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电泳是指分散质粒子在空间匀强电场作用下相对于流体产生的运动。这种电动现象是在1807年由俄罗斯教授彼得·伊万诺维奇·斯特拉霍夫（Peter Ivanovich Strakhov）和费迪南·弗雷德里克·鲁伊斯（Ferdinand Frederic Reuss）在莫斯科国立大学首次观测到的，他们注意到，利用稳恒电场能使分散在水中的黏土颗粒发生迁移，本质是由于粒子表面和周围流体之间存在带电界面，粒子在外界电场的作用下发生定向移动。1909年，Michaelis利用不同pH值的溶液在U形管中测定了转化酶和过氧化氢酶的移动和等电点，并首次将胶体离子在电场中的移动称为电泳。1937年，瑞典Uppsala大学的Tiselius发明了Tiselius电泳仪，在此基础上建立了研究蛋白质的移动界面电泳方法。此后，各种电泳仪如雨后春笋般相继问世。1948年，为了表彰其在电泳技术领域做出的突出贡献，Tiselius被授予诺贝尔化学奖，随后，电泳技术被广泛应用于DNA、RNA和蛋白质分析，直至20世纪90年代，电泳技术逐渐在显示领域展开应用。
1996年，麻省理工学院（MIT）在《自然》期刊上发表了微胶囊电泳显示技术，微胶囊显示也经常被称为电子墨水（Eink）。1997年，美国E-Ink公司成立，由麻省理工学院教授Joseph Jacobson创建了专攻电子墨水显示产品的研发团队，全力推进电子纸的商品化。2004年，日本索尼公司推出了世界上首款电泳显示电子书；2006年，第一款电子纸手机（Motorola F3）上市；2007年，亚马逊推出了Kindle电子书，一经上市便大获成功。值得注意的是，Kindle电子书产品所采用的电子纸显示器由中国台湾的元太科技生产。该公司在2009年12月完成了美国E-Ink公司的并购，掌握了电子纸中、上游关键技术，成为全球电子纸产业龙头，同时将公司英文名和品牌名改为E-Ink，即今天我们所熟知的E-Ink。
双电层（Electric Double Layer，EDL）模型是胶体电化学中有关胶体结构的一个模型，如图3-7所示，描述了在流体中物体表面的结构。
图3-7 双电层模型
双电层模型主要有以下两层：
第一层是表面电荷，由因化学相互作用而吸附到物体上的离子组成。通常，金属氢氧化物、金属氧化物的胶体粒子带正电，非金属氧化物、金属硫化物的胶体粒子带负电荷。
第二层是扩散层，由受到表面电荷的库仑力吸引的离子组成，屏蔽表面电荷，使整体呈电中性，与物体本身的联系松散。
根据双电层理论，流体中的所有表面电荷都被相反电荷的扩散层屏蔽。外部电场对表面电荷施加力，还对扩散层中的离子施加一个相反的力。后一种力实际上并没有直接作用在粒子上，而是作用在离粒子表面一定距离的扩散层中的离子上，其中一部分力通过黏性应力一直传递到粒子表面，这部分力也称为电泳阻滞力（ERF）。流体中的物体在电场下受到力的总和非零，会发生定向运动，即电泳。
在不同的粒子和流体中，使粒子运动的电场大小不同（其临界值称为阈值电场，对应的电压称为阈值电压），粒子的速度也不同，速度 ν = μE （其中， μ 为迁移率， E 为电场强度）。
最简易的电泳显示结构是在两块平行的极板之间（见图3-8），将直径约为1μm的二氧化钛（TiO 2 ）颗粒表面带上活性剂和充电剂，随后将颗粒分散在烃油中，烃油中添加深色染料。在两块极板上施加电压时，颗粒通过电泳迁移到电荷相反的极板上，当颗粒位于结构极板的正面时，光被颗粒散射，人眼看到像素呈现白色；当颗粒位于结构极板的背面时，光被染料吸收，人眼看到像素呈现暗色。进一步将背面电极进行像素化，可以进行多电极控制的电泳显示，如图3-9所示，每个电极都可以实现单个像素的控制，从而实现高分辨率的图像显示。
图3-8 电极电泳显示的原理
图3-9 多电极电泳显示的原理
传统的平行板结构的电泳显示只是简单地将墨水进行封装，使得器件在显示时容易发生大量电泳粒子团聚，导致器件失效；或者在反复使用时，电泳粒子附着在极板上，使器件表面的显色功能丧失。因此早期电泳显示器件生命周期短，不易量产。为了实现产品化，应用于电子纸的电泳显示技术主要有如下几种：微杯、电子流体粉末、微胶囊，如图3-10所示。
图3-10 应用于电子纸的电泳显示技术
1.微杯
中国台湾的友达光电在2009年收购了美国的SiPix Imaging公司，搭配其公司自研的TFT底板，推出了“微杯”（Micro-Cup）结构的电子纸模块。微杯显示的基本原理是在微杯中填充白色颗粒和着色液体，通过切换微杯顶部和底部的电极来驱动颗粒的移动，反射环境光实现显示。例如，白色颗粒和黑色液体可以进行黑白的单色显示，通过改变着色液体，可以实现双色显示或多色显示。
微杯整体的制作过程可以通过卷对卷工艺实现，首先进行塑料涂布，在涂布过的区域进行杯状模型的冲压，形成微杯。在微杯阵列中填充颗粒和着色电泳液后，流入另一种电泳液，两种液体不混合，呈现相互分离的状态。使第二种电泳液硬化，硬化完毕后进行微杯的密封，将颗粒和着色液体封闭在微杯中。此外，在已经密封的微杯上方再密封一层阻隔薄膜，能够起到防潮的作用，提高微杯的功能稳定性。在此基础上安装TFT驱动电路，便制成了电子纸模块。该制程可以实现大规模生产，已经量产的电子纸屏幕尺寸主要有6英寸和9英寸。
2.电子流体粉末
电子流体粉末利用了微杯结构。该技术由日本普利司通（Bridgestone）发布，显示介质是将树脂进行纳米级粉碎，经处理后形成黑、白粉末，将两种粉末填充至空气介质的微杯封闭结构中，每个显示像素之间由微杯隔离墙进行隔离，如图3-11所示。通过对上下电极施加高压来进行带电粉末的驱动，使粉末在空气中发生电泳现象，反射环境光实现显示。因此，电子流体粉末技术需要耐高压的TFT晶体管背板。
3.微胶囊
微胶囊的直径一般为1～500μm，囊壁的厚度为0.5～150μm，在微小密闭的胶囊内填充液体介质和190～500nm大小的颗粒，颗粒悬浮在液体介质中。放大后的微胶囊电泳显示如图3-12所示。
图3-11 电子流体粉末
图3-12 放大后的微胶囊电泳显示
如图3-13所示，单色颗粒的微胶囊显示主要分为两种：一种是“散射性颗粒+染色液体”，油墨使得整体胶囊呈现黑色，当施加垂直电场时，颗粒聚集在微胶囊上表面，散射入射光，呈现白色；另一种是“吸收性颗粒+透光的液体”，颗粒吸收环境光，整体呈现黑色，当施加水平电场时，颗粒聚集在微胶囊两侧，整体透光，呈现白色。
双色颗粒的微胶囊包含黑白两种带电颗粒，两种颗粒各带正负电荷，在电场的作用下，两种颗粒分别向上、下极板的两侧运动，从而呈现黑白翻转，如图3-14所示。
图3-13 单色颗粒的微胶囊显示驱动
图3-14 双色颗粒的微胶囊显示驱动
微杯、电子流体粉末和微胶囊三种电泳显示技术都利用带电粒子的移动来实现环境光的反射，进而实现显示功能，其相应的制程都支持产品的柔性化。微胶囊具有较好的光反射率，但同时微胶囊显示元素大小分布在一个区间内（1～500μm）并且排列零散，均匀性比微杯较差。微杯整个制程采用卷对卷工艺，制程更简单且均匀性好，具有较好的机械和电气特性，不足之处在于光反射率较低。电子流体粉末的带电粒子由于不通过液体介质来移动，因此具有较快的响应速度。但同时，它利用高压驱动带电粉末，功耗比微杯和微胶囊都要高。目前应用最多的电泳显示技术是微胶囊。
制备微胶囊的主要材料包括有色颗粒、胶囊壳层材料、电解质液体。白色颗粒通常选用高折射率、高介电系数且易加工的TiO 2 ，但该材料的缺点是密度太大，范德瓦耳斯力不足，直接导致电场响应缓慢，从而衍生出空心纳米TiO 2 、改性剂修饰TiO 2 、聚合物涂覆TiO 2 等一系列研究。其中，分散聚合物包覆处理可以使电泳颗粒表面形成一定厚度的包覆层，在降低电泳颗粒密度的同时，可以使颗粒表面携带数量较多的电荷，是目前最有应用前景的制备白色电泳颗粒的方法。
相对于浅色电泳颗粒，黑色电泳颗粒更难制备，但为了获得更高灰阶的电泳显示效果，需要进行黑色电泳颗粒的加工。炭黑作为一种黑色颜料，兼具导电性好、容易获得的特点，是最常用的黑色电泳颗粒制备原料。但炭黑有固定的团簇结构，形状尺寸都不规则，因此不能直接进行电泳颗粒的制备，通常利用表面改性的方法增加炭球的分散性，提高炭黑粒子的悬浮稳定性。
微胶囊的壳用于包覆电泳颗粒和电解液介质，是非常重要的材料。壳层材料需要具备良好的透明性、低导电性、机械稳定性及柔性等特性。壳层材料通常是有机聚合物，如多胺、聚氨酯、纤维素、阿拉伯树胶等，也可以通过原位聚合或者复合凝固的方式制成树脂或复合膜。
微胶囊中电泳颗粒悬浮在液体介质中，因此液体介质的密度通常与电泳颗粒的密度相似。此外，液体介质需要具备良好的热稳定性和化学稳定性、适当的绝缘性、与电泳颗粒类似的反射率、对粒子移动的低阻性及环境友好性。通常采用单一有机溶剂或者烷烃、芳香族/脂肪族烃、氧硅烷等配制液体介质。
根据壳层材料、囊壁形成机理、成囊条件、聚合方式的差异等方面，微胶囊的制备方法主要有化学方法（去溶剂化法）、凝聚法、乳化聚合法、物理方法（电喷雾法）、物理化学方法等。
将制备好的微胶囊加入聚合物薄膜中，并在薄膜上下表面排列电极，通过电极的驱动来实现电泳图案的显示。
1.滤色片RGB彩色电泳显示
在微杯结构的基础上，可以通过滤色片实现RGB彩色电泳显示。其结构主要有滤色片在上方和下方两种。滤色片在上方时，通过垂直电场控制黑色和白色显示，以及RGB彩色显示，如图3-15所示。滤色片在下方时，通过垂直电场控制黑色和白色显示，通过水平电场控制RGB彩色显示，如图3-16所示。
图3-15 滤色片RGB彩色电泳显示（垂直电场控制）
虽然滤色片阵列可以实现电子墨水的全彩显示，但滤色片会衰减反射光，造成显示图像的亮度和对比度降低，最佳解决方案是研究彩色电泳颗粒。
图3-16 滤色片RGB彩色电泳显示（垂直和水平电场控制）
2.三色颗粒电泳显示
如图3-17所示，除黑色颗粒、白色颗粒外，三色颗粒电泳显示还额外添加红色颗粒。其中，白色颗粒带负电，黑色颗粒和红色颗粒带正电，黑色颗粒的尺寸和质量小，具有较高的迁移率，与溶液介质间的相互作用力大，导致黑色颗粒运动所需的阈值电压高；与黑色颗粒相反，红色颗粒的尺寸和质量大，迁移率低，与溶液介质间的相互作用力小，运动所需的阈值电压低。当电压高于红色颗粒运动所需的阈值电压且小于黑色颗粒运动所需的阈值电压时，黑色颗粒保持不动，红色颗粒缓慢运动到负极，呈现红色。当电压高于黑色颗粒运动所需的阈值电压时，黑色颗粒比红色颗粒更快速地运动到负极，呈现黑色。黑、红、白三色颗粒实现三色显示。
如图3-18所示，三色颗粒电泳显示驱动分为复位、激活、显示阶段，每个颜色显示对应不同的驱动电压和波形。复位和激活（全黑全白屏幕迅速切换）主要是为了清除“残影、残像”（前一页面的图像留在下一页面上）。可见，电泳显示支持多于两种颜色会使得波形更加复杂，电压的范围也需要更大，导致刷新率受到限制。这导致市面上能看到的高刷新率电泳显示都是黑白居多，三色及三色以上的电泳显示会更加难以做到高刷新率。
图3-17 三色颗粒电泳显示示意图
图3-18 三色颗粒电泳显示驱动的波形
3.四色颗粒电泳显示
在三色颗粒的基础上，添加黄色颗粒可以制成四色颗粒电泳显示，如图3-19所示。其中，白色颗粒、黄色颗粒带负电，黑色颗粒、红色颗粒带正电，基本的驱动思路与三色颗粒的类似，不过对白色颗粒和黄色颗粒之间、黑色颗粒和红色颗粒之间的阈值电压的处理带来更大的挑战。
其中，黑色颗粒与黄色颗粒之间会相互吸引，可通过静电、氢键、疏水、范德瓦耳斯力等方法实现，弱电场不能够将二者分离，必须借助强电场。因此有效地借助黑色颗粒与黄色颗粒之间的弱相互作用，合理地控制阈值电压及施加电压的时序，可以实现黑色、黑红色、红色、白色、黄白色、黄色6种色彩的显示。
图3-19 四色颗粒电泳显示示意图
黄白色、红色、黄色显示的驱动策略如图3-20所示，初始时刻颗粒呈现无序状态，首先对像素电极施加强负电压，白色颗粒和黄色颗粒向上运动到公共电极，形成黄白色；然后对像素电极施加弱正电压，红色颗粒和黑色颗粒向上运动，白色颗粒和黄色颗粒向下运动，黄色颗粒与黑色颗粒相互吸引阻止运动，形成红色；最后对像素电极施加强负电压，电场克服黄色颗粒与黑色颗粒之间的吸引力，白色颗粒和黄色颗粒向上运动，红色颗粒和黑色颗粒向下运动，黄色颗粒因位置和迁移率领先，率先到达公共电极，形成黄色。根据相同的驱动原理，可以实现黑色、白色、黑红色的颜色显示。
图3-20 黄白色、红色、黄色显示的驱动策略
电泳显示的特点为反射式显示，不需要背光，依靠反射光来进行信息传递，显示效果与纸张类似，接近人们的阅读方式。电泳电子纸通电后能长期保持显示，在页面不变化的情况下，静态功耗几乎为零。这样会造成刷新速度低，很难在电子纸上实现弹出菜单、光标操作、窗口滚动、快速平滑地放大和缩小文档等操作。另外，容易产生“残影、残像”（前一页面的图像留在下一页面上），但残留是非永久性的，可以靠复位、激活（全黑全白屏幕迅速切换）等操作来解决。
在通常情况下，电泳显示器件的基底都是塑料材质，加工工艺和材料具有较多的限制，在此情况下，无源矩阵驱动应用在电泳电子纸的显示方面很难达到理想效果，常见的电泳显示器件都采用有源矩阵驱动。有源矩阵驱动的电泳电子纸的像素电路与有源矩阵驱动的液晶显示的像素电路类似，都是电压驱动型结构，采用TFT进行驱动，利用存储电容进行电压信号的读写，实现亮度等级的变化。由此，电泳显示器件的制作工艺也存在一定的限制，例如，TFT的背板工艺一般要求一定的制程温度限制，相关的制作工艺都需要进行相应的改进。
当前的黑白电泳显示技术已经商业化，但为了追求更高的图像显示质量，以期获得更高的显示对比度、色彩饱和度、响应速度等，更多的研究在电泳粒子的合成和改性方面展开。未来，彩色化、柔性化、视频化将是电泳显示产品的重点发展方向。