“漫谈电子纸”系列（二）
如果将一勺植物油注入水中并用力搅拌，油会被打散成很小的油滴。但油分子不亲水，无法真正溶解在水中，因此一旦停止搅拌，小油滴又会互相聚集、融合，变成更大的油滴。在浮力的作用下，这些油滴最终变成漂浮在水面上的油层。但如果你研过墨，就会发现墨的小颗粒虽然也不能被水溶解，却能长时间悬浮在水中。这是因为墨和水研磨过程中形成了一种特殊的物质形态，那就是胶体。
图1 如果一种物质不能被另一种物质溶解，通常两种物质会彻底分离（左），但某些情况下其中一种物质会以小微粒的形式稳定存在，即形成了胶体（右）
那么胶体中的微粒为什么能稳定存在而不是像油滴那样互相聚集呢？如果把一对电极插入胶体中接通电流，我们会发现，微粒很快向着其中一边的电极移动，这说明微粒的表面带有电荷。这些电荷的产生有时是因为溶液中的离子被吸附到微粒表面，还有些时候是因为微粒中的物质发生了电离。同种电荷之间的斥力使得胶体中的微粒像一只只刺猬，相互之间难以聚集或者融合，因此它们就能够稳定地存在。
图2 电泳现象：在电场作用下，原本均匀分散的胶体中的微粒会向着其中一端的电极移动[1] 。
胶体中的微粒在电场作用下发生移动的现象被称为电泳。受到电泳现象的启发，一些研究人员提出，我们或许可以利用它来开发电子纸。我们先将两块导体的薄板保持一定的距离平行放置，上面的那块薄板要作为屏幕，因此必须透明。这可以通过在玻璃或者塑料的表面镀上既导电又透明的氧化铟锡来实现。接下来，我们把直径只有几微米甚至更小的二氧化钛和炭黑两种微粒分散到透明且绝缘的液体中形成胶体，再把胶体填充到两块导体之间的空间并封装好。为什么要选择这两种微粒呢？炭黑微粒能够把照射来的光线大部分都吸收掉，因此常常被用作黑色颜料。二氧化钛则刚好相反，对于照射过来的日光不仅几乎没有吸收，而且让它向着四面八方传播开去，即通常所说的散射。散射的光线进入我们的眼睛后，我们就感受到了白色，因此它常被用作白色颜料。
胶体中的微粒不仅通常表面都带电，而且不同材料组成的微粒带电的情况也会不同。通过二氧化钛微粒的表面通常带负电，而炭黑颗粒则可以带正电。如果我们让屏幕与电源正极相连，底板与负极相连。接通电路后，由于屏幕带正电，二氧化钛的微粒会在电场的作用下向上运动，直到与屏幕的下表面接触；而炭黑的颗粒则朝相反方向运动，全部跑到了底部。这时进入屏幕的光线完全被二氧化钛微粒散射而不会接触到炭黑微粒，因此整个装置看上去像纸一样白。如果屏幕与负极相连，炭黑颗粒就会被吸引到顶部，而二氧化钛则跑到装置的底部，于是我们就看到黑色。如果我们让屏幕的一些区域带正电而另外一些区域带负电，那么这些区域就会对应出现黑白两种不同的颜色。这样通过颜色的反差，屏幕上就会像纸一样显示出特定的文字或者图形；而通过改变屏幕上电极正负的分布，显示的内容就可以发生变化[2]。这样一来，我们的装置就符合了电子纸要满足的两项要求：既能够像纸一样完全依靠外在光源来显示内容，又可以很方便地改变显示的内容。这种显示方式因为利用了电泳现象，因此被称为电泳显示。与液晶显示相比，由于不需要自身光源发光，使用电泳显示的显示设备的耗电量大大降低，而且体积和重量也有所减轻。
图3 电泳显示的基本原理：黑白颜色的微粒分别带正负两种电荷，在电场作用下分别向相反方向移动。
电泳显示不仅避免了由于维持光源发光消耗的大量电能，还有另一项节能的“绝活”。如果在某个时刻屏幕与电源正极相连，整个装置呈现白色；如果这时候电源被切断，我们会发现白色仍然可以长时间地维持下去。这是因为带负电的二氧化钛被吸附到屏幕的下表面后，即便屏幕所带的电荷消失，它与二氧化钛的微粒之间仍然存在一定的相互吸引，从而保持微粒的位置长时间不变。接下来我们再次接通电源，但是这一次让屏幕改与电源负极相连，这时屏幕下表面和二氧化钛微粒同样带上负电，二者之间由吸引变为排斥，而带正电的底板则对二氧化钛微粒产生强烈的吸引，于是二氧化钛就到了装置底部，炭黑微粒则被吸附到屏幕下表面。再次切断电源后，屏幕与炭黑颗粒之间也存在一定的吸附作用，于是整个装置又可以保持黑色，直到电源下一次接通。这意味着如果我们用这样的装置来读书，那么只需要在翻页时接通不同电源改变两种颗粒的分布即可，这也大大节省了电能的消耗。相反，液晶显示器就不具备这种独特的本领，即使液晶屏上显示的内容保持不变，电源也必须一直接通使液晶材料保持特定的透光状态。
电泳显示这种电子纸技术早在上世纪70年代就已经成功被开发出来[3]，但是相当长时间内并没能走出实验室，这是为什么呢？刚才我们提到，要想让采用电泳显示的电子纸显示出特定的内容，我们必须把屏幕划分成许多小的区域，让这些区域分别带上正电或者负电，从而实现特定的分辨率。当某个区域的电场方向变化时，理想情况下，二氧化钛和炭黑的微粒只能在这个区域内垂直于屏幕运动。然而实际上，由于相邻区域的干扰，这些微粒也会在沿着平行于屏幕的方向移动，这就会导致显示器的分辨率下降。更为糟糕的是，胶体中的微粒由于表面带电而能够稳定存在，时间一长，它们还是有可能互相聚集在一起，这更是会导致显示质量大幅下降[3]。如果一本电子书阅读器使用了不久，书中的文字就不能正常显示，这样的产品自然无人问津。
到了上世纪90年代后期，一些研究人员巧妙地克服了这一棘手的难题。他们的解决方案很简单：把黑白两种颜料的微粒连同分散它们所需的透明液体一起封装到直径只有几十到几百微米的微型胶囊中[4, 5]。这样，颜料的微粒只能在自己所在的胶囊内运动，即便某个胶囊内的颜料微粒发生聚集，相邻的胶囊也不会受影响，整个显示装置的分辨率不会下降。实验表明，使用这种改进过的电泳显示，屏幕上的内容可以变换1,000万次而不会带来明显的图像质量下降。这个关键性难题的解决，为电泳显示技术的大范围应用扫清了障碍。不久，基于这一电子纸技术的电子书阅读器开始出现在市场上，其中比较著名的有亚马逊公司的Kindle和老牌图书销售商巴诺书店的Nook。短短几年时间，电子书阅读器这一新生事物就在竞争激烈的电子产品市场占有了一席之地，电泳显示技术功不可没。
图4 经过改进的电泳显示：用微胶囊将相邻的颜料微粒隔开，从而避免了颜料微粒发生聚集（注意此图中白色颜料微粒表面带正电，黑色颜料微粒表面带负电）[6]
时至今日，电泳显示这一电子纸技术已经发展得相当成熟，但它仍然有许多难以克服的问题。第一道难以逾越的障碍就是全彩色显示。因为电荷只有正负两种，如果只显示黑白两种颜色，那么我们只需要让黑白颜料的微粒分别带上正负电荷即可；但如果要实现更多的色彩，我们就要添加更多种类的颜料微粒，通过电场来控制它们的移动就变得比较困难。关于如何在电子纸中实现全彩色显示，我们将在后面详细探讨。
电泳显示的另一个缺陷在于它的反应时间，即屏幕上某个像素变换显示内容需要的时间，大大长于液晶显示。这是因为颜料的微粒在电场作用下运动时会受到来自液体的阻力。即便我们可以将上下两块导体之间的距离做得非常短，从而减少颜料微粒运动需要的时间，目前市面上采用电泳显示技术的电子纸的反应时间仍然在100毫秒左右[7]；而目前液晶显示器的反应时间通常只有不到10毫秒。不要小看这一点差别，它意味着采用电泳显示的显示设备不仅无法流畅地播放视频，而且很难像液晶屏那样流畅地放大缩小显示内容。因此，目前电泳显示主要还是局限于电子书阅读器等以静态显示为主的应用。
正是由于电泳显示存在的这些缺点，科学家们一直没有停下研发的脚步。他们不仅在继续改进现有的技术，也在尝试开发新的电子纸技术。俗话说，条条大路通罗马，电子纸的实现也不是只有电泳显示一条路可以走。接下来我们就将看到其他的电子纸技术，以及它们背后有趣的科学原理。
参考文献和注释
[1] http://mychemistryworks.blogspot.com/2013/12/properties-of-colloids.html
[2] 也可以不使用两种颜色的微粒，而是白色颜料微粒分散在溶解有黑色染料的液体中。颜料的微粒也可以不在垂直于屏幕的方向上运动而是平行于屏幕运动。
[3]Andrew L. Dalisa, “Electrophoretic Display Technology”, IEEE Transactions on Electron Devices, 1977, 24, 827
[4] Joseph Jacobson, Barrett Comiskey, Jonathan Albert, “Microencapsulated Electrophoretic Display”, US Patent 5,961,804
[5] Barrett Comiskey, J. D. Albert, Hidekazu Yoshizawa, Joseph Jacobson, “An Electrophoretic Ink for All-Printed Reflective Eelectronic Displays”, Nature, 1998, 394, 253
[6]
http://www.pervasivedisplays.com/technology/home[7] Jason Heikenfeld, Paul Drzaic, Jong-Souk Yeo, Tim Koch, “Review Paper: A Critical Review of the Present and Future Prospects for Electronic Paper”, Journal of the Society for Information Display, 2011, 19, 129
