墨水微粒做了一些設(shè)計(jì)，使得它們能更好地分類(lèi)。我們讓墨水微粒的尺寸不一——較大的微粒一般在液體中會(huì)移動(dòng)得比較小的微粒慢。我們將對(duì)微粒施加的電壓差異化，利用電壓變化更具模擬性而非數(shù)字性的事實(shí)。也就是說(shuō)，電壓可以是非常強(qiáng)的正電壓、些許的正電壓、非常強(qiáng)的負(fù)電壓或些許的負(fù)電壓。而且在它們之間還存在許多階度。

Spectra顯示屏是電子墨水公司的第一種三色顯示屏，允許零售商在電子貨架標(biāo)簽中插入一塊紅色或黃色

電子墨水公司的Kaleido彩色墨水屏中包括了前光，將彩色濾光片的圖案定為一系列短線條，借此改善明亮度、色飽和度和對(duì)比度

我們一旦將微粒分開(kāi)，就得要施加波形。我們不單單是將一組微粒送入頂層，將另一組微粒送入底層，而是對(duì)它們既推又拉，生成圖像。譬如說(shuō)，我們可以將一種顏色的微粒推至頂層，再將它們稍稍拉回來(lái)，于是它們與其他微粒混合，生成特定的顏色。青色與黃色混合，生成綠色，而白色微粒提供反射背景。一種微粒更靠近表面，那個(gè)顏色在混合色中的色彩濃度也就更大。

我們也改變了色素容器的外形，從球形改為梯形，這使得我們能更好地控制微粒的垂直位置。我們稱(chēng)呼這些容器為微杯（microcups）。

對(duì)于三類(lèi)微粒的系統(tǒng)（如今在市場(chǎng)上稱(chēng)為電子墨水Spectra屏，主要用于電子貨架標(biāo)簽），我們?cè)诿總€(gè)微杯中放入黑白紅或黑白黃色素。2021年，我們?yōu)樵撓到y(tǒng)添加了第四種色素微粒：我們的新一代產(chǎn)品使用黑色、白色、紅色和黃色微粒。這樣就能生成極其飽和的高對(duì)比色彩，然而，這四種顏色無(wú)法混合生成全彩圖像。這項(xiàng)技術(shù)最早在2013年推出，用于零售業(yè)的電子貨架標(biāo)簽。若干公司已經(jīng)用電子墨水公司的顯示屏制造出數(shù)百萬(wàn)個(gè)電子貨架標(biāo)簽，運(yùn)送到全球各地，用于百思買(mǎi)、梅西百貨和沃爾瑪超市。也有類(lèi)似的電泳貨架標(biāo)簽采用了中國(guó)東方科脈公司生產(chǎn)的顯示屏，產(chǎn)品也早已上市。

電子墨水公司真正的全彩電子紙系統(tǒng)被稱(chēng)為先進(jìn)彩色電子紙（ACeP），我們?cè)谶@種電子紙中也用了四種色素微粒，但我們放棄了黑色微粒，依賴(lài)白色、青色、品紅和黃色微粒，也就是噴墨打印機(jī)中使用的四種顏色。通過(guò)讓微粒在不同層面中停下，我們能用這些微粒產(chǎn)生高達(dá)5萬(wàn)種色彩。最終得到的顯示屏渲染的色彩像報(bào)紙、甚至是水彩繪畫(huà)中的顏色。

電子墨水公司于2016年將先進(jìn)彩色電子紙以“電子墨水Gallery”之名上市。這種顯示屏因?yàn)榈退⑿侣识忠淮尾贿m合消費(fèi)用設(shè)備。另外，它是反射式顯示屏，又沒(méi)有背光，對(duì)于習(xí)慣了智能手機(jī)和平板電腦的明亮顯示屏的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，它的色彩過(guò)于柔和了。目前，它主要是在亞洲用于零售業(yè)的標(biāo)識(shí)。

我們意識(shí)到我們的彩墨顯示屏依然沒(méi)有擊中消費(fèi)者市場(chǎng)的最佳點(diǎn)，公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)回頭再次審視起Triton屏，也就是使用RGB彩色濾光片的系統(tǒng)。什么樣的系統(tǒng)行得通，什么樣的系統(tǒng)行不通？我們進(jìn)行的這些更改是否最終能帶來(lái)一臺(tái)消費(fèi)者想要的彩色電子閱讀器？

我們知道濾光片會(huì)削弱亮度。我們相當(dāng)確信，通過(guò)讓濾光片更靠近電子墨水層，能顯著減少亮度的損失。

我們也想要提高顯示屏的分辨率，這意味著采用更為精細(xì)的彩色濾光陣列。為了獲得更加符合消費(fèi)者習(xí)慣的分辨率，我們得要在每平方英寸（1平方英寸約合6.5平方厘米）中射出至少200個(gè)像素點(diǎn)。那是我們的第一批Triton顯示屏所能達(dá)到的密度的大約兩倍。

相較于用不同的電壓來(lái)控制色素顆粒（正如我們開(kāi)發(fā)ACeP時(shí)所做的事）的復(fù)雜程度，你也許會(huì)認(rèn)為這件事很容易辦到。但結(jié)果證明，這需要用一種在玻璃基板上印刷出彩色濾光片的新技術(shù)。

我們之前在玻璃上印刷上半透明的紅色、綠色和藍(lán)色墨水，制造出濾光片。但這種玻璃是疊加層。于是，我們決定直接在容納頂層電極的那層塑料薄膜上印刷，在我們的顯示屏模塊臨近封裝制程的尾聲后增加這個(gè)步驟。這項(xiàng)安排讓濾光片盡可能接近電子墨水層。此舉也允許我們提高分辨率，因?yàn)楹褪褂妙~外一層面板時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的精度相比，現(xiàn)在能更加精確地把濾光片與顯示屏像素對(duì)準(zhǔn)。

2021年上市的PocketBook墨水屏平板Inkpad 3 Pro采用了第二代電子墨水Kaleido Plus 彩墨屏

作為電子墨水公司制造工序的一部分，含有墨水的微膠囊覆蓋在塑料薄膜上。這些薄膜在干燥、檢驗(yàn)和重新卷好后，送到其他地方進(jìn)一步加工

我們?cè)诘聡?guó)公司“塑料邏輯”（Plastic Logic）中找到了我們需要的那類(lèi)印刷機(jī)，該公司從早期時(shí)就是電子墨水公司的合作伙伴。然而，該印刷機(jī)的本意是用于研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，而不是用于大量生產(chǎn)。必須對(duì)它所使用的工序進(jìn)行改造，從而在不同的生產(chǎn)就緒的機(jī)器中運(yùn)作。

我們也需要為彩色濾光片構(gòu)思出新的印刷圖案。也就是紅色、藍(lán)色和綠色濾光陣列的實(shí)際形狀和排列方式。我們?cè)缦韧ㄟ^(guò)研發(fā)Triton顯示屏的工作發(fā)現(xiàn)，將濾光陣列印刷成簡(jiǎn)單的方塊網(wǎng)格不是最佳方案，因?yàn)樵谀承﹫D像轉(zhuǎn)變時(shí)能看見(jiàn)該圖案。于是，搜尋最完美圖案的工作繼續(xù)進(jìn)行。我們進(jìn)行許多次迭代，考慮光線照在顯示屏上的角度，因?yàn)檫@個(gè)角度能輕易改變觀察者所看見(jiàn)的色彩。我們?cè)u(píng)估了網(wǎng)格、直線、長(zhǎng)線條和許多其他圖案，最終敲定采用一種短線條圖案。

因?yàn)檫@是反射式顯示屏，所以越多光線擊中顯示屏，也就越亮。研究團(tuán)隊(duì)決定為顯示屏增加前光（這是Triton顯示屏未采用的部分），努力確保光線以某個(gè)角度擊中墨水層，使得反射率最大化。當(dāng)然，采用前光會(huì)提高能耗，但在這個(gè)案例中是值得的。

結(jié)果，相較于Triton屏，電子墨水公司的全新彩墨屏技術(shù)“電子墨水Kaleido”擁有更加飽和的色彩和更好的對(duì)比度。終于有一種全彩電子墨水顯示屏準(zhǔn)備好用于消費(fèi)產(chǎn)品。

第一批正式的Kaleido顯示屏在2019年下半年下生產(chǎn)線。不久后，我們開(kāi)始運(yùn)送貨物給顧客，你目前能在海信A5C彩墨屏閱讀手機(jī)、科大訊飛C1閱讀器和PocketBook彩墨屏閱讀器等產(chǎn)品中見(jiàn)到這項(xiàng)技術(shù)，以上產(chǎn)品都上市于2020年。第二代Kaleido顯示屏被稱(chēng)為Kaleido Plus，在2021年初開(kāi)始運(yùn)送給廠商，文石和PocketBook等公司推出的相關(guān)產(chǎn)品在不久后上市。第二代Kaleido顯示屏改善了色彩飽和度，這多虧了印刷圖案和前光光導(dǎo)方面的調(diào)整。

我們還有一些事要做。被反射回到用戶(hù)眼中的入射光比率叫作光效率。公司目前產(chǎn)品的光效率很好，但可以做得更好。我們?cè)诶^續(xù)研究薄膜層，謀求進(jìn)一步減少亮度的損失。

我們繼續(xù)完善印刷圖案，在墨水層下方的電子器件中使用更密集的電路，并通過(guò)開(kāi)關(guān)電壓來(lái)移動(dòng)帶電粒子，努力改進(jìn)分辨率。

我們也在繼續(xù)研究無(wú)濾光片、多色素的電子墨水技術(shù)。我們預(yù)計(jì)會(huì)在不久后推出用于標(biāo)志牌的新一代顯示屏，它會(huì)擁有更鮮艷的色彩和更快的頁(yè)面更新速度。

電子墨水公司的科研人員在21世紀(jì)初著手探索彩色電子墨水時(shí)，鑒于對(duì)電子紙技術(shù)的專(zhuān)長(zhǎng)，他們以為只要過(guò)上幾年，就能有所結(jié)果。畢竟，黑白電子紙僅僅用了十年，就從概念構(gòu)思走到了商業(yè)化的這一步。事實(shí)證明，通往全彩電子書(shū)的道路漫長(zhǎng)得多。但是，恰如《綠野仙蹤》中的少女桃樂(lè)絲一樣，我們最終還是成功到達(dá)了彩虹的彼端。

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