[科普中國]-墨水屏

電子墨水是一種革新信息顯示的新方法和技術(shù)。像多數(shù)傳統(tǒng)墨水一樣，電子墨水和改變它顏色的線路是可以打印到許多表面的，從彎曲塑料、聚脂膜、紙到布。和傳統(tǒng)紙差異是電子墨水在通電時(shí)改變顏色，并且可以像傳統(tǒng)屏幕那樣顯示變化的圖像。

一種用于電子墨水屏的顯示方法及其裝置發(fā)明提供一種用于電子墨水屏的顯示方法及其裝置，顯示方法包括：將圖片轉(zhuǎn)換成灰度圖像數(shù)據(jù)的步驟；根據(jù)灰度圖像數(shù)據(jù)計(jì)算得出波形數(shù)據(jù)的步驟；將波形數(shù)據(jù)按照時(shí)序在電子墨水屏進(jìn)行顯示的步驟，根據(jù)灰度圖像數(shù)據(jù)計(jì)算得出波形數(shù)據(jù)的步驟包括：將當(dāng)前幀灰度圖像...1

簡介電子墨水是一種革新信息被顯示的新方法和技術(shù)。像多數(shù)傳統(tǒng)墨水一樣，電子墨水和改變它顏色的線路是可以打印到許多表面，從彎曲塑料、聚脂膜、紙到布。和傳統(tǒng)紙差異是電子墨水在通電時(shí)改變顏色，并且可以顯示變化的圖象，像計(jì)算器或手機(jī)即那樣的顯示。

在一個(gè)充斥著由液晶、發(fā)光二極管和氣體等離子制造的監(jiān)視器和電子顯示屏的世界中，您也許不認(rèn)為紙是一項(xiàng)革命性的顯示技術(shù)，但中國人在公元105年改進(jìn)造紙術(shù)永久地改變了世界的溝通方式。如果沒有紙張，書籍可能仍在只有富人才買得起的絲綢卷軸上打印，使得讀寫成為一種稀有的技能。 看看您的周圍：一天中不與某種類型的紙接觸幾乎是不可能的。據(jù)英國國家造紙商會(huì)估計(jì)，今年全世界將消耗2.8億噸紙，這相當(dāng)于56萬億張信紙大小的9公斤證券紙。1

科學(xué)原理電子墨水屏又被稱為電子紙顯示技術(shù)。

電子紙顯示技術(shù)（簡稱EPD），由美國麻省理工大學(xué)教授約瑟夫.雅各布森（Joseph.Jacobsen）及其研發(fā)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)歷30余年研發(fā)成功。

這種紙的結(jié)構(gòu)，是由兩片基板組成，上面涂有一種由無數(shù)微小透明顆粒組成的電子墨水，顆粒由帶正、負(fù)電的許多黑色和白色粒子密封于內(nèi)部液態(tài)微膠囊內(nèi)形成，不同顏色的帶電粒子會(huì)因施加電場的不同，而朝不同的方向運(yùn)動(dòng)，在顯示屏表面呈現(xiàn)出黑或白的效果。這樣，在“電子紙”的表面就可以顯示出如同印物的黑白圖案和文字，看起來與紙張極為類似，在陽光下沒有傳統(tǒng)液晶顯示的反光現(xiàn)象。同時(shí)只有畫素顏色變化時(shí)（例如從黑轉(zhuǎn)到白）才耗電，關(guān)電源后顯示屏上畫面仍可保留，因此非常省電。電子紙配合儲存芯片能夠裝下整個(gè)圖書館。

電子墨水（Electronic Ink)其實(shí)是一種新型材料，它是化學(xué)、物理學(xué)和電子學(xué)多學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物，這種材料可被印刷到任何材料的表面來顯示文字或圖像信息。

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由于電子墨水是一種液態(tài)材料，所以被形象地稱為電子墨“水”。在這種液態(tài)材料中懸浮著成百上千個(gè)與人類發(fā)絲直徑差不多大小的微囊體，每個(gè)微囊體由正電荷粒子和負(fù)電荷粒子組成。只要采取一定的工藝就能將這種電子墨水印刷到玻璃、纖維甚至是紙介質(zhì)的表面上，當(dāng)然這些承載電子墨水的載體也需要經(jīng)過特殊的處理，在其內(nèi)針對每個(gè)像素構(gòu)造一個(gè)簡單的像素控制電路，這樣才能使電子墨水顯示我們需要的圖像和文字。 當(dāng)微囊體兩端被施加一個(gè)負(fù)電場的時(shí)候，帶有正電荷的白色粒子在電場的作用下移動(dòng)到電場負(fù)極，與此同時(shí)，帶有負(fù)電荷的粒子移動(dòng)到微囊體的底部“隱藏”起來，這時(shí)表面會(huì)顯示白色。當(dāng)相鄰的微囊體兩側(cè)被施加一個(gè)正電場時(shí)，黑色粒子會(huì)在電場的作用下移動(dòng)到微囊體的頂部，這時(shí)表面就顯現(xiàn)為黑色。電子墨水技術(shù)可以讓任何表面都成為顯示屏，它讓我們完全跳出了原有顯示設(shè)備的概念束縛，并慢慢滲透到我們生活空間的每一個(gè)角落。 但如果電子墨水僅具有可顯示這一特性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，對于一款希望取代紙介質(zhì)的電子顯示設(shè)備而言，它必須具有可讀性及便攜性。 那什么是電子墨水屏呢，這要從電子墨水原理簡介開始說：

近2000年來，墨水和紙是顯示文字和圖像的獨(dú)一方式，并且在便攜性和價(jià)格方面，它仍然優(yōu)于計(jì)算機(jī)顯示器，紙張還不需要外部電源。但紙張的確有一些局限性：在紙上打印完文字后，您無法在更改這些文字的同時(shí)不留下一些標(biāo)記，并且攜帶大量書籍也很麻煩?？茖W(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種稱為電子墨水的革命性技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)取代紙。正在同時(shí)開發(fā)類似的電子墨水——馬薩諸塞州劍橋市(Cambridge， MA)的E Ink及加利福尼亞州帕洛阿爾托(Palo Alto， CA)的施樂。乍一看，一瓶電子墨水與普通墨水無異，但仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)某些地方其實(shí)顯著不同。產(chǎn)品略有不同，下面三種成份則是這兩種電子墨水的都有的，它們讓電子墨水可以在收到命令后重新排列：

1、數(shù)以百萬計(jì)的微膠囊或微孔；

2、填充微膠囊或微孔的墨水或油性物質(zhì)；

3、膠囊內(nèi)漂浮著的帶負(fù)電荷的有色顆?；蛴猩颉?/p>

在使用普通墨水可以打印的材料上都可以應(yīng)用電子墨水。對于電子書，書頁將由某種超薄塑料制成。墨水可以覆蓋整個(gè)書頁，并由類似于方格紙上的方格的單元格分隔?？梢詫⑦@些單元格看作計(jì)算機(jī)屏幕上的像素，每個(gè)單元格與嵌入該塑料板內(nèi)的微電子元件連接。然后，可以使用這些微電子元件向微膠囊施加正電荷或負(fù)電荷，從而形成所需的文字或圖像。

施樂與E Ink使用不同的技術(shù)開發(fā)各自的電子墨水。為了幫助人們理解E Ink技術(shù)的工作原理，E Ink公司將墨水中數(shù)以百萬計(jì)的微膠囊比作透明的沙灘球。每個(gè)沙灘球中都填充有數(shù)百個(gè)微小的白色乒乓球。這種沙灘球內(nèi)填充的是藍(lán)色染料而非空氣。如果看一下這種沙灘球的頂部，您將看到漂浮在液體中的乒乓球，沙灘球看上去為白色。但是如果看一下沙灘球的底部，您會(huì)發(fā)現(xiàn)它的底部看上去為藍(lán)色。如果您帶著數(shù)千個(gè)這種沙灘球并將它們擺放在一個(gè)場地上，通過讓乒乓球在沙灘球的頂部和底部之間移動(dòng)，您可以使這個(gè)場地改變顏色。這就是E Ink產(chǎn)品的原理。實(shí)際上，這些微膠囊只有100微米寬，并且大約10萬個(gè)微膠囊才能放滿6.45平方厘米的紙。這些微膠囊中的每一個(gè)都包含數(shù)百個(gè)比較小的有色顆粒。

E Ink在原型產(chǎn)品中使用白色顆粒和藍(lán)色墨水，但將繼續(xù)開發(fā)可能帶來多顏色顯示的其他彩色墨水。向微膠囊施加一個(gè)電荷時(shí)，顆粒將升高至微膠囊頂部或吸至底部。顆粒被推至頂部時(shí)可使膠囊呈現(xiàn)白色；當(dāng)它們被吸至底部時(shí)，觀看者只能看到黑色墨水。這樣就可以構(gòu)成黑白圖案，從而形成字詞和句子。 施樂一直在開發(fā)自己的電子墨水，這種被稱為電子紙的技術(shù)在20世紀(jì)70年代首次開發(fā)出來。但沒有采用漂浮在黑色液體中的有色顆粒，而是生產(chǎn)出一側(cè)為黑色、另一側(cè)為白色的微型球。與E Ink的技術(shù)相似，這些微型球也對電荷做出響應(yīng)，電荷轉(zhuǎn)動(dòng)微型球使其從黑色變?yōu)榘咨?，從而在頁面上產(chǎn)生圖案。為了生產(chǎn)電子書的書頁，施樂在開發(fā)一種橡膠板，在這些橡膠板中微型球懸浮在油性液體內(nèi)。用電子墨水開發(fā)電子書的障礙之一是為書頁接線創(chuàng)建電荷的同時(shí)仍要使它像紙一樣薄。在這一方面，E Ink在開發(fā)電子書的過程中走在前列，它與朗訊科技簽署的協(xié)議使其有權(quán)使用朗訊開發(fā)的塑料晶體管。這些微型晶體管可以印刷在書頁上，提供使E Ink的顆粒轉(zhuǎn)變顏色所需的足夠電荷。在電子墨水技術(shù)中，電子書堪稱難以實(shí)現(xiàn)，電子書可以自行排版并且讀者可以在電子書中翻頁，就好像它是用普通紙制作的一樣?？梢詫﹄娮訒幊淌蛊滹@示歐內(nèi)斯特·海明威(Ernest Hemingway)的《老人與海》中的文字，并且在讀完該故事后，您可以通過無線下載計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中最新的《哈利·波特》來替換它。1

一種基于NFC的電子墨水屏貨物標(biāo)簽顯示牌針對超市商品貨物標(biāo)簽更新頻繁、造成工作量大的現(xiàn)象，結(jié)合NFC芯片研制出了一種基于STM32芯片電子墨水屏顯示牌。介紹了該顯示牌的電源設(shè)計(jì)、NFC近場通信設(shè)計(jì)、中文字庫設(shè)計(jì)和STM32程序設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)了基于NFC近場通信電子墨水屏顯示牌的讀取、寫入、保存等功能。該顯示牌具有通用性強(qiáng)、使用范圍廣、節(jié)能環(huán)保、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。2

總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的電子墨水屏顯示牌的組成，主要包括電源模塊、電子墨水屏顯示器、中文字庫模塊、NFC近場通信模塊和STM32主控制器模塊5部分。

電源模塊配合STM32主控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電源，可在設(shè)備待機(jī)時(shí)斷開一切不必要電源，此盡可能降低設(shè)備功耗，并在有通信時(shí)快速恢復(fù)相關(guān)設(shè)備的電源供電使設(shè)備進(jìn)入正常工作狀態(tài)。使用電子墨水屏顯示器來展示用戶界面，由于電子墨水屏顯示器在斷電后顯示內(nèi)容仍然可以保持，所以可只在刷新屏幕時(shí)接通電源，并在屏幕刷新結(jié)束后斷開電源，從而使設(shè)備更加省電。中文字庫模塊用于解析漢字編碼，將GB2312對應(yīng)的編碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，使用專門的字庫芯片來完成此工作，一方面可大大減小NFC通信數(shù)據(jù)量，提高通信速度和質(zhì)量，另一方面還可降低STM32主控制器的處理復(fù)雜度，進(jìn)而提高處理效率。NFC近場通信模塊負(fù)責(zé)和外部NFC設(shè)備的近場交互和數(shù)據(jù)暫存，同時(shí)它還負(fù)責(zé)在主控制器休眠后的通信監(jiān)聽和喚醒系統(tǒng)。STM32主控制器則負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理和協(xié)調(diào)工作，其中包括NFC模塊讀寫、電源控制、屏幕刷新、字庫讀取等。

用途

電子墨水可以打印在包括墻壁、廣告牌、產(chǎn)品標(biāo)簽和T恤在內(nèi)的任何表面上。房主將很快可以通過向噴涂在墻壁上的電子墨水發(fā)送一個(gè)信號，立即改變其電子壁紙。利用這種墨水的靈活性，還可為一些電子設(shè)備開發(fā)出可卷起的顯示屏。電子墨水較之于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)顯示屏的另一個(gè)優(yōu)勢是它容易閱讀。電子墨水看起來更像印刷文字，它使眼睛更加輕松。然而，施樂和E Ink還必須提高其產(chǎn)品的分辨率，使它們可用在書籍或其他小字體出版物中。施樂已經(jīng)制造出具有200點(diǎn)/英寸(dpi)分辨率的顯示屏，相當(dāng)于普通LCD顯示屏分辨率的兩倍以上。朗訊的適于印刷的晶體管應(yīng)該可以讓E Ink提高其產(chǎn)品的分辨率，使之與印刷書籍的分辨率近似。 電子墨水的開發(fā)人員不期望人們在電子墨水產(chǎn)品甫一上市時(shí)就扔掉所有紙張或者放棄計(jì)算機(jī)顯示器，電子墨水將在初始階段與傳統(tǒng)紙張以及其他顯示技術(shù)共存。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

徐恒山 - 講師 - 西北農(nóng)林科技大學(xué)