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电子墨水屏的工作原理及智能硬件开发中的应用
来源:未知    日期:2020-05-31    阅读( )
智能硬件开发中电子墨水屏的应用

为了更好的为客户完成低功耗应用场景下的显示问题,可志信息研发了电子墨水屏模块,方便低功耗场景下的产品或者项目开发。电子墨水屏一旦完成图像显示后,即使拔掉电源,也可以保持原有显示内容不变化,是低功耗应用场景下显示屏幕的较好选择。


电子墨水屏主要优势

1.可以提供接近纸质书的阅读体验。采用黑白相间的电子墨水屏的阅读体验宛如一本翻开的图书或者是一张画了图标的纸张。

2.电子墨水功耗很低。电子墨水只有在刷新内容的时候需要耗电,当内容完成刷新后,可以去掉电源,电子墨水依然能够保持原来的显示内容,因此在低功耗设计中起到很大作用。

由于电子墨水上面的特点,因此可以用在一些需要低功耗的场合,例如:商场的电子墨水标签;会议室的电子墨水门牌等。而可志信息的智能硬件开发技术人与,则把电子墨水应用在数据采集器和数据记录仪这些需要低功耗应用的场合中。

电子墨水技术起源

电子墨水屏技术最早可以追溯到 1996 年,它基于美国麻省理工学院媒体实验室(MIT Media Lab)的一项研究,利用电泳技术(EPD)实现显示,这类屏幕的显示效果十分接近传统纸张,因此也被成为“电子纸”。1997 年,麻省理工学院的教授 Joseph Jacobson 创立 E Ink 公司,开始推动电子纸技术走向商业化,电子墨水技术成为电子纸的主流。
电子墨水与印刷使用的墨水很相似,都是用颜料所制,这也是为什么我们看到电子墨水屏和传统纸张显示效果相似的原因。电子墨水通常会制成薄膜,由大量微囊组成,这些微囊只有人类头发的直径大小。微囊中的黑白小球是带不同电荷的色素颗粒,初始状态下,色素颗粒悬浮在微囊中,当施加一定方向的电场后,相应的色素颗粒被推到顶部,微囊就会显示不同的颜色,而不同颜色的微囊组成了各种文字和图案。


电子墨水屏基本结构如下图所示:

⒈上层;
⒉透明电极层;
⒊透明微胶囊;
⒋带正电荷的白色颜料;
⒌带负电荷的黑色颜料;
⒍透明液体(油);
⒎电极像素层;
⒏基板;
⒐光线;
⒑白色;
⒒黑色


 

电子墨水屏是由许多电子墨水组成,电子墨水可以看成一个个胶囊的样子(如上图所示)。每一个胶囊(位置6)里面有液体电荷,其中正电荷染白色,负电荷染黑色。当在一侧(位置8)给予正负电压,带有电荷的液体就会被分别吸引和排斥。这样,每一个像素点就可以显示白色或者黑色了。
因为电子墨水的刷新是不连续的,每一次刷新完成就可以保持现在的图形,即使拔掉电池也依旧保存。可能会有人问到,拔了电池吸引电子墨水的电压就木有了,那么小球不就回复原状或者进入随机的混沌状态了吗?答案是因为电子墨水具有双稳态效应(磁滞效应)。

上图中,横轴是电子书提供的电压大小,纵轴灰度(假定正为最白,负为最黑)。电压加大的过程和减小的过程,给予同样的电压,电子墨水黑白程度是不同的。这样的效应就叫做双稳态效应(磁滞效应)。利用这样的效应,我们就可以给一个正电压(从0到B点过程,走下面上升的路线),吸引负电荷,显示正电荷白色给读者,然后断电(从B减少到0,走上面那条回来的路线)。白色得以保持。于是,电子墨水的电子书省电就在于如果不需要显示有所变化,屏幕部分消耗电量为0。
为什么每一次变化(如:翻页),或者每隔一段时间就需要有一个全部清场的动作呢?我们刚假设电压从0加大然后再减少到0,但是电子墨水的灰度从位置A变到了位置C。那么如果下一次变化,如果我减少电压,也就是顺着上面那条返回路径继续行走,就没有问题。但是如果下一次刷新,我还需要这个像素显示白色,那么这个在C点情况的墨水所遵循的路线就不是这个图形了。电路所驱动的电压对应的灰度将会不准确。导致的结果就是黑色的墨水黑色程度不相同,白色的墨水有的没有完全白下去。就会出现我们所说的鬼影,或者残影。于是,为了避免残影的出现,就全部加到最大或者最小电压,把所有的墨水清零,从初始状态从新开始调整,这样所有的墨水小球就可以保持只有两种颜色的均匀显示了。

电子墨水屏的工作原理

“电子墨水的主要由大量细小微胶囊 ﹙microcapsules﹚组成,这些微胶囊约为人类头发直径大小。每个微胶囊中包含悬浮于澄清液体之中的带正电荷的白粒子和带负电荷的黑粒子。设置电场为正时,白粒子向微胶囊顶部移动,因而呈现白色。同时,黑粒子被拉到微胶囊底部,从而隐藏。如施加相反的电场,黑粒子在胶囊顶部出现,因而呈现黑色。”



对肉眼看来电子墨水像一瓶普通墨水,但悬浮在电子墨水液体中有几百万个细小的微胶囊。每个胶囊内部是染料和颜料芯片的混合物,这些细小的芯片可以受电荷作用。为了能看见电子墨水的微胶囊,可以把它想象成清晰的塑料水球。水球内包含几十个乒乓球,水球内充入的不是空气而是颜料水。如果从顶部看水球,我们可以看到许多白色乒乓球悬浮在液体中,于是水球看起来呈白色。从底部看水球,你只不过看到的是颜料水,于是水球看起来呈黑色。如果你把几千个水球放到一个容器,并使这些乒乓球在水球的顶和底之间运动,你就能看到容器在改变颜色。这就是电子墨水工作的基本原理。事实上这些水球是100 微米宽的微胶囊。在1平方英寸,大约包含10万个微胶囊。如果在一页纸上打印电子墨水,则一个句子包含30多个微胶囊。
电子墨水是融合化学,物理和电子学的整体产生的一种新材料。制造微胶囊本身仅涉及较简单的化学,可以比作做沙拉菜!微胶囊制成后被称为是一种胶质材料。这材料是细小的固态颗粒,承担液态的物理性质。于是微胶囊象传统墨水悬浮在液态“载媒体”,然而它将粘着到普通墨水可以用的任何表面。并且可以用现有的丝网印刷工艺打印。打印的微电子学技术改变了墨水颗粒的颜色并产生了字和图。

电子墨水屏的特点

1、电子墨水屏有两个优点:省电、护眼。
电子墨水屏可以在没有电源的情况下持续显示画面,只有画面变化时才需要消耗少量电源,比如 Kindle 在关机状态下也可以显示屏保,只有在翻页时,屏幕才会刷新。这种特性极大地将降低了电源消耗,也是电子书续航长的原因。
传统的 LCD 屏显示原理是利用背光发射,光线需要一直穿过显示屏,直射眼睛。而电子墨水屏无需背光,它是利用环境光打在显示屏上,再折射到眼睛。这种方式模拟了墨水和纸张的特性,环境光越强,显示效果越清晰。由于没有了闪烁,在长时间阅读时眼睛不容易感到疲劳。
2、刷新率低,不适用于主流设备
电子墨水屏没有获得更多的市场份额,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 显示屏,电子墨水屏无需不断刷新就可以显示内容,这降低了耗电,也减少了辐射,让阅读体验更接近纸张,不容易造成眼睛疲劳。但这样的特性也让电子墨水屏无法被主流电子设备采用。
不管是手机还是电脑,屏幕需要显示的内容都很丰富,同时还要进行弹出菜单、窗口滚动等操作,电子墨水屏极底的刷新率显然无法满足这样的要求。和 LCD 显示屏相比,电子墨水屏更适用于内容简单、变化较少的文字显示。
采用可志信息的电子墨水屏模块,能够快速实现产品的开发和应用,特别是低功耗情况下产品的开发和应用,是低功耗智能硬件开发的首选方案之一。
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