Электронная бумага

Какие плюсы у электронной бумаги?

Электронная бумага

Неоспоримым плюсом использования этой технологии является экономия энергии. Необходимый расход электричества идет из расчета только подачи сигнала на каждую ячейку матрицы для смены изображения. Кроме малых затрат электричества к плюсам относится и долгая автономная память ячеек дисплея. Именно эти особенности определяют использование таких дисплеев при производстве электронных книг. Но у электронной бумаги достаточно долгое время обновления картинки до 250 миллисекунд, что делает невозможным использование таких экранов в игровых консолях или телевизорах.
С точки зрения здоровья у электронной бумаги неоспоримое преимущество перед ЖК мониторами. Если последние основаны на технологии подсветки монитора, то есть глаз читает информацию против источника излучения света. А это дает очень серьезную нагрузку на хрусталик и внутренние мышца глаза. От такого постоянного напряжения наше зрение при активном использовании компьютера неизбежно садится. Электронная бумага в свою очередь основана на светоотражении, то есть используется точно такой же эффект, как если бы вы читали обычную бумажную книгу. Напряжение на глаза при таком чтении намного ниже, что позволяет при разумном использовании электронной бумаги сохранить зрение.
В июне этого года компания IRX Innovations представила разработки, позволяющие электронной бумаге отображать видеоролик с частотой 6 кадров в секунду, максимально заявленная скорость – 10 кадров в секунду. Кроме невысокой скорости обновления разработчиков волнует проблема монохромности изображения. То есть из существующих на сегодня разработок максимально поддерживаемое дисплеем число оттенков серого – 16. И речь о цветном изображении пока не идет.

А будет ли цветная электронная бумага?

Электронная бумага

Компания HP в сентябре этого года заявила о начале разработок по «цветности» электронной бумаги. Возможности цвета ограничены законами физики, у вас есть либо положительный заряд, либо отрицательный. Но разработчики компании планируют применить опыт полиграфии для решения поставленной задачи, когда стандартная система светофильтров RGB будет образовываться вычитанием цветов (в современных ЖК мониторах эта система образуется за счет сложения цветов).
Гибкость, неприхотливость и маленькое потребление энергии (достаточно периодической солнечной подзарядки) электронной бумаги делает эти разработки наиболее перспективными. Так как область применения уже сейчас планируется расширить на плакатные щиты, а при снижении времени обновления и добавлении красок – это прямая замена ЖК мониторам современной техники.

Типы E-Ink экранов

• E-Ink Vizplex. Один из первых экранов, с не очень высокой (1:6) контрастностью. В настоящее время уже снят с производства.
• E-Ink Pearl. Сменивший своего предшественника более контрастный (1:10) экран с разрешением 800х600.
• E-Ink Pearl HD. Отличается увеличенным, 1024х758, разрешением, и контрастом 1:12.
• E-Ink Carta. На сегодня самый современный экран, контрастность которого в 1,5 раза выше, чем у E-Ink Pearl HD. Помимо этого Carta имеет увеличенный на 20% коэффициент отражения и улучшенное качество картинки при том же энергопотреблении.
• E-Ink Flex. Хотя этот экран имеет средний уровень контрастности (1:10), от аналогов он отличается пластиковой подложкой, что делает его гораздо более устойчивым к физическим воздействиям.
• E-ink Triton. Цветной бумагоподобный экран. Очень дорогой и пока еще не сильно распространен на рынке.

Самый «продвинутый» экран E-Ink Carta не бликует на солнце или под яркой лампой, как смартфон. Он не мерцает, и текст с него можно читать под любым углом. Лучшие электронные книги снабжены E-Ink Carta: включая самую защищенную модель в мире, PocketBook 641 Aqua 2. Этот ридер не боится ни пенной ванны, ни пенных напитков. Его можно брать на пляж, купать в морской воде и валять в песке. Поэтому PocketBook 641 Aqua 2 часто называют «лучшая электронная книга для отпуска».

При этом, батарея практически не расходуется при чтении с E-Ink экрана. Так, хорошая электронная книга PocketBook работает без подзарядки батареи 1,5 — 2 месяца (а смартфон в режиме чтения — сутки). Вдобавок к этому, любая электронная книга PocketBook читает все возможные форматы книг (скачивать книги можно откуда угодно). А производитель при покупке на своем сайте предоставляет рекордную гарантию в 3 года.

Примеры гибких экранов

Во время мероприятия SID 2008 (2008 Society for Information Display International Symposium) две компании представили прототип электронного покрытия (e-skin), которое покрывает все или часть поверхности устройства.

Компания Kent Displays покрыло такой штукой всю поверхность мобильного телефона для того, что бы его владелец мог изменять цвет устройства. А E Ink представила телефон Hitachi с покрытием из 95 фрагментов. Оба устройства говорят нам, что технология развивается не только в сфере устройств для чтения электронных книг.

Рис.13 Наручные часы с HEOS дисплеем

К удачам подобных совсем необычных устройств можно отнести журналEsquire за октябрь 2008 года, а к неудачам смартфонReadiusс выдвигающимся дисплеем. Что же касается будущего технологии: цифровые часы, телефоны, клавиатуры на подобие Оптимуса, фантазировать можно бесконечно.

Рис.14 Пульт управления с технологией HEOS

Примечания

1. В. И. Иванов, А. И. Аксёнов, А. М. Юшин. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — ил.: 448 с. — 150 000 экз. — ISBN 5-283-01473-8.
2. В отличие от «отражающих» ЖК-индикаторов, работающих всё же на просвет, в которых свет проходит дважды через индикаторную ячейку: сначала в прямом направлении, и затем, отражаясь от установленного позади ячейки зеркала, в обратном.
3. ↑ Б. Н. Малиновский, В. Я. Александров, В. П. Боюн и др. Справочник по цифровой вычислительной технике: (Электронные вычислительные машины и системы) / Под ред. чл.-кор. АН УССР Б. Н. Малиновского. — К.: Техніка, 1980. — С. 133. — ил.: 320 с. — 28 000 экз. — ISBN ББК 32.973я2.
4. ↑ Евгений Золотов.  (недоступная ссылка). Национальная Деловая Сеть «iBusiness» (3 апреля 2012). Дата обращения 26 сентября 2012.
5. Михаил Медведев.  (недоступная ссылка) (27 декабря 2013). Дата обращения 14 января 2014.
6. (4 января 2008).
7.  (недоступная ссылка). Дата обращения 15 марта 2007.
8. .
9.  (недоступная ссылка). www.sharpmemorylcd.com. Дата обращения 2 июня 2016.
10. . www.prochip.ru. Дата обращения 2 июня 2016.
11.  (недоступная ссылка). www.sharpmemorylcd.com. Дата обращения 2 июня 2016.
12. LinusTechTips. (23 августа 2015). Дата обращения 2 июня 2016.

От дисплеев к принтерам

В течение полутора лет Шеридон работал параллельно и над электрокапиллярностью, и над технологией Gyricon, но потом решил остановиться на последней и довести ее до ума. Полагая в дальнейшем вернуться и к электрокапиллярному дисплею, он отложил подачу патентной заявки до начала 1990-х годов. Когда же эти заявки были опубликованы в Европе, одна из университетских исследовательских групп возобновила работы, предложив новый термин — «электроувлажнение» (electro-wetting). Сейчас этот принцип интенсивно изучается и его считают многообещающим кандидатом на роль «электронной бумаги». Каждый пиксель такого дисплея состоит из белой подложки, поверх которой расположен прозрачный электрод

Технологии
Патент недели: как услышать трубный зов

и (снизу вверх) слои гидрофобного изолятора, окрашенного масла и воды. В свободном состоянии масло тонким слоем распределяется по всей поверхности ячейки, образуя черный пиксель. При подаче напряжения между электродом и водой последняя вытесняет масло с поверхности гидрофобного покрытия и заставляет его принять компактную выпуклую форму. При этом капля масла занимает очень малую поверхность всей ячейки, так что пользователь видит белую подложку (белый пиксель).

В настоящее время наиболее распространенная технология «электронной бумаги», используемая в серийных портативных устройствах, основана на электрофорезе. На рисунке показана схема, разработанная компанией E Ink.

Руководство исследовательского отдела Xerox похвалило работы Шеридона над технологией Gyricon, однако указало ему, что производство дисплеев не входит в сферу интересов корпорации. Исследователю посоветовали заняться новыми технологиями в сфере печати, чтобы корпорация могла успешнее противостоять японскому натиску на рынке копиров и принтеров. Шеридон разработал новую технологию электронной печати на основе ионографии, в которую компания вложила около $150 млн. Однако буквально на пороге опытного производства первого в мире многофункционального офисного аппарата — принтера, копира, сканера и факса — и эту программу закрыли. «С моей точки зрения, это была фантастическая недальновидность, — говорит Шеридон. — У компании было множество возможностей радикально расширить сферу влияния. У Xerox нашлось достаточно денег, чтобы построить фантастические исследовательские лаборатории, собрать талантливейших людей, но руководство корпорации не смогло выйти за рамки мышления, связанного только с рынком копировальной техники».

Долгий путь

С момента изобретения «электронной бумаги» прошло уже 35 лет, однако изделия, использующие эту технологию, все еще не слишком распространены. «Пока ни одно из технических решений не приблизилось к идеалу, который представляет собой настоящая бумага, — считает Шеридон. — Дисплей должен быть тонким, гибким, сохранять изображение без потребления энергии, легко читаться при обычном освещении, иметь высокое разрешение, контраст и белизну подложки. Кроме того, он должен быть дешевым. Одна из основных проблем электронной бумаги, независимо от принципа и технологии самих дисплеев, — это система адресации и управления. Мне кажется, что наибольшие шансы завоевать свое место в тонких и гибких экранах на сегодняшний день имеются у органических тонкопленочных транзисторов (OTFT). В отличие от тонкопленочных транзисторов на базе традиционных неорганических полупроводников типа кремния, OTFT работают значительно медленнее, но в случае с электронной бумагой это не слишком существенно. Зато они дешевы, мало нагреваются и позволяют изготавливать гибкие дисплеи больших размеров. Так что эта технология выглядит наиболее привлекательно».

Над разработкой «электронной бумаги» работают сейчас больше десятка известных компаний, не считая множества более мелких. После того как корпорация Xerox закрыла направление по разработке дисплеев Gyricon в декабре 2005 года (по чисто финансовым причинам), Николас Шеридон ведет независимые разработки и консультирует другие компании: «Разумеется, мои усилия сейчас направлены именно на создание идеальной электронной бумаги. Для меня это выглядит как трубочка диаметром 1 см и длиной 15−20 см. Внутри находится «свиток», который легко разматывается через прорезь в трубке и расправляется в плоский прямоугольный лист, который удобно читать, — новости из интернета, книги из встроенной памяти. Так же легко лист сворачивается — просто нажимаете на кнопку. Стоить он должен меньше $100, и такая игрушка будет в кармане у каждого!»

Звучит как фантастика. Однако примерно так же звучало бы описание возможностей современного мобильного телефона лет десять назад…

По материалам интернет-журнала The Future Of Things,

Статья опубликована в журнале «Популярная механика»
(№6, Июнь 2008).

Применение[ | код]

Электронная бумага легка, надёжна, а дисплеи на её основе могут быть гибкими (хотя и не настолько, как обычная бумага). Предполагаемое применение включает электронные книги, которые могут хранить цифровые версии многих литературных произведений, электронные вывески, наружную и внутреннюю рекламу.

Компания Fujitsu демонстрировала разработанную ими электронную бумагу на выставке в Токийском Международном Форуме.

Корпорация E Ink Corporation, совместно с Philips и Sony, внесла наибольший вклад во внедрение и популяризацию электронной бумаги. В октябре 2005 года она объявила, что будет поставлять комплекты для разработчиков, состоящие из 6-дюймовых дисплеев с разрешением 800×600 начиная с 1 ноября 2005 года.

Электронные книги | код

Основная статья: Электронная книга (устройство)

Внедрение технологии E-ink вызвало заметный подъём на рынке электронных книг. Уже в 2006 году выпускалось несколько моделей. Гораздо большее количество прототипов анонсируется ежегодно.

Электронные чернила на обратной стороне Йотафона

Электронные газеты | код

В феврале 2016 года бельгийская финансовая ежедневная газета «De Tijd of Antwerp» анонсировала планы по продаже электронной версии газеты для избранных подписчиков. Это было первое подобное применение электронной бумаги.
В начале 2007 года газета New York Times начала тестирование около 300 собственных функциональных электронных газет.

Дисплеи для телефонов | код

В 2006 году Motorola представила телефон Motorola F3, который использует сегментный экран от компании E Ink Corporation.
Также компания YotaDevices выпустила российский смартфон «Йотафон».

Графические планшеты | код

Основная статья: Графический планшет

В конце 2013 года поступила в продажу Sony DPT-S1, переносная «система цифровой бумаги» для бизнес-пользователей с 13,3-дюймовым экраном от E Ink Corporation и возможностью добавления рукописных пометок с помощью стилуса.

Дисплеи в смарт-карте | код

Уличные плакаты и объявления | код

Японская компания Toppan Printing совместно с министерством внутренних дел и бюро связи проводят испытания плакатов из электронной бумаги. Сообщается, что потребляемая электрическая мощность плаката размером 3,2 x 1,0 метр составляет 24 ватта.

Электронные ценники | код

Начиная с 2013—2014 годов набирает популярность применение экранов на основе электронной бумаги в качестве замены традиционных ценников в магазинах розничной торговли. На февраль 2017 года в мире насчитывается более 15 производителей электронных ценников, такими устройствами уже оборудованы магазины ряда торговых сетей, в частности MediaMarkt в России и Kohl’s в США.

Цифровые номера | код

На улицах Калифорнии начали набирать популярность авто с цифровыми номерами. Номера состоят из дисплея (который также может отображать другую информацию), чипа и даже батареи. Устройства используют ту же технологию, которая применялась при создании читалок Kindle.

Цена таких номеров составляет $700 без учёта стоимости установки, в связи с чем данная разработка вряд ли станет массовой и сможет выйти на мировой рынок в ближайшее время.

Технология[ | код]

Принцип действия «электронных чернил»

Электронная бумага была впервые разработана в Исследовательском Центре компании Xerox в Пало Альто (англ. Xerox’s Palo Alto Research Center) Ником Шеридоном (англ. Nick Sheridon) в 1970-х годах. Первая электронная бумага, названная Гирикон (англ. Gyricon), состояла из полиэтиленовых сфер от 20 до 100 мкм в диаметре. Каждая сфера состояла из отрицательно заряженной чёрной и положительно заряженной белой половины. Все сферы помещались в прозрачный силиконовый лист, который заполнялся маслом, чтобы сферы свободно вращались. Полярность подаваемого напряжения на каждую пару электродов определяла, какой стороной повернется сфера, давая, таким образом, белый или чёрный цвет точки на дисплее.

Электронные чернила | код

В 1990-х годах Джозеф Якобсон (Joseph Jacobson) изобрел другой тип электронной бумаги. Впоследствии он основал корпорацию E Ink Corporation, которая, совместно с Philips, через два года разработала и вывела эту технологию на рынок.

Принцип действия был следующий: в микрокапсулы, заполненные окрашенным маслом, помещались электрически заряженные белые частички. В ранних версиях низлежащая проводка управляла тем, будут ли белые частички вверху капсулы (чтобы она была белой для того, кто смотрит) или внизу (смотрящий увидит цвет масла). Это было фактически повторное использование уже хорошо знакомой электрофоретической (от электро- и греч. φορέω — переносить) технологии отображения, но использование капсул позволило сделать дисплей с использованием гибких пластиковых листов вместо стекла.

Многоцветная (полихромная) электронная бумага | код

Принцип действия многоцветной электронной бумаги, использующей светофильтры

Обычно цветная электронная бумага состоит из тонких окрашенных оптических фильтров, которые добавляются к монохромному дисплею, описанному выше. Множество точек разбито на триады, как правило, состоящие из трёх стандартных цветов CMYK: циановый, пурпурный и жёлтый. В отличие от дисплеев с подсветкой, где применяется RGB и сложение цвета, в e-ink цвета формируются методом вычитания, как и в полиграфии.

Первая компания, сумевшая вывести на рынок такую технологию — всё та же E Ink. Её матрица Triton, выдающая несколько тысяч оттенков цвета, уже используется в ридерах.

В начале 2011 года был анонсирован первый eReader, использующий долгожданную технологию Mirasol компании Qualcomm. Совместно с компанией Kyobo book они вывели на рынок E-reader с этой технологией под названием Kyobo eReader.

Макрофотография электродов, используемых в «электронной бумаге» (Kindle 3)

Поколения электронной бумаги | код

Первое поколение | код

Первая технология электронной бумаги, вышедшая на массовый рынок.

VizPlex — 800×600, 16 оттенков серого. Контрастность 7:1.

Второе поколение | код

Во втором поколении были улучшены время отклика, энергопотребление и контрастность.

• Pearl — 800×600, 16 оттенков серого. Контрастность 10:1;
• Pearl HD — 1024×758, 16 оттенков серого. Контрастность 12:1;
• Carta — до 1080×1440, 16 оттенков серого. Контрастность 15:1.

Третье поколение | код

В третьем поколении появилось цветное изображение.

• Triton 1 — 800×600, до 4096 цветов (физическое разрешение 1600×1200). Контрастность 10:1. Цветной пиксель имеет 4 физических пикселя под каждым светофильтром: красный, синий, зелёный и белый;
• Triton 2 — 800×600, до 4096 цветов (физическое разрешение 1600×1200). Контрастность 10:1. Цветной пиксель состоит из 3 физических пикселей: красного, зелёного и синего.

Альтернативные технологии | код

Технологии электронной бумаги, сходные с E-Ink, однако действующие на несколько иных принципах.

• SiPix — 1024×768, 16 оттенков серого. Контрастность 6:1. Технология использует для формирования изображения белые частицы, плавающие в чёрной жидкости. Такие экраны имеют плохую отражающую способность, из-за этого изображение выглядит несколько белесым.
• Flex (др. наименование — Mobius) — 1024×768, 16 оттенков серого. Контрастность 10:1. Экраны имеют пластиковую подложку и могут сгибаться без повреждений, сохраняя работоспособность. Технология впервые была представлена LG и впоследствии приобретена E Ink Corporation.

Преимущества и недостатки[ | код]

Преимуществом можно назвать большее время автономной работы, которое отличается в лучшую сторону по сравнению с прочими электронными устройствами с дисплеями. Экран на основе электронной бумаги потребляет энергию при изменении отображаемой информации (например, перелистывании страниц), тогда как типичный ЖК экран потребляет энергию постоянно.

Обновление E-Ink дисплея

В настоящее время дисплеи на основе электронной бумаги имеют очень большое (порядка 200 мс в 2011 году) время обновления по сравнению с ЖК-дисплеями. Это не позволяет производителям использовать сложные интерактивные элементы интерфейса (анимированные меню и указатели мыши, скроллинг), которые широко распространены на КПК. Сильнее всего это сказывается на способности электронной бумаги показывать увеличенный фрагмент большого текста или изображения на маленьком экране.

Ещё одним недостатком этой технологии является подверженность экрана механическим повреждениям, правда это касается не всех модификаций таких экранов. Действительно, дисплеи, созданные компанией E-ink по технологиям E-ink Vizplex, E-ink Pearl, имеют в своей основе подложку из очень тонкого хрупкого стекла, однако в технологии E-ink Flex стеклянная подложка заменена пластиковой и такие экраны можно даже немного изгибать. Они гораздо менее подвержены разрушениям от ударов и деформаций, чем E-ink Vizplex, E-ink Pearl.

Сравнение влияния на усталость глаз LCD и E-ink | код

В 2013 году было проведено исследование, показавшее, что чтение на LCD-экране (в исследовании принимал участие Kindle Fire HD) вызывает в большей степени усталость глаз, чем E-ink (на примере исследования ) или бумажные книги.

Более раннее исследование 2012 года, также сравнивавшее LCD и E-ink, не выявило существенной разницы по влиянию на зрение и усталость глаз. В исследовании вынесли заключение, что не сама технология, а скорее качество изображения является более важным для чтения.

Альтернативные технологии

• Samsung делает ставку на электрокапельные чернила (electrowetting), дающие и больший контраст, и более высокую частоту смены изображения (вплоть до воспроизведения видео), и — самое главное — цветность.
• Sharp разработал технологию Memory LCD, которая позволяет создавать дисплеи LCD энергоспотреблением всего 0,8 % от традиционных жидкокристаллических экранов за счёт использования сетчатого полимерного жидкокристаллического материала с собственными ячейками памяти в пикселах (PNLC), чтобы не перекрашивать ячейку без необходимости от кадра к кадру. Имея уровень энергопотребления в 15-30 μW, что даже часто меньше, чем у E-Ink для динамических изображений, технология Memory LCD имеет преимущества в контрасте, возможности создания трансфлективных ЖК-дисплев с подсветкой самосвечения, скорости обновления и возможности создания цветных экранов. Наиболее известным поставщиком устройств на Memory LCD является изготовитель умных часов Pebble.
• Технология Mirasol, разрабатываемая компанией Qualcomm. Эти дисплеи сочетают в себе преимущества стандартных жидкокристаллических экранов и технологии «электронных чернил» (E-Ink). Благодаря специальной технологии, в основе которой лежат микроэлектромеханические элементы, Mirasol дисплеи имеют очень низкое энергопотребление и в то же время способны отображать полноцветные изображения. Более того, уже были продемонстрированы образцы Mirasol дисплеев Qualcomm, способных отображать цветное видео с частотой в 30 кадров в секунду. Уже сейчас существуют действующие образцы таких дисплеев с диагональю 5,7 дюйма и разрешением 1024 x 768 пикселей, которые могут использоваться в связке с ёмкостными сенсорными экранами. Компания Qualcomm на конгрессе Mobile World Congress 2010 в Барселоне подтвердила, что первые электронные книги с цветными дисплеями, выполненными на основе фирменной технологии Mirasol, должны появиться на рынке уже осенью 2010 года. Однако в реальности первые коммерческие образцы появились лишь осенью 2011 года, и были признаны неудачными, так как разработка была скорее экспериментальной. Выявленные ошибки и недостатки позволили вывести на рынок сбыта более успешные продукты, и, начиная с середины 2013 года, полихромные электронные книги начали занимать свой сектор продаж.
• FOLED — технология изготовления гибких цветных дисплеев на основе органических светодиодов OLED.
• TMOS — Time Multiplexed Optical Shutter — технология временного мультиплексирования оптического затвора. Суть данной технологии заключена в использовании однослойной плёнки MEMS (microelectromechanical systems), размещённой между верхним и нижним листом стекла.

Выводы

«Цифровой бумаги» является тонким пластиковым дисплеем, который можно скатать в тонкий рулон. Создатель новинки японская компания Hitachi. Толщина дисплея у образцов 3 мм. В настоящее время только компания Sony выпускает изделия с применением «цифровой бумаги», правда только в монохромном варианте. Преимущества данной технологии в потрясающей экономичности (двух ААА батареек хватает для прочтения 10.000 страниц текста!). Из недостатков можно отметить низкую скорость прорисовки изображений, но для цифровых книги или журналов это не критично. Дисплей Hitachi будет использован в серийных устройствах уже в 2009 году.

                                  Рис.15 Монохромная цифровая бумага в корпусе КПК