лекции_25.11.13 / e-ink

Электронные чернила

В 1997 году, ученые из Массачусетского технологического института создали уникальную технологию формирования изображения. В том же году создается корпорация E-Ink (E-Ink Corporation) задачами

которой являлось дальнейшее совершенствование разработанной технологии и ее коммерциализация (то есть получение прибыли от дисплеев, созданных с использованием принципов электронных чернил). Штаб-квартира

E-Ink расположилась в Кембридже. Компанией также был открыт офис в Японии, в Токио. Официальной целью работы вновь созданной компании являлась разработка средств визуальной коммуникации следующего поколения. «Средства визуальной коммуникации следующего поколения» – звучит многообещающе. На базе каких технологических достижений основывался столь амбициозный план?

Принцип работы дисплея на электронных чернилах прост. Данное устройство формирования изображения работает следующим образом: активный слой экрана содержит миниатюрные прозрачные капсулы с черными и белыми частичками (пигментом). Черные и белые частицы по-разному реагируют на появление электрического потенциала: позитивно заряженные белые частицы притягиваются к отрицательно заряженным электродам, а отрицательно заряженные черные — к контактам, имеющим положительный заряд.

Используемые в электронных чернилах микрокапсулы с пигментом очень малы — их диаметр примерно равен диаметру человеческого волоса. В нейтральном состоянии позитивно заряженные белые и негативно заряженные черные частицы пигмента находятся внутри микрокапсул в произвольном положении.

Когда, например, некоторому тыльному участку активной области экрана с электронно-чернильным слоем придается положительный электрический заряд, во всех микрокапсулах на этом участке белые частицы пигмента перемещаются во фронтальную часть. В то же самое время электрическое поле тянет черные частицы на «заднюю» сторону микрокапсул, и они будут скрыты от взора пользователя. В результате дей-

ствия такого процесса пользователь сможет наблюдать появление на экране электронно-чернильного дисплея белого пятна — точки, пикселя белого цвета. Поменяв полярность приложенного электрического потенциала, можно добиться того, чтобы черные частицы пигмента оказались на лицевой стороне капсул, а белые — на тыльной. Тогда на том же месте на экране дисплея сформируется черное пятно. Сформировав управляющую матрицу (например, подобную используемой в ЖК-дисплеях, просто символьную или сегментную)

ирасположив над ней активную область экрана с микрокапсулами, можно создавать на таком экране довольно большие и сложные изображения.

Разумеется, развитие любой технологии невозможно без финансовых вливаний в НИОКР. Компания E-Ink своевременно заботилась о поиске партнеров и заключении стратегических соглашений для коммерческого продвижения дисплеев на электронных чернилах на массовый рынок. Например, весной 2001 г в список стратегических партнеров компании E-Ink вошла TOPPAN Printing Company — мировой лидер по производству цветных фильтров для плоских мониторов. Компании заключили партнерское соглашение по разработке цветных дисплеев на электронных чернилах. Согласно условиям этого соглашения, TOPPAN Printing Company вложила 5 миллионов долларов инвестиций в E-Ink. Заключенный контракт должен был дать TOPPAN Printing Company эксклюзивные права на разработку и производство цветных фильтров для дисплеев на электронных чернилах.

Сотрудничество компаний оказалось довольно успешным — прототип цветного электронно-чернильного дисплея, использующего цветовые фильтры, был представлен уже в том же 2001 году, а уже в феврале 2002 года E-Ink

иTOPPAN Printing Company заключили новое инвестиционное соглашение.

Согласно его условиям компании становились стратегическими партнерами по коммерциализации совместно разрабатываемой технологии. В рамках со-

глашения TOPPAN Printing Company ста-

новился эксклюзивным производителем покрытия передних панелей (FPL) для дисплеев использующих электронные чернила. По условиям достигнутого со-

глашения TOPPAN Printing Company

вложила еще 25 миллионов долларов в компанию E-Ink.

Еще одним ключевым партнером E-Ink

стала корпорация Royal Philips Electronics. В начале 2001года E-Ink и Philips Components

заявили о совместной разработке элек- тронно-чернильных дисплеев высокого разрешения. Такие дисплеи посчитали весьма перспективными для использования в таких устройствах как электронные книги (eBooks), КПК, устройства мобильной коммуникации, и др. Согласно достигнутому обоюдному соглашению, Philips Venture Capital и Philips Components обязались ин-

вестировать в E-Ink, а также помочь в развитии исследовательской программы, с целью довести технологические наработки до стадии коммерческой реализации.

Договором предусматривалось, что компания E-Ink займется собственно самими электронными чернилами, а в Philips сосредоточатся на разработке активноматричных управляющих панелей и элек- тронно-чернильных дисплеев в целом. По условиям соглашения подразделение Philips Components получало глобальные эксклюзивные права в мировом масштабе

на производство модулей для создаваемых дисплеев.

Работы у компаньонов продвигались довольно успешно. Менее чем через четыре месяца после заключения соглашения Philips Components и E-Ink Corporation продемонстрировали первый работающий прототип электронночернильного дисплея. Весной 2002 года

E-Ink и Royal Philips объявили об успешном завершении первой фазы их соглашения, и заявили о намерении начать совместное коммерческое продвижение разработанных технологий на рынок. Было обещано начало коммерческих поставок дисплеев на электронных чернилах уже к середине 2003 г. для всевозможных «наладонников», мобильных телефонов и т. п.

E-Ink заключила соглашение с Vossloh System-Technik GmbH (VST), по условиям кото-

рого базирующиеся на технологии электронных чернил информационные системы должны были стать доступными для евро-

пейской транспортной индустрии все в том же 2003 году.E-Ink обещала разработать электронно-чернильные экраны сегментного и символьного типа, а VST, со своей стороны, взяла обязательство интегрировать эти элементы в свои информационные системы для пассажиров. E-Ink удалось также договориться и с Air Products and Chemicals, Inc.: компании заявили об объединении усилий по разработке материалов следующего поколения для дисплеев на электронных чернилах.

Нашла E-Ink общий язык и с Lucent/Bell Labs. В рамках сотрудничества с этой компанией, E-Ink была лицензирована технология пластиковых транзи-

сторов Bell Labs. В свою очередь Lucent's New Ventures Group осуществила многомиллионную инвестицию в E-Ink. Компании начали активно сотрудничать в разработке электронной бумаги на основе технологии гибких пластиковых электронных дисплеев, создаваемых в процессе печати экранов, который очень похож на привычную технологию струйной печати чернилами на бумаге.

Таким образом, технология дисплеев на электронных чернилах призвана обеспечить полноценное визуальное информационное общение с различными электронными устройствами, путем реализации условий чтения информации с экранов всевозможных устройств, словно с обычного бумажного листа.

Действительно, дисплей на электронных чернилах по своим «изобразительным» характеристикам схож с самым привычным для чтения носителем — бумажными страницами. Поэтому рассматриваемую технологию называют также технологией «электронной бумаги».

Преимущества

Изображение на электронно-чернильных экранах от E-Ink в обычных условиях гораздо удобнее для просмотра, чем на иных типах распространенных экранов. Картинка действительно смотрится как на бумаге (без мерцаний, «плавания» изображения, нечеткости символов и линий).

Значительным преимуществом дисплеев на электронных чернилах является также стабильность состояний пигментных частиц в микрокапсулах. Созданное на электронно-чернильном экране изображение может устойчиво сохраняться вплоть до нескольких недель, не требуя при этом каких-либо затрат энергии. Поэтому дисплеи на электронных чернилах отличаются крайне низким энергопотреблением, а потребляемая такими устройствами мощность в основном зависит от частоты изменения картинки на экране.

Массовое изготовление таких дисплеев обещало быть дешевым, так как электронные чернила могли просто печататься на поверхности экрана, формируя тонкую пленку активного слоя, управляемую электрической схемой дисплея для формирования матрицы пикселей.

Поскольку размеры микрокапсул с пигментом невелики, разрешение электронночернильного экрана фактически определяется предельным разрешением используемой управляющей электронной матрицы, а

здесь возможности для улучшения характеристик очень велики. Достоинства технологии EID можно

оценить, посмотрев на характеристики одного из прототипов дисплеев на электронных чернилах. Это 3-х дюймовый гибкий дисплей с разрешением 160×240 пикселей. Все устройство размещено на подложке из очень тонкого листа нержавеющей стали. Непосредственно над листом находится тонкий изолированный слой управляющих электродов, над которым, в свою очередь, уже нанесен слой электронных чернил с микрокапсулами. Данный монохромный дисплей имеет толщину всего 0.3 мм! А если добавить к сказанному тот факт, что данный дисплей очень гибок — он в рабочем состоянии (!) может быть скручен в трубочку диаметром полтора сантиметра без малейшей потери качества изо-

бражения — то, казалось бы, конкурентам нечего делать на поприще, где присутствует столь революционная технология.

Недостатки

У рассмотренной выше модели электронно-чернильного дисплея заявлена частота смены кадров примерно 4 в секунду, что соответствует инерционности в 250 мс. Это очень большая инерционность — например, у не самых современных ЖК-дисплеев таковая находится на уровне около 25 миллисекунд, то есть в 10 раз лучше (речь в данном случае идет об одной и той же задержке при переключении пикселя с совершенно черного цвета абсолютно белым и наоборот).

Конечно, по длительности показа единожды созданного изображения, сохраняемого без дополнительных затрат энергии, другим дисплеям трудно соревноваться с E-Ink. Однако на дисплеях современных «наладонников» или мобильников обычно демонстрируется вовсе не статичная картинка (а в экономичном режиме их дисплей и вовсе может быть отключен с целью энергосбережения, так что при «простое» устройства ощутимого выигрыша нет). На экранах современных мобильных аппаратов почти постоянно происходят ка- кие-то регулярные изменения изображения. Причем порой весьма динамичные, особенно если речь идет о дисплеях КПК и прочих «ручных» электронных устройств, куда было «нацелила» свои дисплеи E-Ink. Многие не понаслышке знают, хотя бы из личного опыта игр на старых мобильных телефонах, что такое слишком инерционный дисплей для динамичной графики — на таком дисплее движущиеся объекты порой и вовсе пропадают.

Компания E-Ink обещала понизить инерционность своих электронночернильных экранов до 150 мс. Но все равно, этот показатель очень далек от оптимального — такая задержка соответствует частоте смены кадров около 7 за секунду. А этого явно недостаточно для современных мобильных устройств, все смелее демонстрирующих свои возможности по воспроизведению видеопотока. Усугубляет в целом не радужную картину с EID еще и недостаточные возможности цветопередачи у дисплеев на электронных чернилах.

Созданные E-Ink дисплеи не нуждаются в подсветке, так как они работают в отраженном свете, прямо как настоящая бумага. Это отнесено производителем к безусловным достоинствам данной технологии. Да, это удачно с точки зрения энергосбережения — отпадает необходимость расходовать заряд аккумуляторов на подсветку экрана. Однако получается, что яркость, контрастность и цветопередача дисплеев на электронных чернилах сильно зависят от условий внешнего освещения. А ведь оно для дисплеев, особенно в случае мобильных устройств, оптимально далеко не всегда.

Что касается гибкости дисплеев E-Ink, то это их преимущество нельзя назвать неоспоримым. Для дисплея умение изгибаться — не самая главная, а порой даже и вредная особенность. Ведь гибкий экран может демонстрировать искаженные, искривленные изображения. Представьте, вы смотрите на дисплей с дейст-

вительно плоским изображением, а гибкий экран вдруг по какой-либо причине изогнулся. Например, он был долго свернут или искривлен, и приобрел «память формы».

Осторожный вывод (2005 год)

Есть технологии, которые опережают свое время. Есть и такие, которые от него отстают. Вероятно, технология E-link относится именно к последним.

Теперь на место под солнцем претендуют дисплеи создаваемые по технологии OLED (Organic Light Emitting Device), органические свето-

излучающие устройства на основе полимеров. Они обещают быть очень экономичными, очень тонкими и не менее гибкими, чем электронно-чернильные дисплеи. А с учетом высокой яркости и контрастности, качества цветопередачи, широты обзора, а

также способности OLED работать при любых условиях внешнего освещения, у дисплеев технологии EID мало шансов победить в конкурентной борьбе.

За прошедшее время интерес к усовершенствованным и новым технологиям возрос. Появились около десятка выставочных образцов такой продукции, среди которых отметим только обладающие двумя основных свойствами: а) информация на них легко читается на ярком свете, б) для удержания картинки не требуется энергия или её количество минимально.

Технология SiPix. Как и E-Ink, технология SiPix базируется на микрокапсулах с заряженной взвесью. Обе разработки стартовали в конце 90-х годов с разницей в два года: E-Ink в 1997 году, SiPix в 1999 году. Но на финише экраны SiPix отстали от своего конкурента: экраны на E Ink поступили в продажу в 2004 году, а массовая отгрузка экранов на SiPix начинается только сейчас. И всё же, сильно запоздавший старт может оказаться мощным ответом E-Ink: купившая в марте прошлого года компанию SiPix тайваньская AU Optronics является крупнейшим производителем ЖК-панелей.

Пиксель E Ink опирается на двухцветную взвесь — чёрную и белую, а каждый пиксель SiPix содержит только одну белую взвесь в жидкости чёрного цвета. Как и в E Ink, разность потенциалов заставляет подняться белую взвесь к поверхности экрана — пиксель становится белым. Поменяв полярность приложенного напряжения, мы заставляем взвесь погрузиться на дно, и пиксель почернеет от подступивших к экрану чернил. Управление пикселем возможно как с помощью пассивной подложки, так и активно-матричной.

Уступая пока своему конкуренту в режимах чёрно-белого изображения, в режиме цвета экраны SiPix обещают оказаться лучше цветных E-Ink, причём как по цветовому охвату, так и по отражательной способности. Причина кроется в двухрежимном методе управления цветными субпикселями SiPix.

Цветные экраны E-Ink использую накладные цветные фильтры четырёх цветов — красный, зелёный, синий и белый (для повышения белизны). Цветные экраны SiPIx не используют цветные фильтры — вместо этого в каждый субпиксель залиты чернила

своего цвета: красные, синие и зелёные. Электроды в нижней подложке цветного экрана SiPix имеют такую форму, что белая взвесь может принимать в объёме субпикселя три положения: прилипнув к экрану (белый), облепив боковые стенки ячейки (чёрный) и равномерно расположившись вдоль дна. В последнем случае белая взвесь служит как рефлективная подложка, подсвечивая отражённым светом цвет жидкости в субпикселе. Отсутствие накладных фильтров позволяет говорить об отражательной способности цветных экранов SiPix на уровне 40 %, тогда как у цветных

E-Ink этот показатель около 30 %. Впрочем, цветные экраны SiPix в мас-

совом производстве пока не ожидаются, как и не будет в этом году цветных экранов E-Ink. Слишком уж плохи возможности обеих технологий для показа приемлемых цветов. Значительно интереснее будет дождаться электронных книг на монохромных экранах SiPix. Такие уже заявлены рядом интересных производителей, например,

компанией LBook (модель A9), или тайваньской ASUS (модель DR-900):

Экраны SiPix могут выпускаться в полностью автоматическом непрерывном цикле. Как явствует из схемы, на пластиковый субстрат с прозрачным электродом наносится пластиковый же материал (1), в котором затем методом оттиска равномерно продавливаются одинаковые ячейки — будущие пиксели

(2). Затем в каждую из ячеек заливается нужный состав (3), после чего ячейки по всей ширине движущейся ленты заливаются слоем герметика и ламинируются. Процесс простой, но каждый шаг и используемые материалы запатентованы компанией SiPix.

Экраны SiPix на около 20 % дешевле, чем экраны E-Ink таких же размеров.

Экраны на холестерических кристаллах.

Электронную книгу с экраном на жидких кри-

сталлах ChLCD (Cholesteric Liquid Crystal Display) выпускает японская компания Fujitsu. Помимо того, что это единственная на рынке электронная книга на холестерических жидких кристаллах, она ещё и единственная серийно производимая цветная книга. На период с апреля 2009 по апрель 2010 года компания запланировала выпустить 50 тысяч устройств. Рынок сбыта — Япония, цена модели

сэкраном 8” — порядка $1100.

Внише электронных книг монохромные ChLCD уже проиграли. Судя по всему, холестерики рискуют проиграть и цветным электронным книгам. Действительно, первые цветные EID может и уступают по качеству отображения цветным ChLCD, но скорость обновления холестерических экранов ниже всякой критики: картинка в 64 цвета формируется в течение 1,8 секунды в один проход (вдвое дольше обновления экрана E-Ink); картинка из 4096 цветов формируется в два прохода в течение 5 секунд; наконец, на «полноцвет» из 260000 цветов требуются три прохода и 8 (!) секунд.