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

視網膜電子紙示意圖

a、終極虛擬現實顯示器的概念圖。該顯示器的尺寸接近人類瞳孔，并具有超高像素密度，作為受視網膜啟發的概念基準，支持超精細的視覺細節。

b 、超像素（子像素）的結構圖。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。進一步調整T可以生成混合顏色，例如 CMY。由于 WO3具有電致變色性，它可以發生可逆的電化學反應，從而調節WO3納米盤的反射率，實現 RGB 視頻顯示。

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

1）發射式顯示器的尺寸限制

主流的發射式顯示器（如 OLED、Micro-LED）依靠自身發光實現顯示，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，發光單元的發射強度會顯著降低，甚至難以被肉眼察覺，尤其在明亮環境下可視性極差。

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

2）傳統電子紙的分辨率天花板

電子紙（如 Kindle 的電泳屏）依靠反射環境光實現顯示，無需自身發光，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：

物理結構限制：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，都決定了其像素無法縮小到納米級，目前商用電子紙的分辨率普遍低于 1000PPI。

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

正是這種 “發射式難突破尺寸，反射式難突破分辨率” 的困境，讓視網膜電子紙的出現成為了行業焦點 —— 它首次將反射式顯示的優勢與納米級超像素結合，直接觸達了人類視覺的理論極限。

視網膜電子紙的核心創新，在于用電致變色 WO₃（三氧化鎢）納米盤構建 “超像素”，通過材料的物理特性與納米結構的光學設計，同時解決分辨率、對比度和動態調節三大難題。

1）材料基石：WO₃的絕緣體 - 金屬可逆轉變

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

亮態（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，呈現出鮮艷色彩。

暗態（金屬態）：注入離子后，WO₃的折射率降至 1.95-2.25，消光系數（代表光吸收能力）從 <0.01 飆升至> 0.4，大量吸收入射光，呈現黑色。這種轉變的關鍵價值在于：無需依賴像素自身發光，僅通過電信號調節材料的光學特性，就能實現反射率的動態控制 —— 既保留了電子紙反射環境光的低功耗優勢，又解決了傳統電子紙無法動態調光的問題。

2）結構設計：超像素的色彩核心

單個超像素的色彩由 WO₃納米盤的幾何參數決定，通過精確調整三個關鍵尺寸，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）：調節納米盤之間的光學干涉，例如間距 140 納米的藍光納米盤，通過干涉增強藍色反射。

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

WO₃子像素的設計和特性

a、超像素設計。左圖：調整WO₃納米盤的D和W可實現多樣化的調色板。虛線框突出顯示選定的 RGB 像素及其中間區域，其中包含 CMY 像素。中間：所選 RGB 像素的反射光譜。右圖：所選RGB 像素對應的D和W值。

b、微觀和結構表征。左圖：在 ×100 放大倍數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，對應于優化的子像素間距。

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：相應混合像素的SEM圖像。比例尺，500 nm。

更關鍵的是，這種超像素的最小尺寸可低至 400 納米（藍色），對應的像素密度超過 25000PPI—— 這一尺寸遠小于可見光波長（400-700 納米），卻能通過納米結構的光學設計保持色彩飽和度，徹底打破了傳統顯示技術的分辨率天花板。

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

視網膜電子紙顯示性能表征

a、CMY 超像素的光學特性。左圖：所選 CMY 超像素的反射光譜展示了光譜響應。右圖：RGB 像素的照片，其中優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），以及每只眼睛對應的重建視網膜電子紙圖像 (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。

c ，視網膜電子紙與 iPhone 15 上The Kiss的高分辨率顯示。照片比較了 iPhone 15 和視網膜電子紙上The Kiss的顯示效果。視網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Kingston Frameworks 許可復制。

d ，視網膜電子紙對The Kiss的電化學顯示。照片展示了開啟（左）和關閉（右）狀態下視網膜電子紙上The Kiss的顯示，展示了電化學調節時的可逆顏色調制。

1）視頻級刷新率：40 毫秒實現 95% 對比度切換傳統

WO₃電致變色設備的切換速度通常在幾百毫秒，無法滿足視頻需求。視網膜電子紙通過橫向電極結構突破了這一限制。

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 95% 的光學對比度調制，對應的刷新率超過 25Hz—— 這一速度是此前最快 WO₃電致變色設備的 10 倍，足以支持流暢的視頻播放。

2）超低功耗：靜態顯示僅需 0.5mW/cm²

與發射式顯示器持續發光耗電不同，視網膜電子紙的能耗僅集中在像素切換瞬間，靜態畫面依靠 WO₃的色彩記憶效應保持 —— 關閉電源后，彩色狀態可維持 90% 以上反射率超過 150 秒，暗態可維持 10% 以下反射率約 9 秒。

視頻顯示功耗：約 1.7mW/cm²，僅為傳統 OLED 的幾十分之一。

靜態顯示功耗：約 0.5mW/cm²，遠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合，實現 “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，約為智能手機屏幕的 1/4000）和超高分辨率，使其成為 VR/AR 設備的理想顯示核心。

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

全彩高分辨率演示：研究團隊用 CMY 超像素重現了克里姆特的《吻》，在 1.9×1.4 平方毫米的面積內實現 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，可大幅縮小設備體積。應用前景分析視網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路徑，其應用潛力已超越傳統顯示范疇。

1）VR/AR 的顯示方案當前

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

2） 自供電智能設備

由于依賴環境光反射且功耗極低，視網膜電子紙可集成到各類低功耗智能設備中。在可穿戴設備領域，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永久續航。在物聯網傳感器領域，在工業環境中，可以用低功耗電子紙顯示傳感器數據，無需布線供電。

3）超高分辨率印刷與動態標

識其納米級超像素的色彩控制能力，還可應用于動態印刷領域 —— 例如制作可電調色彩的高分辨率藝術畫作，或在商品包裝上實現動態信息顯示（如價格、保質期實時更新）。

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

1）色域與色彩飽和度優化目前視網膜電子紙在電解質環境中的色彩飽和度低于 OLED—— 這是因為電解質的折射率（約 1.33）與 WO₃（約 2.0-2.4）更接近，削弱了米氏散射效應，導致紅色區域消光減少、顏色偏淡。未來需通過優化納米盤結構（如增加厚度）或開發新型電解質，提升色彩純度。

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

3） 長期穩定性與成本控制WO₃納米盤的電化學循環穩定性（即反復切換的壽命）仍需驗證，而電子束光刻等納米制造工藝的成本較高，難以大規模量產。未來需探索更廉價的納米圖案化技術（如納米壓印），并優化電解質與 WO₃的界面穩定性，延長設備壽命。

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