漫谈电子纸

2015-3-26 13:28| 发布者: 高华华| 查看: 1467| 评论: 0|来自: 科学公园

摘要: 各种电子显示设备要想展示文字或者图形，也必须通过某种方式来产生颜色的反差。目前市面上电子产品的显示设备大都使用背光式的液晶显示器，即光从位于液晶面板后方的光源发出，经过液晶面板和它前方的屏幕，最终进入我们的眼睛。其中起关键作用的就是液晶材料。液晶材料有个神奇之处，那就是能够在电场作用下改变它的透光能力。 ...

漫反射 , 电子纸

       ——“漫谈电子纸”系列（一）

       作为记录文字的一种重要载体，纸已经伴随我们走过了三千多年的历程。由于造价低廉、轻便易携带且易于书写和印刷，纸成为了人类记录和传播信息的一种重要工具，极大地推动了文明的进程。然而纸也并非完美无瑕，每张纸上只能记录有限的内容，而且一旦书写或者印刷完毕就很难再更改。在这个知识爆炸的年代，这不仅意味着每年需要有大量的纸张被生产出来，造成资源的巨大消耗和对环境的严重破坏，而且大量纸质的书籍资料也不便于存放和携带。因此人们开始思考，有没有新的材料或者技术能够替代纸张呢？

       电视、电脑等电子产品的诞生让人们看到了希望。电子产品的显示器不像纸张那样，一旦写好就无法推倒重来，而是可以根据需要轻松变换内容。电子产品的存储能力也大大高于传统的书本，整间书房的藏书，一块小小的硬盘就可以容纳下。至于展示多媒体内容和快速检索等能力，纸质书本更是望尘莫及。但由于技术的限制，发展初期的电子产品在功能上仍然有很多限制，尤其是比较庞大笨重；因此，虽然它们的出现为我们提供了新的沟通和交流的渠道，纸的功能和地位仍然无法被替代。

       然而随着技术的飞速发展，各种电子产品不仅功能愈发强大，体积和重量更是大幅下降，变得愈加小巧轻便，其中尤为引人瞩目的是近些年出现的智能手机和平板电脑。例如一部10英寸屏幕的平板电脑长宽与一本16开杂志接近，厚度不超过1厘米，重量也只有几百克，拿在手上的感觉与握一本稍厚的书相差无几，功能则远胜于纸质书刊。因此人们满怀憧憬，认为这样一部小巧的电子产品即便不能完全取代纸的功能，代替纸质的书籍供人阅读应该是绰绰有余。然而很多人尝试之后却失望地发现，这种“电子书”的使用效果并不那么尽如人意。那么问题出在哪里呢？

       我们常常说“白纸黑字”，这个简单的成语其实反映了深刻的科学道理，那就是纸质书籍是通过颜色的巨大反差来显示内容的。包括纸在内的许多物体自身都不能发光，它们之所以能够被我们看到，是因为太阳或者其他光源发出的光被反射进入人眼。太阳光实际上包含了许多不同波长的光，它们分别会让人眼感受到红、黄、绿、蓝等颜色，但混合到一起后则会使我们感到白色。纸在反射阳光时是将不同颜色的光一视同仁地反射回去，因此在我们眼中它就是白色的。当我们用书写或者印刷的方式将油墨添加到纸上时，油墨中的颜料或者染料会将光悉数吸收而不是反射掉，于是被油墨覆盖的这部分纸就变成了黑色。当然，我们也可以让油墨只吸收某些波长的光而让其它的光反射回去，从而得到各种彩色。通过颜色的不同，我们就看到了印在纸上的文字或者图案。

各种电子显示设备要想展示文字或者图形，也必须通过某种方式来产生颜色的反差。目前市面上电子产品的显示设备大都使用背光式的液晶显示器，即光从位于液晶面板后方的光源发出，经过液晶面板和它前方的屏幕，最终进入我们的眼睛。其中起关键作用的就是液晶材料。液晶材料有个神奇之处，那就是能够在电场作用下改变它的透光能力。当电压没有施加到液晶材料上时，显示器的背光能够顺利通过液晶材料进入我们的眼睛，大多数电子产品，其液晶显示器的背光发出的是白光，在这种情况下屏幕上会呈现白色；而一旦向液晶材料施加足够的电压，显示器的背光就会被阻挡，屏幕就变成了黑色[1]。在液晶屏的不同区域施加不同的电压，屏幕上对应的区域就会分别出现黑白两种颜色。通过这样的反差，屏幕上就可以清晰地显示出文字或者图形，而通过改变电压的分布，显示的内容又可以很方便地变化。我们还可以通过添加滤光片的方法，让液晶屏实现全彩色显示，从而带给我们更丰富的视觉享受。

图1 背光式液晶显示器的基本原理。左：无电压时显示器的背光可以顺利通过液晶面板；右：施加电压时，显示器的背光无法通过液晶面板[2]。

       正因为液晶屏产生颜色的反差离不开自身的发光，因此输入液晶显示器的电能有相当大一部分被用于维持显示器的背光光源。对于电视和台式电脑来说这并不是太大的问题，使用的时候接上电源就好了。然而用来阅读的电子产品由于要便于携带，主要是依靠电池来供电，能耗就成了一个很大的问题。目前市面上的平板电脑电池充满电后能够使用10小时左右，应该说这个成绩已经相当不错了，但是如果作为电子书阅读器使用，这样的电池容量恐怕仍然不够。如果在旅途中你用平板电脑读一部小说，即将读到大结局处却因为电池耗尽而无法尽兴，恐怕你还是会觉得纸质书更方便吧？

       电池消耗过快还不是用电子产品代替纸质书的唯一不便之处。如果你带着平板电脑到户外读书，还有可能遇到另一个令人头痛的问题：在阳光下，平板电脑的屏幕像镜子一样闪闪发亮，不仅上面的文字或者图案难以辨认，而且让你的眼睛非常不舒服。而纸质的书籍则不同，即便在耀眼的阳光下，文字看起来仍然是十分柔和。这又是为什么呢？

       当我们拿起一张纸时，可能觉得它像玻璃一样是一个均匀的整体，但实际上它是由无数微小的植物纤维叠加而成，它们之间则充满了空气。不要小看这些植物纤维的小颗粒，它们对于纸张带来的视觉效果至关重要。照射到玻璃表面的光大概只有4%被反射，其余的都穿过去了，所以在我们眼中，玻璃并不是白色，而是无色透明的。而当光照射到纸上时，看上去它只是在纸张的上表面发生了反射，但实际上每一根植物纤维与空气接触的表面都会有反射发生。这样一来，绝大部分的光都难以穿透纸，而是进入了我们的眼睛，于是我们就感到了纯正饱满的白色。于是当油墨被印刷到纸上时，一些白色的小颗粒就变成了黑色或者其他颜色的小颗粒，我们就看到了颜色的对比。

       构成纸张的这些小颗粒不仅能够强烈地反射可见光，而且会使得反射光向着四面八方传播开去，这也就是通常所说的漫反射。由于漫反射的存在，纸张上显示的内容非常柔和，即便正午的阳光直射过来，我们也不会感到书本非常刺眼，而且从不同的角度都能看得很清楚。相反，液晶显示器由于是依靠自身光源发出的光线来显示内容，当外部照明光线比较强时，液晶显示器的背光很容易淹没在强烈的反射光之中，使得阅读者很难看清显示器上的内容。另外由于液晶材料特性的限制，液晶显示器的视角一般比较有限，使用者需要正坐在屏幕前方才能看清显示的内容，不过近些年的液晶显示器在这方面已经有了较大的改善。

       因此要想让电子产品的阅读体验与纸质的书本相似，我们需要这样的一种电子产品：它需要和纸一样，完全依靠外界的光源而不是自身的发光来显示文字或者图形；而又必须像其他的电子产品那样，能够在电信号的作用下改变显示的内容。这样的显示技术就是我们通常所说的“电子纸”。那么如何让这两项看似矛盾的要求得到满足呢？在纸张中起关键作用的是黑白两种颜色的小颗粒，如果能够让它们在电场的作用下自由地移动，就能实现电子纸必须要满足的两个条件。也就是既能通过反射光来显示文字或者图形，又可以任意更改显示的内容。

       也许你觉得这样的想法完全是异想天开，但聪明的科学家们成功地将它变成了现实，这就是目前最为成熟也是应用最广泛的一种电子纸技术——电泳显示。

       参考文献和注释：

       [1] 这里描述的是液晶显示器常用的一种技术——扭曲向列型液晶显示器的基本工作原理。扭曲向列型液晶显示器也可以在没有施加电压时完全阻挡背光的通过，而在施加电压时允许背光通过，只需要将放置在液晶材料前后的两块偏振片的光轴由互相垂直变成互相平行。近些年新出现的一些液晶显示技术也是在没有电压时允许背光通过，而在施加电压时允许背光通过。

       [2] http://www.personal.kent.edu/~mgu/LCD/tn.htm