Электронная бумага

Электронная бумага - технология отображения информации, которая имитирует обычные чернила на бумаге. В отличие от традиционных жидкокристаллических экранов, в которых используется подсветка матрицы для формирования изображения, электронная бумага отражает свет как обычная бумага. Она может отображать текст и изображения как угодно долго, не потребляя при этом электроэнергию, в то же время, позволяя изменять изображение.

Для создания электронной бумаги существует несколько технологий, некоторые из которых используют пластиковую подложку и электронику так, получаемый гибкий дисплей. Электронная бумага должна быть более удобна для чтения, чем обычные дисплеи. Это достигается благодаря стабильному изображению, которое не требует постоянного обновления, широкому угловому обзору, а также потому, что электронная бумага отражает внешний свет, а не излучает собственное. С электронной бумаги можно читать при прямом солнечном свете без потери изображения. Контрастность у устройств, доступных в 2008-году была примерно такая, как у обычной газеты, в то же время в более новых устройствах она несколько лучше. В дальнейшем же ожидается соревнования между производителями, заключающиеся в создании полноцветной электронной бумаги.

Электронная бумага применяется как электронные ценники в магазинах, расписания на остановках общественного транспорта, дисплее в мобильных телефонах и в устройствах для отображения цифровых версий книг и журналов. Электронная бумагу не следует путать с цифровой бумагой, которая является основой для создания рукописных цифровых документов с помощью цифровой ручки.

Технология

Электронная бумага была впервые разработана в 1970-ых годах, Ником Шеридоном (англ. Nick Sheridon) в исследовательском центре компании Xerox, в Пало Альто (англ. Xerox's Palo Alto Research Center). Первая электронная бумага под названием Gyricon состояла из полиэтиленовых сфер, диаметром 75-106 мкм. Каждая сфера - это частица Януса, который состоит из отрицательно заряженного черного пластика с одной стороны и положительно заряженного белого пластика с другой. Все сферы помещаются в прозрачный силиконовый лист, причем каждая сфера «подвешенная» в пузырьке масла для того, чтобы она могла свободно вращаться. Полярность напряжения, приложенного к каждой паре электродов, определяет, какая сторона сферы - белая или черная - есть на лицевой стороне, таким образом, задавая белое или черное проявление. На выставке FPD 2008, японская компания Soken продемонстрировала стену из электронной бумаги, используя эту технологию.

Электрофоретические дисплеи

Электрофоретический дисплей формирует изображение путем переразмещения заряженных пигментных частиц с помощью электрического поля.

В простейшей реализации электрофоретического дисплея, являются частицы диоксида титана, с диаметром около одного микрометра, диспергированные в минеральном масле. Черная краска добавляется в масла, а также сурфактанты и примеси, регулирующие заряд (англ. Charge Control Agent, CCA) в частицах. Эта смесь помещается между двух ведущих пластин, разделенных промежутком 10-100 мкм. Когда прикладывается напряжение вдоль пластин - частицы движутся электрофоретически к пластине, что несет противоположный заряд к заряду частиц. Когда частицы находятся на передней (лицевой) панели дисплея, он выглядит белым, поскольку свет отражается от титановых частиц с высоким показателем преломления. Когда частицы размещены на задней стороне дисплея, то он выглядит темным, поскольку случайный свет абсорбируется цветной краской. Если задний электрод разделен на ряд маленьких областей (пикселей), то изображение формируется путем приложения соответствующего напряжения в каждой области дисплея, чтобы создать соответствующую последовательность областей отражения и поглощения света.

Электрофоретические дисплеи рассматриваются как основные примеры технологии электронной бумаги, за их сходство с обычной бумагой и малое потребление электроэнергии.

Примеры коммерческих электрофоретических дисплеев включают дисплеи с активной матрицей высокого разрешения, используемые в таких устройствах для чтения электронных книг как Amazon Kindle, Barnes Noble Nook, Sony Librie, Sony Reader и iRex iLiad. Эти дисплеи изготавливаются из электрофоретической пленки, разработанной компанией E Ink Corporation. Также технология была разработана компаниями Sipix (Microcup) и Bridgestone (Quick Response Liquid Powder Display, QR-LPD). Motorola FONE F3 был первым мобильным телефоном, который использовал эту технологию, чтобы избежать бликов от прямого солнечного света.

Электрофоретические дисплеи могут изготавливаться, используя процесс Electronics on Plastic by Laser Release (EPLaR), что является разработкой Philips, чтобы задействовать существующие заводы по выпуску AM-LCD для изготовления гибких пластиковых дисплеев.

Разработка

В 1990-ых годах Джозеф Якобсон (англ. Joseph Jacobson) изобрел другой тип электронной бумаги. Впоследствии он основал компанию E Ink Corporation, которая совместно с Philips Components через два года разработала и вывела эту технологию на рынок. В 2005-ом году Philips продали бизнес электронной бумаги вместе со связанными патентами компании Prime View International. Эта разработка использовала крошечные микрокапсулы с электрически заряженными частицами, погруженными в цветные смазки. В ранних версиях базовая схема контролировала, какие частицы будут сверху капсулы, какие внизу. Это, по сути, было использование той же электрофоретической технологии, однако использование микрокапсул позволило сделать экран на гибких пластиковых листах вместо стекла.

Ранняя версия электронной бумаги содержала письмо с очень маленькими прозрачными капсулами размерами около 40 мкм. Каждая капсула содержала вяжущее вещество с черной краской (электронные чернила) с многочисленными частицами диоксида титана, погруженными в нее.

Микрокапсулы находятся в слое жидкого полимера, зажатые между двумя массивами электродов, верхняя из которых является прозрачным. Два массива расположены так, что письмо состоит из точек, и каждому пикселю соответствует пара электродов, расположенных по обе стороны листа. Письмо является ламинированным, из прозрачного пластика для защиты, в результате чего общая толщина является 80 мкм, или вдвое больше, чем у обычной бумаги.

Сети электродов соединены со схемой дисплея, которая «включает» и «выключает» электронные чернила для некоторых точек, прикладывая напряжение в соответствующие пары электродов. Применение отрицательного заряда к поверхности электрода отталкивает частицы на дно локальной капсулы, выжимая черную краску на поверхность и давая пикселю черный вид. Изменение напряжения имеет противоположный эффект - частицы вынуждены удаляться от поверхности, давая пиксель белого цвета. Последнее воплощение этой концепции требует только одного слоя электродов для микрокапсул.

Электросмачивающийся дисплей

Электросмачивающийся дисплей (англ. Electro-wetting display, EWD) базируется на контроле формы закрытого водяного / масляного интерфейса приложением напряжения. При отсутствии напряжения цветное масло формирует плоскую пленку между водой и гидрофобным (водоотталкивающим) веществом, изолируя покрытие электродов, в результате чего пиксель является окрашенным. Когда прикладывается напряжение между электродом и водой, поверхностное натяжение между водой и покрытием меняется. В результате получено состояние, которое не является более стабильным, что является причиной того, что вода вытесняет масло в сторону.

В результате получается частично прозрачный пиксель или белый пиксель в случае, если отражающая белая поверхность используется переменным элементом. Через малый размер пикселей пользователь испытывает лишь среднее отражение.

Дисплеи на основе электросмачивания, имеют несколько привлекательных особенностей. Переключение между белым и цветным отображением является достаточно быстрым для отображения видео. Это технология, которая требует низкой мощности и напряжения, и дисплеи на основе эффекта можно сделать плоскими и тонкими. Отражения и контраст достигаются лучшими или такими же, как в других отражательных дисплеях, близкие к обычной бумаге.

Кроме того технология обеспечивает уникальный путь к полноцветным дисплеям высокой яркости, и ведет к дисплеям, в четыре раза более яркие, чем отражательные LCD и в два раза ярче других новейших технологий.

Вместо того, чтобы использовать, красный, зеленый и синий (RGB) фильтры или альтернативные участки из трех основных цветов, что фактически ведет к тому, что лишь треть дисплея отражает свет в нужном цвете, электросмачивание позволяет систему, в которой отдельный пиксель может независимо переключать два разных цвета. В результате получается то, что две треть дисплея отражает свет в любом нужном цвете. Это достигается путем создания точек со стеком из двух независимо управляемых окрашенных пленок масла плюс цветной фильтр.

Используются цвета голубой, пурпурный и желтый, которые являются так называемой субтрактивной системой, которую можно сравнить с принципом, который используется в струйной печати. Сравнивая с LCD, получается еще один множитель два к яркости, поскольку не нужно поляризаторов.

Электрофлюидные дисплеи

Электрофлюидные дисплеи являются вариантом, построенным на основе электросмачивания. Электрофлюидные дисплеи помещают в водную, пигментную дисперсию, в крошечный резервуар. Резервуар состоит из 5-10% видимой области точек и поэтому пигмент существенно скрыт от глаз. Напряжение используется для того, чтобы электромеханическии вытолкнуть пигмент из резервуара и распространить его как пленку, непосредственно за визуализирующую подложку. Как результат, по цвету и яркости дисплей занимает место аналогичное обычным пигментам, напечатанных на бумаге. Когда напряжение снимается, то поверхностное натяжение жидкости является причиной того, что дисперсия пигмента быстро отдается в резервуар. Как сообщалось Issue of Nature Photonics, в мае 2009 года, технология потенциально может обеспечить 85% отражения белого состояния для электронной бумаги.

Основная технология была изобретена в Novel Devices Laboratory, в университете Цинциннати. В данное время технология вводится на рынок компанией Gamma Dynamics.

Другие технологии

Другие исследования электронной бумаги были связаны с использованием органических транзисторов, встроенных в гибкие подложки, включая попытки встроить их в обычную бумагу. Простая, цветная, электронная бумага состоит из тонких цветных светофильтров, добавленных в монохромную технологию, описанную выше. Массив пикселей делится на триады, как правило, которые состоят из стандартных голубого, пурпурного и желтого, так же как и у мониторов с электронно-лучевой трубкой (хотя используя субтрактивные, основные цвета в противоположность к аддитивным основным цветам). Дисплей тогда контролируется, как и любой другой электронный цветной дисплей.

Применение

Несколько компаний одновременно разрабатывают электронную бумагу и чернила. Хотя технологии, используемые в каждой компании, обеспечивают в большинстве те же функции, каждая имеет свои отдельные технологические преимущества. Все технологии электронной бумаги сталкиваются с такими проблемами:

Метод инкапсуляции.
Чернила или активный материал для заполнения дисплея.
Электроника для активации чернил.

Электронные чернила могут быть применены как к гибким, так и к жестким материалам. В случае гибких дисплеев, основа требует тонкого гибкого материала и в то же время достаточно жесткого, чтобы выдерживать значительный износ, например, очень тонкий пластик. Как чернила заполняется и затем применяются к подложке, является тем, что отличает одну компанию от другой. Эти процессы являются сложными и тщательно охраняются как промышленные тайны. Производство электронной бумаги обещает быть менее сложным и менее затратным, чем традиционные LCD-дисплеи.

Есть много подходов к электронной бумаге, при этом есть много компаний, которые разрабатывают технологии в этой области. Преимущества электронной бумаги включают низкое потребление энергии (энергия потребляется только когда обновляется дисплей), гибкость и удобность чтения. Электронные чернила можно напечатать на любой поверхности, включая стены, рекламные щиты, этикетки продуктов и футболки. Гибкость краски также сделает возможным разработку дисплеев сворачивающихся, для электронных устройств.

Коммерческое применение

Цифровые учебники

В январе 2007 года, голландские специалисты из электронной бумаги начали проект в средней школе, в Маастрихте, с использованием электронной бумаги как цифровых учебников для того, чтобы сократить расходы и ежедневный вес книг для студентов.

Наручные часы

В декабре 2005 года Seiko выпустила свой ??спектр наручных часов SVRD001, которые имели гибкий электрофоретический дисплей, а в марте 2010-ого, Seiko выпустила второе поколение этих знаменитых часов на основе электронных чернил, с дисплеем, с активной матрицей.
Комания из Гонконга Phosphor выпустила три серии часов с использованием гибких электрофоретических дисплеев, с технологией электронных чернил.

Электронные книги

В 2004 году Sony выпустила Librie EBR-1000EP в Японии, первое устройство для чтения электронных книг, с дисплеем на основе электронной бумаги. В сентябре 2006 года, Sony выпустила в США устройство PRS-500 Sony Reader, для чтения электронных книг. 2 октября 2007, Sony анонсировала PRS-505, обновленный вариант Reader. В ноябре 2008 года Sony выпустила PRS-700BC, в который были включены подсветки и сенсорный экран.
В ноябре 2006 года iRex iLiad был готов к потребительскому рынку. Потребители могли сначала читать электронные книги в форматах PDF и HTML, и в июле 2007 года была добавлена ??поддержка популярного формата Mobipocket PRC, но цены все еще ??были проблемой для многих. С появлением конкурирующих Cybook, цены снизились почти на 50%.
В конце 2007 года, Amazon начал производство и маркетинг Amazon Kindle, электронные книги с дисплеем из электронной бумаги. В феврале 2009 года Amazon выпустил Kindle 2, а в мае 2009 года было анонсировано больше Kindle DX. В июле 2010 года было анонсировано третье поколение Kindle.
В ноябре 2009 Barnes and Noble выпустили Barnes Noble Nook на основе операционной системы Android. Устройство отличается от других известных устройств тем, что имеет сменный аккумулятор и отдельный сенсорный экран ниже основного экрана для чтения.

Газеты

В феврале 2006 года, фламандская ежедневная газета De Tijd распространила электронную версии издания для избранных подписчиков, для ограниченного маркетингового исследования, используя пресс-релиз версии iRex iLiad. Это было первое зарегистрированное применение электронных чернил для издательства газет.
В сентябре 2007 года французская газета Les Echos объявила об официальном запуске электронной версии документа по подписке. Два предложения доступны, сочетающие годовую подписку и устройство для чтения.
С января 2008 года голландская ежедневная газета NRC Handelsblad распространяется для устройств iRex iLiad.

Другие области применения

Другие предлагаемые применения включают цифровые фоторамки и информационные щиты.