e—Paper & e—Ink – печать уходит в прошлое
Не раз в СМИ от производителей электронных устройств мы могли слышать о скором и окончательном уходе в прошлое бумажных носителей. Шагом к этому служит создание и быстрое совершенствование электронной бумаги. Данная технология не претендует на замену документов в делопроизводстве, но сменить печатные книжные и периодические издания в близкой перспективе ей вполне по силам.
Технология, называемая «электронная бумага» (electronic paper, она же e-paper), порой упоминающаяся как «электронные чернила» (electronic ink или e-ink) предназначена для отображения информации путем имитации обычных чернил на бумаге. В отличие от привычных плоских жидкокристаллических дисплеев, в которых используется подсветка матрицы для создания изображения, e-paper отражает свет подобно простым бумажным носителям.
Существует несколько разных технологий создания электронной бумаги, обладающие рядом преимуществ: в некоторых из них используют пластиковый субстрат, благодаря чему дисплеи в отличие от прочих LCD обладают гибкостью; созданные экраны делают чтение более комфортным благодаря стабильности изображения, которое не обновляется постоянно; углы обзора таких устройств больше, а факт отсутствия подсветки и использования отраженного света позволяет более длительное время читать с заметно меньшей нагрузкой на глаза. Причем контрастность этих дисплеев и обычных бумажных газет сопоставимы, вес же их меньше и такие устройства весьма надежны. Значимым недостатком пока является недостаточно хорошая цветопередача.
Технология и ее история
Электронная бумага была впервые разработана в исследовательском центре компании Xerox в Пало Альто (Xerox’s Palo Alto Research Center) Ником Шеридоном (Nick Sheridon) в 1970-х годах.
Первая электронная бумага, названная Gyricon, состояла из полиэтиленовых сфер от 20 до 100 мкм в диаметре (эта субстанция является первым примером e-ink).
Каждая из них включала отрицательно заряженную черную и положительно заряженную белую половинки (таким образом, они представляли собой диполи). Все сферы помещались в прозрачный силиконовый лист, который заполнялся маслом, чтобы они могли свободно вращаться. Полярность подаваемого напряжения на каждую пару электродов устанавливала, какой стороной повернется сфера, придавая, таким образом, белый или черный цвет точке на дисплее.
Электрофоретические дисплеи
Более совершенной технологией стали электрофоретические дисплеи. Они были изобретены в 1990-х годах Джозефом Якобсоном (Joseph Jacobson), впоследствии основавшим корпорацию E Ink, которая, совместно с Philips Components, через два года разработала и вывела на рынок эту технологию (а в 2005 г. Philips продали e-paper бизнес вместе со всеми патентами, касающимися данной технологии, компании Prime View International).
Принцип действия был следующий: в микрокапсулы, заполненные окрашенным маслом, помещалось электрически заряженные белые частички. В ранних версиях низлежащая проводка контролировала, будут ли белые частички вверху капсулы (чтобы она была белой для того, кто смотрит) или внизу (смотрящий увидит цвет масла). Это было очень похоже на все в дальнейшем создававшиеся электрофоретические (англ. electrophoretic) технологии отображения, но использование капсул позволило сделать дисплей с использованием гибких пластиковых листов вместо стекла.
Наиболее простой вариант электрофоретического дисплея основан на использовании частиц диоксида титана примерно 1 мкм в диаметре, помещенных в углеводородное масло, в котором содержатся чернила темного цвета, поверхностно активные вещества и зараженные компоненты, которые передают энергию частицам титана. Эта микстура помещается между двумя параллельными проводящими пластинами, разделенными расстоянием порядка 10-100 мкм. Когда в системе создается электрическое напряжение, частицы диоксида титана электрофоретически перемещаются к пластине с противоположным им зарядом. Когда частицы скапливаются у передней панели, на дисплее возникает белый цвет, так как частицы титана отражают свет. Когда они оказываются у задней пластины – отображается черный цвет, так как свет поглощается темными чернилами. Если заднюю панель разделить на мелкие элементы (пиксели), можно создать изображение за счет образования электрического поля соответствующего заряда у каждого из этих элементов, которые будут либо отражать, либо поглощать свет.
Такие дисплеи стали первыми примерами e-paper-девайсов. Благодаря своим габаритам и низкому энергопотреблению они нашли применение в устройствах Amazon Kindle, Sony Librie, Sony Reader и iRex iLiad, где использованы электрофоретические дисплеи с активными матрицами высокого разрешения. Созданы они на основе пленки корпорации E Ink.
Помимо E Ink производством электрофоретических дисплеев занимается калифорнийская компания SiPix.
Со своим партнером SmartDisplayer они разработали пластиковую карту со встроенной микросхемой (integrated circuits card), которая была оборудована электрофоретическим дисплеем – данное изобретение получило Society for Information Display Gold Award в 1996 г.
В ранних версиях устройств e-paper использовалась еще одна похожая технология.
Электронные чернила состояли из очень маленьких прозрачных капсул диаметром около 40 мкм. Каждая капсула состоит из масляного раствора, содержащего черные чернила со множеством растворенных частиц диоксида титана, которые имеют слабый отрицательный заряд и каждая окрашена в белый цвет. Микрокапсулы удерживаются в слое жидкого полимера, помещенного между двумя массивами электродов, верхний из которых изготовлен из оловянной окиси индия – прозрачного проводящего материала. Оба массива так ориентированы, что лист разделен на пиксели, каждому из которых соответствует пара электронов. Лист покрыт прозрачным пластиком для защиты (это увеличивает толщину до 80 мкм — примерно в два раза толще по сравнению с обычной бумагой).
Сеть электродов связана со схемой дисплея, которая, создавая электрическое поле на конкретных парах элетронов, «включает» и «выключает» электронные чернила на специфических пикселях. Создание отрицательного заряда на поверхностном электроде перемещает частицы ко дну капсулы, смещая чернила к поверхности и окрашивая тем самым пиксели в черный цвет. Смена заряда приводит к противоположному эффекту: частицы смещаются к поверхности, окрашивая частицы в белый цвет.
Более ранние варианты такой технологии требовали применения только одного слоя электродов — под капсулами. Работа устройства была основана на контролировании формы границы водной и масляной фаз за счет создания электрического поля. В условиях отсутствия напряжения окрашенное масло формирует тонкую пленку между водным слоем и гидрофобной изоляцией электродов, окрашивая пиксель. Когда создается электрическое поле между водным и электродным слоями, напряжение между изоляционным покрытием и водой меняется, вызывая перемещение воды в сторону от масла. Как результат образуется частично прозрачный пиксель или, в случае использования отражающей белой пленки, белый пиксель.
Electro-wetting
Дисплеи основанные на электроувлажнении (electro-wetting) обладают несколькими важными преимуществами. Прежде всего переключение между белым и цветным отражением происходит со скоростью, достаточной для воспроизведения видеоконтента. Более того, технология чрезвычайно энергосберегающая, а дисплеи, на ней основанные, могут быть тонки и плоски. Контрастность данных устройств не уступает и порой превосходит другие отражающие дисплеи, приближаясь по значению к бумаге. К тому же данная технология в перспективе позволит создать дисплеи в 4 раза более яркие, чем отражающие жидкокристаллические и в два раза более яркие, чем уже существующие все прочие передовые наработки в этой отрасли.
Вместо использования красного, зеленого и синего фильтров, которые воспроизводят желаемый цвет только в одной трети светоотражающего дисплея, electro-wetting позволяет системе, где доступен только один суб-пиксель, переключать два цвета независимо.
Это дает возможность двум третям дисплея отражать желаемый цвет. Такой эффект достигается за счет создания пикселя с набором из двух независимо контролируемых цветных масляных пленок и цветового фильтра. Используемые цвета представлены CMY (cyan – голубой, magenta — пурпурный, yellow — желтый), которые также называются субстрактивными. Изображение формируется с помощью трех этих цветов, которые получаются путем вычитания красного, зеленого, синего из белого – принцип схож со струйными принтерами. В сравнении с LCD двойное превосходство достигается засчет отсутствия необходимости использования поляризаторов.
Бистабильные LCD
Некоторые компании выпускают электронную бумагу, функционирование которой основано на принципе работы бистабильного ЖК-дисплея. Так французская компания Nemoptic производит черно-белые и цветные жидкокристаллические e-paper-дисплеи по данной технологии. Она называется BiNem. В чем суть: есть два стабильных состояния — Uniform (U) и Twisted (T), которые избираются путем запуска простого импульса. Когда один из вариантов избран, он сохраняется без дополнительного потребления энергии, до тех пор пока очередным импульсом не будет изменен на другой. Бистабильные дисплеи отличает высокие отражающая способность и разрешение, достигающее 200 пикселей/дюйм.
Менее распространенные технологии
Электронную бумагу производят также с использованием холестерических ЖК-дисплеев (в них использованы жидкие кристаллы со спиральной структурой без упорядоченного расположения в слое). Некоторые исследователи пытаются создать e-paper на основе органических транзисторов, встроенных в гибкий субстрат, в том числе обычную бумагу.
Ведутся разработки и цветной электронной бумаги, состоящей из тонкого цветного оптического фильтра, добавленного к монохромному дисплею, выполненного по технологии описанной выше. Пиксели разделены на триады, состоящие из стандартных голубого, пурпурного и желтого, наподобие того как это реализовано с RGB-цветами в CRT-мониторах. Но для коммерческого производства e-paper, в форме газет, например, намного лучше, если будут применены CMYK-цвета, так как это позволит более ясно воспринимать отображаемую информацию.
Преимущества перед ЖК-дисплеями
Электронную бумагу отличают:
-
низкое энергопотребление
-
зачастую гибкая конструкция
-
наилучшая читабельность: благодаря малому размеру пикселя пользователь получает высокие яркость и контрастность
-
электронные чернила могут быть «напечатаны» на любой поверхности: от стен и досок объявлений до маек и ценников в розничных магазинах
-
их консистенция позволит изготовить цилиндрические дисплеи, информативные на все 360о
Применение электронной бумаги
Электронные книги
В ноябре 2006 г. на рынке представлено устройство для чтения электронных книг iRex iLiad, позволявшее открывать документы в PDF и HTML форматах, а в июле 2007 г. к ним был добавлен еще и Mobipocket PRC.
Значительным ограничением была цена, которая, однако, снизилась в два раза после появления в продаже конкурента – Cybook.
Позже в этом же году Amazon стали выпускать свое устройство для чтения на основе электронной бумаги — Amazon Kindle — в настоящее время оно доступно по цене $300-400.
В сфере образования
В январе 2007 г. в средней школе голландского города Maastricht был начат пробный проект по замене традиционных учебников на электронные книги с целью облегчения жизни школьникам: их лишили необходимости носить множество тяжелых книг, а также позволили государству и родителям сэкономить, так как исчезли затраты на печать и доставку необходимой литературы.
Газеты
В феврале 2006 г. фламандская газета De Tijd анонсировала начало издании электронной версии для ограниченного количества подписчиков с целью проведения маркетингового исследования. В качестве устройства для чтения предлагался iRex iLiad. Это был первый опыт издания газет с использованием электронной бумаги.
В сентябре 2007 г. французская ежедневная газета Les Echos заявила о начале выпуска электронной версии газеты на подписной основе. Издание предложило читателям два варианта: подписка над год с использованием iRex iLiad или легкого 176 г устройства от Ganaxa, специально разработанного и адаптированного для Les Echos.
Встроенные в банковские карты дисплеи
Гибкие карты с дисплеями позволяют владельцам генерировать одноразовый пароль для снижения риска мошенничества при совершении банковских операций.
Мобильные телефоны
Электронная бумага может быть использована в качестве дисплея для бюджетных моделей мобильных телефонов. Motorola Motofone стал первым примером мобильного телефона, в котором применена данная технология для элиминации бликов при использовании его в солнечную погоду.
Перспективы
В настоящее много компаний одновременно ведут разработку электронной бумаги. Основные задачи, которые они перед собой ставят в разработке e-paper, следующие: создание подходящей оболочки, соответствующего чернила или другой субстанции (e-ink) для ее заполнения, а также разработка адекватной электроники для активации электронных чернил.
Производство электронной бумаги, по заверениям изготовителей, должно стать более дешевым и более простым по сравнению с традиционной индустрией жидкокристаллических дисплеев.
Лучшим продуктом с использованием электронной бумаги является, безусловно, цифровая книга, которая в дальнейшем позволит читать так же комфортно, как обычные бумажные издания, а также даст возможность скачивать и знакомиться с любыми изданиями. Другим перспективным применением электронной бумаги может стать широкий выпуск в таком формате периодических изданий.
Заключение
Отличные показатели четкости и контрастности, более дешевое производство, малая масса, низкое энергопотребление и гибкая конструкция – те черты, которые позволят производителям электроники в скором времени с охотой использовать e-paper-дисплеи в портативных устройствах и информационных экранах. Учитывая преимущества качества отражаемого изображения и экономические преимущества применения данной технологии, пользователи только выиграют от подобных усовершенствований.
