解析電子墨水屏技術（工作原理與LCD的區別）

閱讀電子書早已成為大家生活中一部分，方便輕巧的電子版書籍更便于攜帶，而電子閱讀器也不僅僅局限于電腦、手機等傳統設備，新興的電子書閱讀器漸漸為我們所接受。E-ink電子墨水技術就是現在最著名的產品之一，他的出現讓電子書閱讀器不再是液晶屏幕一家獨大。

提起E-ink電子墨水屏，大家第一時間反應就是“哦，就是那個只能顯示黑白灰的屏幕是吧，亞馬遜kindle電子書就是用這個的”。

電子墨水屏憑借接近紙質書的閱讀體驗，以 Kindle 為代表的電子書成為不少閱讀愛好者出門必帶的數碼設備，以省電、護眼為噱頭的各種電子墨水屏設備也開始出現。發展了這么多年，電子墨水屏仿佛還是誕生初的樣子，從普通消費者的角度看，它沒有成為主流，但也從未離去。

E-link技術的起源

電子墨水屏技術最早可以追溯到 1996 年，它基于美國麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab）的一項研究，利用電泳技術（EPD）實現顯示，這類屏幕的顯示效果十分接近傳統紙張，因此也被成為“電子紙”。1997 年，麻省理工學院的教授 Joseph Jacobson 創立 E Ink 公司，開始推動電子紙技術走向商業化，電子墨水技術成為電子紙的主流。

電子墨水與印刷使用的墨水很相似，都是用顏料所制，這也是為什么我們看到電子墨水屏和傳統紙張顯示效果相似的原因。電子墨水通常會制成薄膜，由大量微囊組成，這些微囊只有人類頭發的直徑大小。微囊中的黑白小球是帶不同電荷的色素顆粒，初始狀態下，色素顆粒懸浮在微囊中，當施加一定方向的電場后，相應的色素顆粒被推到頂部，微囊就會顯示不同的顏色，而不同顏色的微囊組成了各種文字和圖案。

電子墨水屏基本結構如下圖所示：

⒈上層；⒉透明電極層；⒊透明微膠囊；⒋帶正電荷的白色顏料；⒌帶負電荷的黑色顏料；⒍透明液體（油）；⒎電極像素層；⒏基板；⒐光線；⒑白色；⒒黑色

電子墨水屏是由許多電子墨水組成，電子墨水可以看成一個個膠囊的樣子（如上圖所示）。每一個膠囊（位置6）里面有液體電荷，其中正電荷染白色，負電荷染黑色。當在一側（位置8）給予正負電壓，帶有電荷的液體就會被分別吸引和排斥。這樣，每一個像素點就可以顯示白色或者黑色了（注：彩色電子墨水的電子書并不是不能做，只是成本和技術還沒符合市場要求）。

因為電子墨水的刷新是不連續的，每一次刷新完成就可以保持現在的圖形，即使拔掉電池也依舊保存。可能會有人問到，拔了電池吸引電子墨水的電壓就木有了，那么小球不就回復原狀或者進入隨機的混沌狀態了嗎？答案是因為電子墨水具有雙穩態效應（磁滯效應）。

上圖中，橫軸是電子書提供的電壓大小，縱軸灰度（假定正為最白，負為最黑）。電壓加大的過程和減小的過程，給予同樣的電壓，電子墨水黑白程度是不同的。這樣的效應就叫做雙穩態效應（磁滯效應）。利用這樣的效應，我們就可以給一個正電壓（從0到B點過程，走下面上升的路線），吸引負電荷，顯示正電荷白色給讀者，然后斷電（從B減少到0，走上面那條回來的路線）。白色得以保持。于是，電子墨水的電子書省電就在于如果不需要顯示有所變化，屏幕部分消耗電量為0。

注1：不變化屏幕電子書自己沒電是由于電路板的待機消耗以及電池自己的內阻消耗；

注2：其他常見顯示器無論屏幕內容是否變化，屏幕部分的耗電量都是持續的，變化不大。

為什么每一次變化（如：翻頁），或者每隔一段時間就需要有一個全部清場的動作呢？我們剛假設電壓從0加大然后再減少到0，但是電子墨水的灰度從位置A變到了位置C。那么如果下一次變化，如果我減少電壓，也就是順著上面那條返回路徑繼續行走，就沒有問題。但是如果下一次刷新，我還需要這個像素顯示白色，那么這個在C點情況的墨水所遵循的路線就不是這個圖形了。電路所驅動的電壓對應的灰度將會不準確。導致的結果就是黑色的墨水黑色程度不相同，白色的墨水有的沒有完全白下去。就會出現我們所說的鬼影，或者殘影。于是，為了避免殘影的出現，就全部加到最大或者最小電壓，把所有的墨水清零，從初始狀態從新開始調整，這樣所有的墨水小球就可以保持只有兩種顏色的均勻顯示了。

電子墨水屏的工作原理

“電子墨水的主要由大量細小微膠囊 ﹙microcapsules﹚組成，這些微膠囊約為人類頭發直徑大小。每個微膠囊中包含懸浮于澄清液體之中的帶正電荷的白粒子和帶負電荷的黑粒子。設置電場為正時，白粒子向微膠囊頂部移動，因而呈現白色。同時，黑粒子被拉到微膠囊底部，從而隱藏。如施加相反的電場，黑粒子在膠囊頂部出現，因而呈現黑色。”

對肉眼看來電子墨水像一瓶普通墨水，但懸浮在電子墨水液體中有幾百萬個細小的微膠囊。每個膠囊內部是染料和顏料芯片的混合物，這些細小的芯片可以受電荷作用。為了能看見電子墨水的微膠囊，可以把它想象成清晰的塑料水球。水球內包含幾十個乒乓球，水球內充入的不是空氣而是顏料水。如果從頂部看水球，我們可以看到許多白色乒乓球懸浮在液體中，于是水球看起來呈白色。從底部看水球，你只不過看到的是顏料水，于是水球看起來呈黑色。如果你把幾千個水球放到一個容器，并使這些乒乓球在水球的頂和底之間運動，你就能看到容器在改變顏色。這就是電子墨水工作的基本原理。事實上這些水球是100 微米寬的微膠囊。在1平方英寸，大約包含10萬個微膠囊。如果在一頁紙上打印電子墨水，則一個句子包含30多個微膠囊。

電子墨水是融合化學，物理和電子學的整體產生的一種新材料。制造微膠囊本身僅涉及較簡單的化學，可以比作做沙拉菜！微膠囊制成后被稱為是一種膠質材料。這材料是細小的固態顆粒，承擔液態的物理性質。于是微膠囊象傳統墨水懸浮在液態“載媒體”，然而它將粘著到普通墨水可以用的任何表面。并且可以用現有的絲網印刷工藝打印。打印的微電子學技術改變了墨水顆粒的顏色并產生了字和圖。

電子墨水屏的特點

1、電子墨水屏有兩個優點：省電、護眼。

電子墨水屏可以在沒有電源的情況下持續顯示畫面，只有畫面變化時才需要消耗少量電源，比如 Kindle 在關機狀態下也可以顯示屏保，只有在翻頁時，屏幕才會刷新。這種特性極大地將降低了電源消耗，也是電子書續航長的原因。

傳統的 LCD 屏顯示原理是利用背光發射，光線需要一直穿過顯示屏，直射眼睛。而電子墨水屏無需背光，它是利用環境光打在顯示屏上，再折射到眼睛。這種方式模擬了墨水和紙張的特性，環境光越強，顯示效果越清晰。由于沒有了閃爍，在長時間閱讀時眼睛不容易感到疲勞。

電子墨水屏省電、護眼的特點讓其成為電子書閱讀器的首選，索尼和亞馬遜相繼推出配備電子墨水屏的閱讀器。現在距離第一代 Kindle 發布已經過去了 10 年，電子墨水屏也已經有 20 年歷史，從誕生起不少人就對其抱有厚望，認為電子書會革了紙質書的命，但直到今天，電子書從未成為市場主流，電子墨水屏似乎也很少出現明顯的變化，技術好像一直沒有更大的進步。

2、刷新率低，不適用于主流設備

電子墨水屏沒有獲得更多的市場份額，主要是受本身特性限制，其中最大的局限之一就是刷新率低。

相比主流的 LCD 顯示屏，電子墨水屏無需不斷刷新就可以顯示內容，這降低了耗電，也減少了輻射，讓閱讀體驗更接近紙張，不容易造成眼睛疲勞。但這樣的特性也讓電子墨水屏無法被主流電子設備采用。

不管是手機還是電腦，屏幕需要顯示的內容都很豐富，同時還要進行彈出菜單、窗口滾動等操作，電子墨水屏極底的刷新率顯然無法滿足這樣的要求。和 LCD 顯示屏相比，電子墨水屏更適用于內容簡單、變化較少的文字顯示。

從誕生起就有的省電、護眼特性，讓電子墨水屏成為電子書閱讀器的標配，但也引來應用性單一的質疑。

E-link墨水屏與LCD液晶屏的主要區別

原理不同

EInk是基于電泳技術的顯示技術。帶黑白兩種顏色的帶點粒子在液態膠囊中在電場的作用下，上下浮動而形成畫面的過程。在形成畫面后，顏色粒子就停止運動，即使斷電畫面也不會消失。因此，在翻到某一頁時，屏幕是不會閃爍。

LCD液晶屏的工作原理簡單描述就是通過電壓將每個固定好的獨立像素中的液晶分子進行方位調整，達到顯示不同顏色與畫面的效果。由于液晶分子的是依靠電壓維持狀態，因此需要持續供電來維持顯示。因此，TFT始終處于閃爍狀態下，只是頻率高肉眼分辨不出來而已。

顯示機制不同

EInk是全反射式，也就是隨著環境光的變化顯示效果會不同。外界光源越好，顯示效果越好。因此在晴朗的戶外看EInk電子書與看紙質書的體驗幾乎一樣。

由于Eink依賴環境光，當夜晚時環境光效果不佳，因此目前行業中通過增加導光板來解決夜晚閱讀體驗的問題。

LCD液晶屏有背光，所以基本上受外接影響不大，除非極端情況(夏天戶外太陽光下)。因此在會有在戶外，手機屏幕亮度需要調亮來抵御環境光對屏幕顯示的遮蓋效果。

殘影問題

由于EInk原理中，黑白粒子的固定狀態特性，在閱讀翻頁時容易看到上頁黑色粒子殘留的印記，行業中俗稱“殘影”，因此屏幕商提供了一種恢復初始狀態的刷新方式，也就是大家常見到的“閃屏”問題。類似閱讀紙質書籍中的翻書的過程。

由于LCD液晶屏本身一致在刷新，因此不會有類似過程。

節能功耗

由于EInk的特性，在閱讀過程中不需要耗電，只在翻頁一瞬間消耗極少電量，因此電子書產品一般的使用周期都在2周甚至一個月左右。

由于LCD液晶屏始終需要電壓來維持畫面，基本上屏幕占了主要的電量消耗。目前基本上智能手機的使用是一天一充或一天多充。

結論

因此，無論從原理還是實際使用感受上，EInk在閱讀文字與非彩色漫畫類內容時，有著無可比擬的閱讀優勢：

1、高度接近紙張的閱讀體驗。

2、不傷眼睛，適合長時間閱讀。

3、電池使用壽命長，接近一個月。

但也有一些自身劣勢：

1、目前主要只有黑白產品，彩色只有三色（黑白紅）。

2受限于其原理性的問題，無法像TFT屏幕能快速響應一些動畫類需求。

3、刷新過程中會閃屏。

E-link技術應用

從誕生起就有的省電、護眼特性，讓電子墨水屏成為電子書閱讀器的標配，但也引來應用性單一的質疑，除了 Kindle，電子墨水屏好像并沒有其他更合適的應用。

E Ink 官方在微博中不斷強調“不止 Kindle”，似乎也證明了這種焦慮。這些年來，電子墨水屏也開始在其他設備中出現，比如手機。

在 2014 年 APEC 峰會期間，俄羅斯總統普京將一臺 YotaPhone 2 作為國禮，這臺手機也因此受到很多的關注。YotaPhone 最大的特點就是其背部搭載的電子墨水屏，獨特的雙面屏設計和「國禮」光環讓它成為當年最“亮眼”的手機之一。近期，?Yota 順勢推出第三代手機 YOTA3，它配備了一塊 E Ink 電子墨水屏，可以在閱讀文字時起到省電、護眼的效果，這塊屏幕還能獨立運行一些 App。

屏幕是手機的耗電大戶，Kindle 與紙質書相近的閱讀體驗也早就讓很多用戶眼饞，YotaPhone 的出現讓不少人看到新的商機，開始嘗試將電子墨水屏與手機結合。趁著 YotaPhone 的熱度，華為 P8 在發布時同步推出一款電子墨水屏手機殼。國外也出現了專做電子墨水屏手機殼配件的 InkCase。

不過電子墨水屏與手機的結合更像是在豐富市場話題，遠遠談不上技術創新。電子墨水屏只是作為補充，手機屏幕還是以實用性為主。

相比之下，電子墨水屏在手表上的嘗試更像是一場革新。手表的顯示屏小，成本可控，同時屏幕需要展示的內容少，符合電子墨水屏的定位。在這一領域最亮眼的是 FES Watch。索尼在的 20 周年慶典上宣布，整體用柔性 E-ink 屏制成的 FES Watch 將在中國限量發售。它的表盤和表帶都由一整塊柔性 E Ink 屏幕制成，沒有斷點又非常有設計感。由于只能顯示黑白兩色，它只有顯示時間一個功能。由于 E Ink 屏幕的特殊性，FES Watch 的待機時間理論上可以達到 2 年。

這些應用雖然跳出了電子書閱讀器的限制，但仍然是對電子墨水屏原有特性的應用。實際上，電子墨水屏也一直在嘗試新的技術，以突破本身的局限。

E-link技術的未來：取代紙、取代印刷

在剛過去的 2017 年智慧顯示與觸控展覽會上，E Ink 展出了彩色電子紙 ACeP。傳統的電子墨水屏只能顯示黑白兩色，而彩色電子紙則是將傳統的電泳式微囊技術延伸。黑白顆粒通過電場變化，呈現出灰階與黑白畫面，在此基礎上覆蓋彩色濾光片，將黑白粒子轉換成 RGB 彩色粒子，就可以呈現彩色畫面。E Ink 的彩色電子紙顯示屏除了提供 16 灰階的黑白顯示效果外，還提供 4096 種色彩。

除了突破顏色限制的彩色電子紙，E Ink 還展示了 84 英寸拼接電子紙展示板、可折疊電子紙、具備手寫功能的電子紙筆記本等技術應用。

不管是彩色電子紙還是可折疊電子紙，E Ink 所做的嘗試都是在努力跳出傳統電子墨水屏的局限，但從一些實際應用中我們也可以看到，電子墨水屏的使命并不是取代普通顯示屏，主流電子設備不是它的主戰場。關于電子墨水屏未來的應用，應該是在那些需要改變傳統顯示方式的地方，比如三色電子紙顯示屏替代零售商店的商品標簽，可以動態改變顯示內容，幫助零售商及時改進營銷策略。這些以前用傳統紙張顯示，現在需要靈活顯示更多內容的領域，才是電子墨水屏未來的發展方向。