Электронная бумага: из мира научной фантастики – в реальность

Электронная бумага может стать решением целого ряда экологических проблем, например позволит сократить вырубку лесов, снизить потребление энергии, тем самым дав фору и целлюлозе, и традиционным мониторам. Благодаря ей многие фантастические идеи войдут в нашу реальную жизнь: анимированная упаковка и этикетки, газеты и журналы, которые самостоятельно «освежают» свое содержание, многостраничные книги толщиной в один лист…

Если говорить о потенциальных сферах использования электронной бумаги, то для начала следует назвать портативные устройства для чтения. Высококонтрастные, экономные в потреблении электроэнергии, тонкие, прочные, гибкие и потенциально дешевые носители как нельзя лучше подошли бы для цифровых журналов, газет, книг, просмотра фотографий, а при наличии сенсорной поверхности даже заменили бы блокнот и карандаш. Первые гэджеты с электрофоретическими экранами, например Sony LIBRIe2 или Jinke Hanlin V8, уже появились на рынке.

Кстати, на прошедшей в Лас-Вегасе выставке Consumer Electronic Show (CES) были представлены как минимум две свежие разработки в этой области. Одна из них – устройство Sony Reader, предназначенное для чтения книг в электронном виде. Благодаря функции поддержки импорта RSS-потоков оно способно автоматически обновлять информацию из Интернета через компьютер. Как сообщается, Sony Reader должен поступить в продажу по цене от $300 до 400. Правда, он имеет жесткую стеклянную подложку, в отличие от второго «электронно-бумажного» решения, показанного на CES.

Philips продемонстрировала прототип гибкого дисплея Polymer Vision PV-QML5 с диагональю 5", разрешением 320×240 точек и отображением четырех оттенков серого, изготовленный с применением технологии E-Ink, а также портативное устройство Readius, оборудованное этим экраном. Последний может быть скручен в трубочку диаметром всего 7,5 мм, толщина же самой матрицы составляет 0,1 мм.

Интеллектуальные ценники на полках супермаркетов – еще один вариант применения цифровой бумаги. Это очень простые устройства, состоящие из электронного дисплея, источника энергии и приемника. Такие ценники не нужно переписывать вручную – все изменения быстро и легко вносятся через центральный компьютер. Изображение прекрасно различимо под любым углом; дисплеи потребляют очень мало энергии и способны прослужить до шести лет.

По подобному же принципу могут действовать электронные доски объявлений и постеры, POP-мониторы и другие конструкции, предназначенные для продвижения товаров и услуг. Корейская компания Neolux Corporation уже снабжает супермаркеты и магазины «чернильными» дисплеями, оснащенными программирующим устройством. Благодаря им использование анимационной рекламы, эффективность которой для розничной торговли давно признана, теперь уже не ограничивается внешним видом, размером, ценой и энергопотреблением устройств при ее демонстрации.

Недаром именно этот способ выбрала компания Microsoft – согласитесь, весьма солидный заказчик. В Южной Корее она таким образом продвигает игру Jade Empire для своей приставки Xbox. «Бумажные» дисплеи способны до полугода обеспечивать непрерывную анимационную демонстрацию всего лишь на двух батарейках AA, а значит, как нельзя лучше подходят для использования в условиях ограниченного доступа к энергопитанию. К тому же изображение на них хорошо видно под любым углом и при любом освещении.

Электронная бумага могла бы стать отличным решением для кредитных карт. Их пользователи испытывают неудобства, связанные с необходимостью доступа к считывающему устройству, чтобы узнать оставшуюся на счету сумму. Данную проблему решил бы встроенный дисплей, но LCD-экраны для этого слишком дороги, хрупки и «прожорливы». А вот «бумажный» дисплей – дешевый и прочный, и питание ему требуется лишь для изменения изображения, что обычно происходит при контакте со считывающим устройством. Если последнее оснастить зарядным приспособлением, то для карт даже не потребуются батарейки.

Электронная бумага в мобильных телефонах и различных наладонниках, в игрушках и учебных устройствах, в интеллектуальной и анимированной упаковке – эти идеи уже не только разрабатываются, но и воплощаются в жизнь. Например, на ювелирно-часовой выставке BASELWORLD 2005 компании Seiko Watch и Seiko Epson демонстрировали наручные часы из цифровой бумаги. Еще одни часы, только уже настенные, представила японская Citizen 12 декабря 2005 г. Размер их гибкого дисплея – 23×36 см, потребление электроэнергии в 20 раз ниже, чем у традиционного электронного аналога такого же размера, а масса всего 1,5 кг при толщине конструкции 3 мм. Причем изображение легко различимо даже под углом, близким к 180°.

А «коктейль» из цифровой бумаги и RFID-технологии (радиочастотная идентификация) позволит создать «умные» билеты, которые, не только выполнят функцию пропуска, но и обеспечат пользователя множеством полезной информации.

Что же касается устройств для чтения книг, зедсь может возникнуть проблема защиты авторских прав: вряд ли издатели молча стерпят внедрение столь удобного инс-трумента для кражи интеллектуальной собственности. Обязательными составляющими рыночного успеха таких «книжиц» являются надежные системы защиты от пиратства и отшлифованное законодательство – по крайней мере Украина пока не может похвастаться ни тем, ни другим. Хотя, с другой стороны, IT-продвинутая публика уже давно читает тексты с КПК или даже мобильных телефонов, которые, помимо этого, имеют еще массу полезных функций.

Другая причина «торможения» идеи электронной бумаги кроется в себестоимости производства, каковую пока не удается снизить до желаемого уровня. К примеру, именно из-за этого вышла из игры компания Xerox, хотя ей, собственно, и принадлежат первые разработки в данной области. Совсем недавно, в январе 2006 г., она заявила о закрытии подразделения Gyricon Media, объяснив, что оказалась неспособной обеспечить производство задних панелей для электронной бумаги Gyricon стоимостью меньше чем $10 за квадратный фут и сочла это критичным для рыночного успеха вывесок, изготовленных по такой технологии.

Впрочем, таковы уж законы природы и рынка – выживают сильнейшие. И есть еще много производителей, очень оптимистично оценивающих шансы электронной бумаги. Так, устройство для чтения документов Sony Reader начнет продаваться уже в первом квартале этого года, а вскоре (в апреле) должны стартовать поставки монохромных дисплеев Hitachi для рекламных щитов и вывесок (100 dpi, толщина 1 см, диагональ 13,1"). Руководство Fujitsu обещает начать массовое производство и реализацию цветной цифровой бумаги в марте 2007 г. А Seiko Epson в 2007–2008 гг. планирует запустить в продажу портативные устройства с «бумажными» экранами и в ближайшие пять лет нагрянуть на рынок книг, газет и журналов со сворачиваемыми дисплеями формата А4. Что ж, скоро мы узнаем, осуществимы ли эти обещания и насколько реально увидеть очередной номер «Домашнего ПК» толщиной в один лист.

Как это работает

Электронные чернила: капля за каплей

Идея создания электронной бумаги будоражила человеческие умы не один десяток лет, прежде чем в 1997 г. ученые из Массачусетского технологического института изобрели уникальный способ формирования изображения с помощью так называемых электронных чернил. Незамедлительно возникла одноименная корпорация E-Ink, призванная совершенствовать и коммерциализировать разработанную технологию.

E-INK Микрокапсулы-пикселы

А заключается принцип действия электронных чернил в использовании такого физического явления, как электрофорез (рис. 1). Активный слой экрана содержит миниатюрные (примерно в толщину человеческого волоса) прозрачные капсулы с черными и белыми частичками, которые по-разному реагируют на изменение электрического потенциала: позитивно заряженные белые частицы притягиваются к отрицательно заряженным электродам, а негативно заряженные черные – к контактам, имеющим положительный заряд. Таким образом, в зависимости от значения электрического потенциала пользователь будет наблюдать на экране электронно-чернильного дисплея появление белых или черных пятен. Сформировав управляющую электродами матрицу и расположив над ней активную область экрана с микрокапсулами, можно создавать довольно большие и сложные изображения. Они остаются на дисплее даже при отсутствии питания, требующегося только для изменения картинки – такая экономия энергии является немаловажным преимуществом для портативных устройств. Впрочем, данная разработка не лишена и недостатков, главный из которых – слишком большая инерционность. Четырех кадров в секунду явно маловато для отображения видео, хотя для текстовой информации этого достаточно, тем более что разрешение 170 dpi и отсутствие мерцания создают все условия для комфортного чтения.

Первый прототип цветного электронно-чернильного дисплея, представленный общественности в 2001 г., стал плодом сотрудничества E-Ink с TOP-PAN Printing Company – мировым лидером по производству цветных фильтров для плоскопанельных мониторов. Разработкой дисплеев высокого разрешения для использования в электронных книгах, КПК, устройствах мобильной коммуникации и т. п. E-Ink занялась совместно с корпорацией Royal Philips Electronics, а Lucent/Bell Labs стала ее партнером в создании электронной бумаги на основе гибких пластиковых дисплеев.

Шарики да ролики

Однако ученые Массачусетского технологического института (MIT) были не первыми, кому пришла в голову мысль об электронной бумаге. Более чем на 10 лет их опередили сотрудники Xerox, которые в знаменитых лабораториях Palo Alto Research Center разработали концепцию под названием Gyri-con. Но по каким-то причинам исследования были приостановлены, возможно, в ожидании появления конкурентов, что и произошло в конце 90-х гг., когда MIT явил свету собственное детище. И вот 6 декабря 2000 г. была основана дочерняя компания Gyricon Media, в чьи задачи входил серийный выпуск и продвижение так называемой электронной бумаги многоразового использования. Первыми изделиями, изготовленными по технологии Xerox, стали специальные вывески для центров розничной торговли.

Дебютировали такие двухцветные указатели размером 27,5×35 см с ценами и текстом, как и обещали представители Xerox, уже в июне 2001 г. в магазинах Macy’s штата Нью-Джерси. Изображения на этих бумажных с виду экранах обновлялись в считанные секунды с помощью беспроводного пульта.

GYRICON Вращающиеся шарики

На самом деле электронная бумага Gyricon (рис. 2) представляет собой тонкий слой полиэтилена с множеством микроскопических шариков, рассеянных по поверхности слоя. Они находятся в заполненных жидкой субстанцией впадинах, где могут свободно вращаться. Каждый раскрашен в два цвета, чаще всего – в черный и белый.

Шарики обладают электрическим зарядом и реагируют на электромагнитное поле, обращаясь к наблюдателю в каждый момент какой-то одной стороной. На листе цифровой бумаги может образовываться любая комбинация двух цветов, в зависимости от определенного электромагнитного поля на его поверхности. Это изображение остается до тех пор, пока не будет создано другое электромагнитное поле.

Масло и вода: сила несовмеcтимости

Вскоре после появления первых образцов электронной бумаги многие игроки IT-рынка по достоинству оценили потенциал этой идеи. Боясь упустить предполагаемую золотую жилу, они бросились копать: кто вглубь, опираясь на сотрудничество с E-Ink, а кто вширь, принявшись развивать собственные технологии. Настоящие же стратеги, такие как компания Philips, решили не ставить все на одну карту. Начав в 2001 г. партнерство (и довольно плодотворное) с E-Ink, она параллельно работала и над другими вариантами воплощения данной концепции в жизнь.

Электросмачивание

Усилия оказались не напрасными: в сентябре 2003 г. исследовательская лаборатория Philips Rese-arch представила технологию электронной бумаги, действующую по принципу электросмачивания (рис. 3). Каждый ее пиксел – это взвешенная в водянистой среде капелька масла, которая в обычных условиях растекается по всей ячейке, образуя под действием сил поверхностного натяжения пленку на воде. Если же создать электрическое поле достаточной величины, масло начнет собираться в каплю, освобождая при этом большую часть водной поверхности. Подложка-электрод выполнена из водоотталкивающего материала, так что масло прилипает к ней, а после исчезновения напряжения тут же растекается обратно. Ячейки разделены перегородками толщиной около 5 мкм, а сверху вся эта конструкция герметично закрыта слоем стекла с напыленным вторым электродом, потому дисплей пока получается жестким. Однако разработчики утверждают, что вместо стекла удастся использовать полимерные пленки, и тогда экран можно будет сворачивать в трубочку и класть в карман.

Итак, при отсутствии напряжения получается темная точка, поскольку масляная пленка плохо отражает падающий свет, а при его подаче – светлая, так как масло освобождает большую часть поверхности. И чем выше прилагаемое напряжение, тем сильнее сжимается капелька «чернил», что сулит огромные возможности по передаче градаций серого. Быстродействие такой ячейки составляет примерно 12 мс. Что касается разрешающей способности экрана, то она напрямую зависит от размера ячеек, а тут перспективы весьма радужны: уже на стадии предварительных испытаний была опробована матрица с разрешением 160 ppi. В принципе реально и получение полноцветного изображения при использовании четырех субпикселов, окрашенных по стандарту CMYK.

Эта модель в отличие от электрофоретической применима благодаря высокой частоте смены кадров и для показа видео. Однако для поддержки изображения ей требуется постоянное питание – правда, довольно скромное. Коммерческие поставки таких дисплеев Philips планирует начать к 2010 г.

На арену выходит нано

На этом список технологий, претендующих на звание электронной бумаги, не исчерпывается. Все в том же 1997 г., когда в Массачусетсе закладывались основы корпорации E-Ink, по другую сторону Атлантики и на базе другого университета – Дублинского – появилась фирма под названием NTera, которая разработала дисплей NanoChromics, или NCD. Первый его прототип был представлен в ноябре 2001 г. совместно с компанией Densitron Technologies.

NANOCHROMICS «Чернила на бумаге»

Принцип работы ирландского экрана на первый взгляд довольно прост (рис. 4). На отражающий слой наночастиц диоксида титана (химического соединения, придающего белоснежность обычным бумажным листам) наносится электрохромный слой из виологена (прозрачного полимера с нанопористой структурой), который под действием электрического заряда способен терять прозрачность, достигая при этом уровня насыщенного темно-синего цвета. Пространство между диоксидом титана и виологеном заполнено специальным электролитом.

«Выключенный» экран выглядит абсолютно белым, а при подаче напряжения на определенные участки NanoChromics формируется изображение с хорошей контрастностью – разработчики недаром окрестили этот дисплей ink-on-paper («чернила на бумаге»). Его угол обзора составляет 180°, а благодаря значительной мобильности пигментного слоя на основе электрохромных наночастиц достигается высокая частота смены кадров (до 60 кадров в секунду).

К тому же NCD нетребовательны к температурным условиям: например, настольные часы на их основе работают и при -35, и при +80 °С.

Надо сказать, что для прорисовки начального изображения экран потребляет довольно много энергии, однако полученная картинка остается на нем в течение долгих дней или недель, не нуждаясь в питании. Все выпущенные дисплеи компании пока монохромны, но представители NТera утверждают, что в дальнейшем этот недостаток может быть устранен. Кроме того, NTera уже продемонстрировала прототип NCD на основе гибкой подложки и сейчас работает над ее удешевлением и упрочнением.

Жидкокристаллический реванш

Интересно, что разработчики всех вышеописанных «бумажных» технологий, перечисляя преимущества своих продуктов, непременно противопоставляют их недостаткам жидкокристаллических мониторов: мол, и контрастность у них ниже, и угол обзора меньше, и энергопотребление высокое, и мерцание неприятное… Что же, старик LCD, проработав на рынке свыше тридцати лет, морально обветшал и обречен на гибель под натиском более продвинутых технологий?

Отнюдь нет! У ЖК-дисплеев, как оказалось, остается еще немало нераскрытых козырей. Один из них – холестерические жидкие кристаллы, которые, в отличие от традиционных нематических, обеспечивают меньшее потребление энергии, стабильность и высокую отражательную способность. Их молекулы расположены в форме спирали, в зависимости от осевого направления которой падающий свет отражается или поглощается. Изменение этого аксиального направления обеспечивается посредством приложенного к кристаллам напряжения.

Именно этот принцип использовала компания Fujitsu в своей версии электронной бумаги, которую представила в июле 2005 г. Она состоит из трех слоев холестерических жидких кристаллов. Каждый слой содержит пикселы определенного цвета – красного, синего или зеленого (RGB), а четвертый, находящийся поверх предыдущих, защищает их от возможных повреждений и предотвращает искажения картинки при изгибе пластины бумаги. Образец имеет диагональ 3,8" и толщину 0,8 мм (в будущем она может еще уменьшиться). Количество отображаемых оттенков пока не слишком велико и составляет 512. Для поддержания картинки электронная бумага Fujitsu не требует постоянного питания – энергия расходуется только в момент изменения изображения. Потребляемая мощность представленного прототипа в десятки раз ниже, чем у обычных мониторов. Кроме того, она гнется, а изображение не блекнет в отраженном свете, т. е. при нормальном дневном освещении. Многие аналитики именно гибким LCD пророчат крупнейшую долю на рынке электронной бумаги в период с 2010 по 2020 г.

Кроме того, к теме данной статьи условно можно отнести разработанную в 80-х гг. в Великобритании технологию OLED (Organic Light Emitting Diode). Свойство некоторых органических полимеров излучать свет при подаче на них напряжения позволяет создавать сверхтонкие (до 10 мкм) полноцветные экраны с углом обзора почти 180°. Пока по ряду технологических причин их не удается сделать гибкими, они нестабильны и, будучи светоэмиссионными по своей природе, не могут использоваться при ярком свете.

ITC.UA