當(dāng)智能手機(jī)屏幕的像素密度停留在 400-600PPI 時，一種全新的顯示技術(shù)已將這一指標(biāo)推向了 25000PPI 的量級 —— 這就是由 WO₃納米盤構(gòu)建的視網(wǎng)膜電子紙。它以 560 納米的超像素尺寸突破了人類視覺分辨率極限，既解決了傳統(tǒng)發(fā)射式顯示器像素越小越暗的困境，又彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電子紙高分辨率難實現(xiàn)的短板，為虛擬現(xiàn)實（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）等沉浸式場景提供了顛覆性的解決方案。

視網(wǎng)膜電子紙示意圖

a、終極虛擬現(xiàn)實顯示器的概念圖。該顯示器的尺寸接近人類瞳孔，并具有超高像素密度，作為受視網(wǎng)膜啟發(fā)的概念基準(zhǔn)，支持超精細(xì)的視覺細(xì)節(jié)。

b 、超像素（子像素）的結(jié)構(gòu)圖。超像素由 WO3 納米盤和玻璃基板上的反射層組成。通過改變納米盤的D和W，超像素可以選擇性地反射 RGB 顏色。進(jìn)一步調(diào)整T可以生成混合顏色，例如 CMY。由于 WO3具有電致變色性，它可以發(fā)生可逆的電化學(xué)反應(yīng)，從而調(diào)節(jié)WO3納米盤的反射率，實現(xiàn) RGB 視頻顯示。

從電影屏幕到 VR 頭顯，顯示設(shè)備的發(fā)展始終圍繞 “更小尺寸、更高分辨率” 的目標(biāo)推進(jìn) —— 畢竟，只有當(dāng)像素密度足夠高，人眼才無法分辨單個像素，從而獲得 “視網(wǎng)膜級” 的沉浸感。但在技術(shù)層面，這一目標(biāo)卻面臨著無法回避的 “兩難”。

1）發(fā)射式顯示器的尺寸限制

主流的發(fā)射式顯示器（如 OLED、Micro-LED）依靠自身發(fā)光實現(xiàn)顯示，但其像素尺寸縮小到一定程度后，會陷入一系列問題。

亮度與均勻性下降：像素尺寸從微米級縮小到納米級時，發(fā)光單元的發(fā)射強(qiáng)度會顯著降低，甚至難以被肉眼察覺，尤其在明亮環(huán)境下可視性極差。

色彩串?dāng)_與制造難題：微小像素間的光線泄漏（色彩串?dāng)_）會模糊畫面細(xì)節(jié)，而納米級的精密制造工藝也大幅提升了生產(chǎn)成本和良率難度。目前商用 Micro-LED 的最小像素尺寸約為 4×4 微米（不含間距），僅能實現(xiàn)幾千 PPI 的密度，遠(yuǎn)未達(dá)到 “視網(wǎng)膜級” 要求 —— 按暗視條件下人類瞳孔直徑 8 毫米、120° 視場計算，要實現(xiàn)每度 60 像素的角分辨能力，需要約 23000PPI 的像素密度，這對發(fā)射式技術(shù)幾乎是不可能完成的任務(wù)。

2）傳統(tǒng)電子紙的分辨率天花板

電子紙（如 Kindle 的電泳屏）依靠反射環(huán)境光實現(xiàn)顯示，無需自身發(fā)光，因此亮度和對比度不受像素尺寸影響，且功耗極低。但它的短板同樣明顯：

物理結(jié)構(gòu)限制：電泳顯示器的 “微膠囊” 尺寸、反射式液晶顯示器的液晶層厚度，都決定了其像素?zé)o法縮小到納米級，目前商用電子紙的分辨率普遍低于 1000PPI。

動態(tài)顯示缺失：多數(shù)電子紙僅支持靜態(tài)圖像，刷新率不足 1Hz，無法滿足視頻播放需求，更難以適配 VR/AR 的動態(tài)場景。

正是這種 “發(fā)射式難突破尺寸，反射式難突破分辨率” 的困境，讓視網(wǎng)膜電子紙的出現(xiàn)成為了行業(yè)焦點(diǎn) —— 它首次將反射式顯示的優(yōu)勢與納米級超像素結(jié)合，直接觸達(dá)了人類視覺的理論極限。

視網(wǎng)膜電子紙的核心創(chuàng)新，在于用電致變色 WO₃（三氧化鎢）納米盤構(gòu)建 “超像素”，通過材料的物理特性與納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)設(shè)計，同時解決分辨率、對比度和動態(tài)調(diào)節(jié)三大難題。

1）材料基石：WO₃的絕緣體 - 金屬可逆轉(zhuǎn)變

WO₃是一種典型的電致變色材料，在電化學(xué)還原過程中（如注入 Li⁺等堿離子），會發(fā)生可逆的 “絕緣體 - 金屬” 轉(zhuǎn)變。

亮態(tài)（絕緣體）：此時 WO₃的折射率約為 2.0-2.4，屬于高介電材料，能通過米氏散射（納米顆粒對光的散射作用）反射特定波長的光，呈現(xiàn)出鮮艷色彩。

暗態(tài)（金屬態(tài)）：注入離子后，WO₃的折射率降至 1.95-2.25，消光系數(shù)（代表光吸收能力）從 <0.01 飆升至> 0.4，大量吸收入射光，呈現(xiàn)黑色。這種轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵價值在于：無需依賴像素自身發(fā)光，僅通過電信號調(diào)節(jié)材料的光學(xué)特性，就能實現(xiàn)反射率的動態(tài)控制 —— 既保留了電子紙反射環(huán)境光的低功耗優(yōu)勢，又解決了傳統(tǒng)電子紙無法動態(tài)調(diào)光的問題。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計：超像素的色彩核心

單個超像素的色彩由 WO₃納米盤的幾何參數(shù)決定，通過精確調(diào)整三個關(guān)鍵尺寸，可覆蓋整個可見光譜。

直徑（D）：控制米氏散射的波長，例如直徑 220 納米的納米盤反射紅光，260 納米反射綠光。

間距（W）：調(diào)節(jié)納米盤之間的光學(xué)干涉，例如間距 140 納米的藍(lán)光納米盤，通過干涉增強(qiáng)藍(lán)色反射。

子像素間距（T）：解決相鄰超像素的色彩串?dāng)_，確保紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三原色按 “加色混合” 原理生成全彩 —— 例如調(diào)整 RGB 子像素間距，可在中間區(qū)域生成青（C）、品紅（M）、黃（Y）等混合色。

WO₃子像素的設(shè)計和特性

a、超像素設(shè)計。左圖：調(diào)整WO₃納米盤的D和W可實現(xiàn)多樣化的調(diào)色板。虛線框突出顯示選定的 RGB 像素及其中間區(qū)域，其中包含 CMY 像素。中間：所選 RGB 像素的反射光譜。右圖：所選RGB 像素對應(yīng)的D和W值。

b、微觀和結(jié)構(gòu)表征。左圖：在 ×100 放大倍數(shù)下捕獲的特征尺寸為 20 μm、2 μm 和 420 nm 的紅色像素的明視野（頂部）和暗視野（底部）顯微鏡圖像。比例尺，10 μm。右圖：2 μm 和 420 nm 紅色像素的 SEM 圖像。比例尺，2 μm（頂部）和 200 nm（底部）。

c 、通過子像素排列進(jìn)行顏色混合。左圖和中間：相鄰 RGB 子像素之間的反射顏色隨T而變化。右圖：混合 CMY 像素的反射光譜，對應(yīng)于優(yōu)化的子像素間距。

d . 高分辨率彩色成像。上圖：混合CMY像素的明場顯微鏡（×100）圖像。比例尺，1 μm。下圖：相應(yīng)混合像素的SEM圖像。比例尺，500 nm。

更關(guān)鍵的是，這種超像素的最小尺寸可低至 400 納米（藍(lán)色），對應(yīng)的像素密度超過 25000PPI—— 這一尺寸遠(yuǎn)小于可見光波長（400-700 納米），卻能通過納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)設(shè)計保持色彩飽和度，徹底打破了傳統(tǒng)顯示技術(shù)的分辨率天花板。

視網(wǎng)膜電子紙的優(yōu)勢并非只有 “超高分辨率”，其在刷新率、功耗、3D 顯示等維度的表現(xiàn)，同樣為沉浸式場景量身定制。

視網(wǎng)膜電子紙顯示性能表征

a、CMY 超像素的光學(xué)特性。左圖：所選 CMY 超像素的反射光譜展示了光譜響應(yīng)。右圖：RGB 像素的照片，其中優(yōu)化了相鄰子像素間距，以改善混合色彩和顯示保真度。

b 、視網(wǎng)膜電子紙上的立體 3D 演示。左圖：分解為洋紅色 ( M ) 和青黃色 (CY) 通道的立體蝴蝶 (Anaglyph 3D) 原始圖像 (OI)（頂部），以及每只眼睛對應(yīng)的重建視網(wǎng)膜電子紙圖像 (RI)（底部）。比例尺，200 μm。中間：單個 M 和 CY 通道像素的顯微鏡圖像，展示了亞微米圖案保真度。比例尺，2 μm。右圖：全彩立體蝴蝶圖像：立體 3D 蝴蝶原始圖像（頂部）和模擬視網(wǎng)膜電子紙重建（底部）展示了高分辨率 3D 深度渲染。比例尺，200 μm。原始蝴蝶圖像由 Adobe 授權(quán)。

c ，視網(wǎng)膜電子紙與 iPhone 15 上The Kiss的高分辨率顯示。照片比較了 iPhone 15 和視網(wǎng)膜電子紙上The Kiss的顯示效果。視網(wǎng)膜電子紙的表面積比 iPhone 15 小約 1/4,000 倍。SEM 和顯微鏡圖像證實，顯示的顏色是由精確排列的 CMY 子像素生成的。比例尺，2 μm（左上和左下）200 μm（右）。The Kiss 的圖像經(jīng)Kingston Frameworks 許可復(fù)制。

d ，視網(wǎng)膜電子紙對The Kiss的電化學(xué)顯示。照片展示了開啟（左）和關(guān)閉（右）狀態(tài)下視網(wǎng)膜電子紙上The Kiss的顯示，展示了電化學(xué)調(diào)節(jié)時的可逆顏色調(diào)制。

1）視頻級刷新率：40 毫秒實現(xiàn) 95% 對比度切換傳統(tǒng)

WO₃電致變色設(shè)備的切換速度通常在幾百毫秒，無法滿足視頻需求。視網(wǎng)膜電子紙通過橫向電極結(jié)構(gòu)突破了這一限制。

將工作電極與對電極的間距縮小至 500 納米，增強(qiáng)局部電場，加速離子注入 WO₃納米盤的速度。

配合 40 毫秒的短脈沖電壓信號（±4V），可實現(xiàn) 95% 的光學(xué)對比度調(diào)制，對應(yīng)的刷新率超過 25Hz—— 這一速度是此前最快 WO₃電致變色設(shè)備的 10 倍，足以支持流暢的視頻播放。

2）超低功耗：靜態(tài)顯示僅需 0.5mW/cm²

與發(fā)射式顯示器持續(xù)發(fā)光耗電不同，視網(wǎng)膜電子紙的能耗僅集中在像素切換瞬間，靜態(tài)畫面依靠 WO₃的色彩記憶效應(yīng)保持 —— 關(guān)閉電源后，彩色狀態(tài)可維持 90% 以上反射率超過 150 秒，暗態(tài)可維持 10% 以下反射率約 9 秒。

視頻顯示功耗：約 1.7mW/cm²，僅為傳統(tǒng) OLED 的幾十分之一。

靜態(tài)顯示功耗：約 0.5mW/cm²，遠(yuǎn)低于商用電泳電子紙（通常 > 10mW/cm²）。這種低功耗特性意味著，它甚至可以與太陽能電池結(jié)合，實現(xiàn) “自供電顯示”—— 典型太陽能電池的輸出功率約 15mW/cm²，完全覆蓋其能耗需求。

3）立體 3D 與超小尺寸：VR/AR 的理想載體視網(wǎng)膜電子紙的超小尺寸（最小顯示面積僅 1.9×1.4 平方毫米，約為智能手機(jī)屏幕的 1/4000）和超高分辨率，使其成為 VR/AR 設(shè)備的理想顯示核心。

立體 3D 顯示：通過將立體圖像對編碼為互補(bǔ)色通道（如品紅對應(yīng)左眼，青黃對應(yīng)右眼），利用亞微米級超像素精確重建，可實現(xiàn)超過 30000PPI 的 3D 分辨率，無需復(fù)雜的光學(xué)偏振組件。

全彩高分辨率演示：研究團(tuán)隊用 CMY 超像素重現(xiàn)了克里姆特的《吻》，在 1.9×1.4 平方毫米的面積內(nèi)實現(xiàn) 4300×700 像素的分辨率 —— 這一尺寸與 VR 頭顯的 “瞳孔級” 顯示需求高度匹配，可大幅縮小設(shè)備體積。應(yīng)用前景分析視網(wǎng)膜電子紙的核心價值，在于它為近眼顯示和沉浸式場景提供了全新的技術(shù)路徑，其應(yīng)用潛力已超越傳統(tǒng)顯示范疇。

1）VR/AR 的顯示方案當(dāng)前

VR 頭顯的視場角通常在 100-120°，但像素密度不足（多為 2000-3000PPI），導(dǎo)致 “紗窗效應(yīng)”（肉眼可見像素網(wǎng)格）。視網(wǎng)膜電子紙的 25000PPI 密度可徹底消除這一問題，結(jié)合其超小尺寸，能實現(xiàn) “瞳孔級” 的緊湊顯示模塊 —— 配合波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)，可將 VR 頭顯的體積縮小至眼鏡大小，重量降低 50% 以上。

2） 自供電智能設(shè)備

由于依賴環(huán)境光反射且功耗極低，視網(wǎng)膜電子紙可集成到各類低功耗智能設(shè)備中。在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，如智能手表的表盤，無需頻繁充電，甚至通過表帶集成的太陽能電池實現(xiàn)永久續(xù)航。在物聯(lián)網(wǎng)傳感器領(lǐng)域，在工業(yè)環(huán)境中，可以用低功耗電子紙顯示傳感器數(shù)據(jù)，無需布線供電。

3）超高分辨率印刷與動態(tài)標(biāo)

識其納米級超像素的色彩控制能力，還可應(yīng)用于動態(tài)印刷領(lǐng)域 —— 例如制作可電調(diào)色彩的高分辨率藝術(shù)畫作，或在商品包裝上實現(xiàn)動態(tài)信息顯示（如價格、保質(zhì)期實時更新）。

盡管視網(wǎng)膜電子紙展現(xiàn)出巨大潛力，但要從實驗室走向商用，仍需突破三大核心挑戰(zhàn)。

1）色域與色彩飽和度優(yōu)化目前視網(wǎng)膜電子紙在電解質(zhì)環(huán)境中的色彩飽和度低于 OLED—— 這是因為電解質(zhì)的折射率（約 1.33）與 WO₃（約 2.0-2.4）更接近，削弱了米氏散射效應(yīng)，導(dǎo)致紅色區(qū)域消光減少、顏色偏淡。未來需通過優(yōu)化納米盤結(jié)構(gòu)（如增加厚度）或開發(fā)新型電解質(zhì)，提升色彩純度。

2）超高分辨率驅(qū)動電路的開發(fā)25000PPI 的像素密度需要配套的 “超高分辨率 TFT（薄膜晶體管）陣列” 來獨(dú)立控制每個超像素 —— 當(dāng)前商用 TFT 陣列的分辨率最高約 5000PPI，無法滿足需求。開發(fā)納米級 TFT 驅(qū)動技術(shù)，是實現(xiàn)大尺寸、可尋址視網(wǎng)膜電子紙的關(guān)鍵。

3） 長期穩(wěn)定性與成本控制WO₃納米盤的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性（即反復(fù)切換的壽命）仍需驗證，而電子束光刻等納米制造工藝的成本較高，難以大規(guī)模量產(chǎn)。未來需探索更廉價的納米圖案化技術(shù)（如納米壓�。�，并優(yōu)化電解質(zhì)與 WO₃的界面穩(wěn)定性，延長設(shè)備壽命。

視網(wǎng)膜電子紙的出現(xiàn)，不僅打破了顯示技術(shù)的分辨率天花板，更給低功耗、高沉浸的顯示提供一種新的技術(shù)方向 —— 它不再追求更亮的發(fā)光，而是通過更智能的反射，讓顯示設(shè)備與人類視覺系統(tǒng)、自然環(huán)境更和諧地融合。