Реинкарнация бумаги

Андрей Борзенко

Несмотря на поразительные успехи современной техники в создании электронных средств отображения текста и графики, бумага по-прежнему остается важнейшим и незаменимым носителем информации. Это объясняется ее дешевизной, долговечностью, гибкостью, а также совместимостью с разными инструментами письма. Практически до конца прошлого века все попытки создать электронный аналог пары "бумага плюс чернила" на основе электрофореза мелких частиц или на жидких кристаллах не приводили к удовлетворительному результату. Либо изображение было недолговечно без внешнего питания, либо системы получались громоздкими, дорогостоящими и малоконтрастными. На сегодняшний день одним из безусловных лидеров в создании "электронной бумаги", а точнее, "электронных чернил" является корпорация E Ink (www.eink.com). Именно она заслуженно считается разработчиком и владельцем патентов на технологию "электронных чернил", позволяющую строить электронные дисплеи, которые отображают текст и графику, очень похожие на напечатанные на обычной бумаге. На протяжении почти всей истории этой компании (она была основана в 1997 г.) устраивались презентации ее достижений и демонстрировались прототипы будущих продуктов, находящиеся в самых различных стадиях проработки. Однако до практических результатов дело дошло совсем недавно.

Немного о технологии "электронных чернил". Объем сферической микрокапсулы заполняется суспензией из черных и белых микрочастиц. Каждая белая микрочастица представляет собой, например, застывшую каплю взвеси диоксида титана в расплавленном полиэтилене. Черные частицы получаются подобным же методом, но с добавлением черного красителя. Оба сорта частиц взвешиваются в неэлектропроводной смеси органических жидкостей. Образование на границах раздела жидкость – твердая частица двойного электрического слоя заставляет эти частицы двигаться в приложенном внешнем поле (явление электрофореза). В силу различия в электрохимических свойствах поверхностей белых и черных частиц (в частности, из-за электропроводности черного красителя) движение их в электрическом поле происходит в противоположных направлениях: белые частицы смещаются к аноду, черные – к катоду. Таким образом, включение внешнего электрического поля приводит к быстрому окрашиванию одного полушария капсулы в белый цвет, а другого – в черный. Для предотвращения коагуляции частиц с "присоединенными" зарядами противоположного знака они покрываются специальным полимером, который обеспечивает сильное отталкивание частиц при их сближении друг с другом. Поскольку диаметр частицы измеряется микронами, разрешение экрана фактически определяется разрешением электронной матрицы, управляющей состоянием капсул. Благодаря этому при изготовлении не нужно учитывать форму или размеры капсул, а также однородность цвета каждой из них, что значительно удешевляет производство. Кроме того, оптическое состояние чернил после приложенного импульса очень стабильно. Сформированное изображение остается разборчивым в течение нескольких месяцев. Получаемое изображение почти не отличается от напечатанного, легко читается без подсветки и под любым углом. Выполнив дисплей с "электронными чернилами" в виде тонкого листа пластика, можно превратить его в книгу, газету или журнал, наделённые возможностями обычных дисплеев. Использование специальных фильтров позволяет сделать изображение цветным.

По понятным причинам для создания "электронной бумаги" помимо технологии "электронных чернил" требуется также технология создания активной матрицы на пластиковой основе (для управления пикселами изображения). В этой области к разработкам E Ink подключилась компания Polymer Vision (www.polymervision.nl) – венчурное предприятие концерна Philips. Метод производства традиционных тонкоплёночных активных матриц, предназначенных для применения в жидкокристаллических дисплеях и использующих стеклянные подложки, не мог быть задействован для изготовления гибких устройств на основе органического пластика из-за высоких температур. Конструкция активной матрицы, предложенная учёными из Polymer Vision, предусматривала наличие четырёх слоёв: двух органических, выполняющих изолирующую и полупроводящую функции, и двух золотых, задающих структуру тонкоплёночных транзисторов и формирующих электрические соединения. В процессе изготовления такой матрицы упомянутые слои последовательно наносятся на подложку, в роли которой выступает недорогой пластик. Последний обладает обязательным свойством минимального накопления поверхностного заряда в электромагнитных полях. Для золотых слоев используется вакуумное напыление, причем в необходимом порядке проводящие элементы располагаются с помощью метода фотолитографии, аналогичного тому, что применяется при производстве микросхем. Органические слои получают путем выделения из раствора. Однако здесь, как полагают эксперты, подойдут и другие, недорогие с промышленной точки зрения методы.

Надо отметить, что специалисты Philips разработали и несколько иную технологию "электронных чернил". Так, вместо частиц сухого красителя используется жидкая масляная краска. Капля такой краски, помещённая в прозрачную, заполненную водой капсулу, растекается по её дну, покрытому водоотталкивающим материалом. В результате сторонний наблюдатель видит точку, окрашенную в определённый цвет. Поместив "пиксел" в электрическое поле, можно заставить растёкшуюся каплю красителя измениться в размерах, "свернуться", освободив пропорциональную напряжённости поля площадь дна капсулы и обнажив белую подложку. Чем выше напряжение, тем более светлым выглядит пиксел для наблюдателя. Механизм этот получил название "электрического смачивания" (electrowetting). Представители корпорации отмечают несколько преимуществ данной технологии, которые касаются количества оттенков серого, цветопередачи и более высокой частоты смены изображения (до 80 Гц).

Первое коммерческое применение

По мнению экспертов, электронные книги не получили широкого распространения во многом из-за тяжелых и громоздких устройств с дисплеями невысокого качества, которые предназначены для их чтения. Однако большинство экспертов не без оснований полагает, что в апреле прошлого года для электронных книг началась новая эпоха, поскольку с этого момента в Японии стартовали продажи первого в мире устройства для чтения электронных книг на основе технологии "электронных чернил" – Librie EBR-1000EP. Именно оно стало первым коммерческим продуктом, в котором была реализована новая технология отображения. Данное устройство является плодом трёхлетнего сотрудничества компаний Sony, Philips, TOPPAN Printing и E Ink.

Электронная книга Librie EBR-1000EP

В Librie применён микропроцессор Motorola Dragonball. Новинка от Sony, которая внешне действительно напоминает небольшую книгу, работает всего от четырёх гальванических элементов AAA, емкость которых, по некоторым оценкам, позволяет прочитать около 10 тыс. страниц текста (это примерно 40 романов или сотня толстых журналов). Весит устройство вместе с гальваническими элементами 300 г ("чистый" вес – 190 г), а его размеры составляют 12,6х19х1,3 см. Электронная книга имеет клавиатуру, разъёмы для наушников и дополнительной карточки Memory Stick, динамик и порт USB 2.0.

Но главное, что отличает Librie от обычного КПК, – это, конечно, шестидюймовый монохромный дисплей с разрешением 170 точек на дюйм (800(600 точек на экране). Как известно, на дисплеях КПК разрешение обычно существенно меньше. Стоит также отметить, что подобное разрешение обеспечивает восприятие текста, максимально приближенное к тому, когда читается текст с обычной бумаги. При этом особенности устройства экрана дают возможность получить высокую четкость изображения даже при ярком дневном освещении.

Электронная книга очень экономична. Поскольку дисплей потребляет ток только при изменении содержимого страницы, то по понятным причинам основным потребителем энергии он уже не является. Librie использует версию операционной системы Linux для Motorola Dragonball. Кстати, Sony также разработала Windows-эмулятор Librie для тех, кто приобрел продукт, но все равно иногда предпочитает читать тексты на ПК.

Стандарт Open MG, который используется в устройстве, позволяет купившим его и подписавшимся на онлайн-библиотеку загружать с Web-сайта периодические издания и электронные книги. Закрытость формата предусматривает, что для распространения своей продукции авторы и издатели должны будут договариваться с Sony.

Если же говорить о минусах, то в этом проекте электронной книги дисплей не является гибким, поскольку заключён в пластиковый корпус. Между тем и Philips, и E Ink особую ставку делают на это свойство, которое позволило бы психологически сблизить электронные носители с традиционными бумажными.

Нанохромные дисплеи

Не секрет, что дисплеи, выполненные с использованием нанотехнологий, уже активно осваивают рынок. Не остался в стороне и рынок "электронной бумаги". Так, сравнительно недавно малоизвестная пока ирландская компания Ntera (www.ntera.com) представила свой продукт NanoChromics Display (NCD). В частности, на конференции DEMO 2005 компания продемонстрировала образцы устройств с NCD-дисплеями – модифицированную версию MP3-плейера Apple iPod и электронную книгу eBook reader.

Принцип работы NCD-дисплея

Одно из названий нового дисплея, разработанного компанией, – "дисплей типа чернила на бумаге" (ink-on-paper display). Как объясняют представители Ntera, назван он так потому, что изображение, сформированное на дисплее, похоже на бумажный рисунок, выполненный чернилами. Эксперты отмечают, что изображение действительно довольно контрастно, а угол обзора для данного экрана составляет 180 градусов. Это соответствует максимальному значению данного параметра для любых дисплеев вообще. Скорость отклика матрицы в NCD-экранах также достаточно высока. Например, как заверяют представители фирмы, продающиеся сегодня устройства с данными дисплеями могут обеспечивать частоту в 60 кадров в секунду.

Изображение остаётся на дисплее даже тогда, когда питание отключается. Этот эффект достигается благодаря переключению пигментных слоев, которые формируют пикселы. Так как изображение формируется пигментом, дисплей не нуждается в дополнительной подсветке, что существенно снижает его энергопотребление. Стоит также отметить, что для прорисовки начального изображения экран потребляет довольно много энергии. Однако полученное изображение остаётся на экране в течение многих дней или недель, не нуждаясь в дополнительном электропитании.

Представители компании считают, что при одинаковых размерах NCD-устройство будет потреблять всего 10% той энергии, которую потребляет ЖК-дисплей. Тот факт, что NCD не потребляет энергии для формирования картинки длительное время (энергия нужна только для переключения слоев пигмента, как говорилось выше), позволяет в принципе создавать на базе данных устройств различные элементы визуального отображения. Заметим, что рабочее напряжение NCD-панели не превышает 1 В.

Для отображения высококонтрастной картинки на своём дисплее разработчики используют необычные свойства электрохромных полимеров. Как известно, одной из замечательных особенностей плёнок проводящих полимерных соединений является их способность изменять свои оптические характеристики, в частности цвет, при изменении уровня окисления. Если данный уровень регулируется потенциалом электрода, на который этот полимер нанесен, то оптическими характеристиками полимера можно управлять с помощью электрического сигнала – проявляется так называемый электрохромный эффект.

На тонкий слой диоксида титана (химический элемент, придающий белоснежность обычным бумажным листам) наносится прозрачный полимер – виологен – с нанопористой структурой, который при изменении приложенного к нему электрического потенциала способен терять прозрачность, достигая при этом уровня насыщенного чёрного цвета. Принцип действия дисплея NanoChromix на первый взгляд довольно прост. Экран состоит из нескольких слоев, два из которых формируют изображение: внешний отражающий слой, состоящий из наночастиц диоксида титана, и электрохромный слой с красящим пигментом. Пространство между диоксидом титана и виологеном заполнено специальным электролитом. При отсутствии внешнего потенциала экран выглядит абсолютно белым, однако при приложении напряжения виологен окрашивается в близкий к чёрному цвет. А если изменить полярность напряжения, то слой "переключится" в такое состояние, при котором будет виден только отражающий пигмент диоксида титана. За счет этого достигается формирование картинки. Таким образом, "включая" или "выключая" отдельные участки дисплея NanoChromics, можно формировать изображение с хорошей контрастностью.

Благодаря значительной мобильности пигментного слоя на основе электрохромных наночастиц достигается высокая скорость переключения, что, в свою очередь, позволяет добиться необходимой частоты смены кадров (до 60 кадров в секунду). Все выпущенные дисплеи компании пока монохромны, но представители Ntera утверждают, что возможно дальнейшее развитие этой технологии для создания цветных дисплеев (необходимо будет добавить к одному пигментному слою еще два цвета). Новые мониторы также неприхотливы к окружающей температуре. Например, настольные часы, использующие NCD-дисплей, работают в температурном диапазоне от минус 35 до 80?С.

Согласно заявлениям инженеров Ntera, сами экраны просты в изготовлении. Традиционный завод по производству ЖК-панелей может быть быстро и без больших затрат перепрофилирован на выпуск NanoChromics. Для этого понадобится дополнительная печь стоимостью около 20 тыс. долл. и изменение некоторых технологических процессов. Более того, в компании утверждают, что ее NCD-экраны могут быть произведены с лучшими характеристиками и меньшими затратами, чем ЖК-панели. Пока она продает отдельные дисплеи, настольные часы и приборы для медицинского пользования, но скоро появятся электронные книги и карманные компьютеры.

Новые решения

Весной этого года Polymer Vision объявила о существенном прогрессе в разработке гибких дисплеев, предназначенных для мобильных устройств. Новый 5-дюймовый дисплей PV-QML5 имеет уменьшенный радиус искривления, увеличенное время службы и неплохую контрастность, сравнимую с напечатанным на бумаге текстом. Данная разработка является, пожалуй, самым серьёзным шагом после демонстрации первого прототипа гибкого дисплея, представленного Polymer Vision в феврале 2004-го. Специалисты компании сообщают, что на данном этапе можно уверенно говорить о внедрении готовых продуктов в производство уже течение ближайших двух лет.

Электронная газета Yomiuri Global Newspaper

Дисплей Polymer Vision PV-QML5 – это ультратонкая (толщина 100 мкм), легкая QVGA (320х240 пикселов) активная матрица с диагональю 5 дюймов. Когда дисплей не используется, он может быть свёрнут в трубочку радиусом около 7,5 мм. Новинка отображает четыре оттенка серого, которые образуют контрастную, хорошо читаемую картинку (10:1). Текст с такого дисплея может легко читаться даже при ярком солнечном свете. При создании матрицы применена новая технология E Ink, благодаря чему было существенно снижено общее энергопотребление дисплея.

Корпорация Seiko Epson еще на один шаг приблизилась к получению "электронной бумаги", разработав прототип микропроцессора на гибкой пластиковой основе. Микросхема ACT11 представляет собой 8-разрядный асинхронный микропроцессор, состоящий из 32 тыс. низкотемпературных поликремниевых тонкоплёночных транзисторов, изготовляемых на гибкой пластиковой подложке. Микропроцессор имеет размеры 27х24 мм и работает с тактовой частотой до 50 кГц при напряжении 5 В. Seiko Epson трудится над созданием дисплея, монтируемого на гибкой пластиковой основе толщиной 0,2 мм. Компания планирует выпускать листы размером A4 (297х210 мм), которые могут использоваться для создания бизнес-документов или для изготовления газет и книг. Предполагается, что коммерческая версия такой "электронной бумаги" будет выпущена в ближайшие пять лет. Чтобы изготовить ее, компании нужно интегрировать низкотемпературные поликремниевые TFT-транзисторы со своей технологией органических светодиодов OLED. Это еще один крупный проект, который реализуется сейчас в Seiko Epson.

Другая японская корпорация, TOPPAN Printing, которая в прошлом году сообщила о разработке "электронной бумаги" с разрешением 400 точек на дюйм, в марте этого года на выставке EXPO 2005 в Японии продемонстрировала настенную электронную газету "Yomiuri Global Newspaper – Electronic Paper". Общий размер этого издания составил 217,6 на 260 см, при этом размер одного пиксела не превысил 4 мм. Энергопотребление такой "электронной газеты" составило примерно 10 Вт.

Статья опубликована в PC Week/RE №17 от 17.05.2005 г., стр. 50.
Перепечатывается с разрешения автора.