Kindle、iPad、Droid，这些小巧的移动设备本质上都是显示设备，但是我们还并不仅希望它们只是一个屏幕
在2020年的一个阳光明媚的日子里，当你翻动着电子阅读器在浏览最新一期的电子版IEEE Spectrum，屏幕上的色彩和文字在阳光下清晰而明亮。此时，有一封电子邮件要回复，但你得赶上通勤车，随即将电子阅读器卷起并塞进自己的外衣口袋。
在通勤车上，你将这台设备切换为刚性模式，即屏幕缩小一半看似一个大键盘，在键盘上敲击并发出一封邮件，然后再看上一段视频。期间，电子阅读器始终边工作边通过内置的太阳能电池充电。
这就是我们梦想中未来的电子期刊，或定期邮件的模样：既有今日印刷出版物整洁有序、便于携带、全彩色的形式，又具有在线杂志的灵活、及时以及多媒体功能。目前它唯一的不足是缺少一个能让眼睛适应各种照明条件、显示全动态和全彩色图像屏幕的组件，而且这个屏幕还要能卷弯、经久耐用、耗电极少。
一样新技术的问世，比如像喷气发动机，似乎总要花费十年以上时间进行磨合。那么，这种理想中几乎无所不能的电子阅读器将会在10年内出现，你会相信吗？目前，差不多足足有不下半打的从实验室产生的各种新技术，正竞相用于开发新型电子阅读器屏幕。据平面显示器市场研究机构DisplaySearch估计，到2018年，这个市场将接近100亿美元，复合年增长率高达41%。
电泳技术日趋式微
在笔者眼中，目前市场上的Amazon Kindle和Sony Reader是两款符合理想准则的电子阅读器：它们在强光下也易于阅读，且耗电极少。这种被称为电子纸或e-纸的单色显示器（电泳技术），是马萨诸塞州坎布里奇E Ink Corp.公司所开发，并由麻省理工学院媒体实验室(MIT Media Lab)在1997年推出。这一技术无需耗用很多电力，因为颜料只是反射或不反射周围的光，并不需要电力来维持其最近的状态，电泳显示在切换图像时仅需花费200毫秒。如果显示屏上的图像每60秒变化一次，则连续显示1000小时实际只消耗3小时电力。
E Ink公司为开发这项技术花费了整整十多年时间，并且仍在继续为之完善。相对显示器的生产过程，现在却变得非常简单：制造商们只要将现成的含有填充颜料胶囊的薄膜叠压在下层承载驱动电路的屏幕上即可。第一代E Ink显示器采用硅晶体管和玻璃屏幕，今年推出的第二代将改用有机场致效应晶体管和塑料屏幕。选用第二代显示器的产品还包括Polymer Vision公司的Readius和Plastic Logic公司的Que；而Readius不仅其薄如纸，还具有极高的柔韧性，能反复折叠数万次之多。
不过，该技术现在已日趋式微。电泳技术对于全彩色图像的显示能力有限，因为它未能真正解决亮度问题。打个比方说，你要将一堵深褐色的墙恢复到原来的白色，你至少要涂刷三遍白粉才能覆盖掉褐色。电泳像素有着类似的问题，因为黑色粒子不能完全被白色粒子遮盖掉。因此，其白色反射率只有40％；而与此相反，一张普通纸的反射率却高达80%。
如果你打算通过增加更多的粒子来解决这个问题，那就会遇到切换速度的麻烦。电泳像素切换速度很慢，这是因为电泳墨水层相对较厚（约有40微米），其施加于像素上的电压必须穿过整个厚度。而在LCD(液晶显示器)中，液晶材料层仅几微米厚，这就是它们如此快速的原因之一。由于切换速度实在太慢，电泳技术无法用到视频上。
想要显示彩色吗?目前采用的技术是：在像素上增设一个红-绿-蓝色的滤波阵列。但问题是，每个基色的滤波器只能通过可见光光谱的三分之一，因而会降低这三种颜色的亮度。因此，对每种颜色像素的显示而言，仅能反射可见光的10~15%。首个彩色电泳显示器有望在2010年下半年面世，尽管它将采用非常弱的彩色滤波器，但接下来需要做的是在保持色彩饱和度的基础上提升亮度。
目前在市场上的电子阅读器
就便携式屏幕上明亮、全动态的彩色图像显示而言，LCD技术是占首位的。该技术是从1970年代早期发展而来的，迄今一直在不断改进。除效率外，LCD的其他任何特性都无可挑剔。正因如此，最近Time Inc.公司在标准LCD上展示其新潮的概念版电子杂志《Sports Illustrated》，包括Apple公司也推出了含这种成熟技术操纵杆的新款iPad。
不过，LCD也是个耗能大户。首先，LCD是通过光的偏振工作的，这意味着至少损失50%的可见光――这些光无法通过偏光器；在彩色滤波器这儿又将损失更多的光，最后又丢失了大约90%的背光。因此要达到显示清晰，就得多消耗电力以提升其背光，但这是获得明亮、逼真图像的唯一途径。其结果是：LCD以极低的能效将电力转换为可见光――效率仅达2%到3%。
更糟的是，无论是LCD还是更新颖的有机LED显示器，其可读性必须依赖经由电产生的光，阅读效果在户外会明显变差。显示器显然无法与直射的阳光竞争，通常阳光比标准的室内光照亮约1000倍。即使是微弱的阳光反射也远比LCD屏幕的光更亮。
不适宜于将LCD作为基本显示技术的最后一个理由是：对于许多人来说，长时间看LCD会损伤眼睛。我们知道，E-纸的显示通常不会引起眼睛疲劳，因为它会自动反射周围真实的亮度。因此今天的电子纸具有可读性和低能耗，而LCD却具有明亮的色彩和全视频动态。
多种技术与之竞争
有没有一种能兼具所有特点的技术?有。在为数很少的竞争者中，可列举双稳态液晶、胆甾型液晶、微机电系统(MEMS)、电润湿和电流体技术，以及新一代的电泳技术。
上述技术将采用完全不同的原理来提供多种特性。估计到2020年还无法提供既具低功耗、又具可读性且带有明亮色彩和全动态视频的显示功能，但至少有部分技术正接近于能提供像单色Kindle一样明亮的彩色电子纸。
今年晚些时候首先走出实验室的将是加州圣布鲁诺Pixel Qi公司的3Qi显示器。这种多模显示技术采用穷举(brute-force)算法，将反射和透射液晶技术组合在一起，旨在获得两全其美的结果。3Qi显示器有三种不同的工作模式：标准彩色LCD、黑白电子纸和有限彩色电子纸。如果在露天阳光下使用便携式电脑，将其切换到电子纸模式便于借助反射光；在黑暗环境中，将其切换到背光LCD模式。由于将所有这些特性组合到一个单一产品中，难免会造成最大亮度和色彩方面的某些损失，但其多功能和低能耗的特点，还是令顾客对其情有独钟，至少现在是如此。
基于液晶反射显示技术已经问世几十年，但迄今未能给人留下深刻印象，从那些低价计算器和电子表上的单调乏味的灰绿色显示器就能明白。但实际上我们能够做得更好，位于俄亥俄州的Kent Displays公司正在联合肯特州立大学液晶研究所，试图将LCD技术带进一个全新的领域。他们研制的胆甾型液晶分子具有螺旋状结构，就像一条弹簧或DNA链。从理论上说，白光照射在胆甾型液晶层面上后，一半的光会发生与液晶相匹配的环状偏振(左旋或右旋)。此外，当光穿过液晶时，会产生折射率周期性的变化，总体上对某些颜色的光它能反射一小半。像普通的LCD一样，胆甾型液晶也能调整电压以开通或关闭反射功能。
为了生产全彩色显示器，Kent研制了三种不同的带有电极和电压控制的液晶原色薄膜，并将这三种薄膜叠压成像纸一样的薄板。由于其他颜色的薄板在必要时可以变为透明，因而每种颜色都可以显得相对明亮些。
从光学意义上讲每一层薄膜并非完美有效，以致三层叠压的薄板其反射率约为30%，仍然离我们理想中的显示器的期望相距甚远。有趣的是，Kent也有一款示范面板，由于其太阳能电池集成在显示器中，故该产品能满足我们到2020年制造便于充电电池的需求。
Kent最近展示了一种能适应3-D表面的变色电子皮肤(e-skins)技术，就像iPhone令键区消失那样，该技术能使整个蜂窝式便携无线电话增加一个可改变布局的显示器。
受大蓝闪蝶的启示
1996年，受到蝴蝶翅膀的启迪，麻省理工学院成立了一家名叫Iridigm Display Corp.的子公司(Iridigm一名系由“iridescent reflection(虹彩炫色)”和“paradigm(范例)”二词中的斜体字构成)，高通MEMS技术有限公司于2004年收购Iridigm后将该项技术命名为Mirasol。
Mirasol显示器运用了一种名叫干涉调节的原理。就像蝴蝶身上的彩虹色取决于微共振腔的厚度，而厚度又仅仅是反射波长的一小部分。与其他物理现象相比，胆甾液晶的独特之处是对光偏振的强烈依赖。Mirasol显示器将MEMS反射镜同光学薄膜堆叠相组合，建立起了这些微腔。
当四周光线照射到这一结构时，在MEMS反射镜和光学薄膜之间的光学微腔的高度与一窄波段的光的波长产生共振(单色)。此时，反射镜仅反射该颜色，而像素则排列着多个反射镜，利用预置的高度以反射红、绿、蓝光，并用电压调节MEMS反射镜靠近光学薄膜，则微腔消失，像素反射变成黑色。
这一模式很容易制造出具有浓烈色彩的像素，但能否制造出在两种以上颜色间切换像素还是个疑问。在显示器制造中，要保持低成本就必须简化工艺。而且显示器不同于微处理器，其成本的高低是按单位面积计算的。目前要制造出能改变众多微腔高度的MEMS像素，显然还不具有经济上的可行性。
如今的一些全彩色显示器大约能反射周围25%的光线，尽管比电泳显示器强很多，但距2020年的纸张反射率80%的目标甚远。如同电泳显示器一样，它们在阳光下可视且是双稳态的，有着巨大的节能优势；它们还能在数微秒内快速刷新，可用于全动态视频。
对于彩色屏幕的设计者来说，大自然还具有另外的启示。从光学角度看，适应力强的变色龙和鲍勃泰尔鱿鱼的皮肤变色体现了生物学的复杂性，即皮肤内含色素：当肌肉放松时色素聚成一个小点，显然是肌纤维拉伸皮肤放大了色素，使其颜色变得可见；而当肌纤维放松时，色素又回缩到小点状态，成为几乎看不见的点。
龙和鲍泰尔鱿鱼的皮肤变色
传统印刷媒体利用相似的原理来进行调色。在理论上，一张印刷图片可以由青、黄和品红三种颜色的点组成，部分颜色重叠就构成了所有颜色的谱系。用更小的点、点与点间更大的空隙，或完全没有点就能轻易实现让底版反射光更亮、更白(在现实世界里，出于某些实际原因，许多情形下黑色是单独另加的，而非由原色合成）。
电流体技术的雏形
在2006年，笔者的显示器研究团队开始尝试将生物界数百万年之久的变换色素方法，同有几百年之久的印刷色素的鲜亮色彩特性相结合，并在辛辛那提大学的新型器件实验室开始同颜料供应商合作，试图将现代印刷颜料用到电变换像素中。在辛辛那提大学的支持下，2007年发现了一条采用水性颜料而不是油性染色颜料来建立像素的新途径，最初采用与在喷墨打印机墨盒中所用的一样的彩色流体。用该技术产生的图像非常接近印刷媒体。
这种被称做电流体的技术是用电来驱动色素流体穿过微流体腔而实现的。显示器的背板是高反射的，且由许多深约30um的小孔排成阵列（小孔仅占显示器反射背板面积的5%到10%）。显示器面板是透明的，与压在一起的背板相距仅3um间隙。在没有加电压时，色素流体的表面张力使其暴露的面积达到最小，仅停留在微小的孔洞内。而显示器的面板和背板内含电极，其间的电压吸引孔洞中的色素流体并将其送到板间的空间：借助滤波器反射光线生成色彩，现在大部分彩色色素都可见了。将色素吸出孔洞并将其释回只需几十毫秒，速度足以用于视频。
为了将电流体技术推向市场，2009年5月，从辛辛那提大学分离出一个公司Gamma-Dynamics，由笔者担任首席科学家。迄今为止，Gamma-Dynamics已获得具有55%反射率的1英寸对角线像素阵列：首个商品化电流体显示器能在黑白间切换，在四分之三的亚像素上各以红、绿、蓝色滤波器覆盖。而第四个亚像素不加滤波，当切换到白色状态时，只需简单地将亮度提升约40%。
即便如此，这还仅仅只有所设想的2020年电子阅读器亮度的一半。电流体技术可允许高度饱和的颜色，反射率几乎高达70%；如果不采用彩色滤波器，则显示器的每个像素要带若干个含不同颜色流体的小孔。最后，它们可以是双稳态的、可卷曲的以及能显示视频的。尽管电流体显示器在这场彩色电子阅读器大战中是一个最新的角色，但它通常要花5到10年时间将新发现转化为商品。
欲在2020年之前实现商品化的并不仅仅是电流体显示器，包括从多伦多大学分离出的公司Opalux正在开发的光子墨水技术。该技术采用精确间隔的纳米颗粒形成对色彩的干涉，即利用颗粒间聚合物暴露于电解液膨胀的特性，改变颗粒间的光学共振腔以调节单个层面任意像素上的任意颜色。这是一个非常引人入胜的想法，但迄今显示器研制过程并不十分乐观，就像许多可充电电池一样，它们的寿命有限。
LED广告显示牌
最终当显示器面世时，电子阅读器或可卷曲的计算机仅仅是其多种应用中的一种。除了使设备外壳可改变布局的显示器技术，人们还能看到在超级市场里大量使用的电子货架标签（电子货架标签已开始出现在欧洲和其他一些市场），包括某些显示器技术还可以进入建筑行业。比如，聚合物分散液晶和电致变色显示的E-纸技术正开始渗透进“智能”窗户的应用中（智能窗户能在夏天反射掉部分红外辐射而在冬天将红外线传导进来），等等。
最后，不止一项科幻小说中的设想会成为现实。我们不妨回想一下1987年的电影《铁血战士》(Predator)中的场景，外星人在热带雨林中搜索时穿的是极为出色的能随环境变色的盔甲，障眼法似乎总有用武之地。因为植物的叶绿素具有复杂的光谱，而将复杂的色素用于军事伪装，并将其扩展到电流体显示器的流体中，你就可能制造出完美的具适应能力的伪装。最终显示器的完美能见度可能会有一项附带好处，那就是完美的隐形性。
资料来源 IEEE Spectrum
责任编辑 则 鸣
本文作者贾森·海肯菲尔德（Jason Heikenfeld），美国电气电子工程师学会(IEEE)资深会员。他和辛辛那提大学新型器件实验室的同事正在开发最终的电子纸技术，目前还没有自己的电子阅读器产品。同时，他始终在关注Plastic Logic公司开发的新型Que显示器，该产品能显示除了直线文本外的附带照片和大字标题的报纸。"我是一个《华尔街日报》的热心读者，"海肯菲尔德说，"但我很不愿看到报纸所消耗的大量纸张以及运送报纸过程中所耗费的化石燃料。