Когда и кем была разработана первая электронная бумага

Электронная бумага (англ. e-paper, electronic paper; также электронные чернила) — это технология отображения информации, разработанная для имитации обычной печати на бумаге и основанная на явлении электрофореза.

История разработки

Электронная бумага была разработана в процессе совершенствования устройств отображения информации. Жидкокристаллические дисплеи (далее — ЖК-дисплеи) на момент создания электронной бумаги уже были одними из самых экономичных устройств, имеющих в статическом режиме потребление на уровне единиц микроампер и даже менее, и не требовавших затрат энергии на излучение света, так как являлись устройствами светомодулирующего типа. Но, во-первых, они обладали большими световыми потерями в силу наличия в их конструкции двух поляризаторов и сравнительно малой оптической плотности «включённых» ЖК — из чего следуют достаточно низкие яркость с контрастностью получаемого изображения и достаточно малый угол обзора. Во-вторых, они не могли хранить отображаемую информацию: хотя эту задачу можно было перенести на экономичные в статике КМОП элементы с учётом того, что данный тип дисплея сам имеет малое потребление в статическом режиме, но в силу физико-химических особенностей молекул практически используемых ЖК, чтобы избежать разрушения молекул, требуется питание переменным напряжением (динамический режим), что в силу ёмкостной природы ЖК-ячейки приводит к заметному росту потребления электроэнергии, либо же, в случае применения специальных ЖК устойчивых к постоянному току, приводило к сильному усложнению для больших дисплеев схемотехники устройства — экономически неоправданному в силу ограничений имевшейся на тот момент технологии.

Создание технологии «электронной бумаги» было призвано преодолеть эти ограничения. Изображение на ней формируется аналогично письму по обычной бумаге карандашом — твёрдыми пигментными частицами, на (в) микроструктурном материале, дисперсно-рассеивающем свет подобно волокнам бумаги. Из-за чего угол обзора получается практически такой же, как и обычной бумаги — много превосходя таковой у плоских жидкокристаллических дисплеев. Электронная бумага также является устройством светомодулирующего типа с присущими ему положительными свойствами и работает в чистом виде в отражённом свете без промежуточных преобразований светового потока — как обычный лист с печатным текстом или изображением, вследствие чего достигается высокая яркость и контрастность получаемого изображения. Эффект памяти обеспечивается удержанием пигментных частиц на поверхности твёрдого тела (подложки) силами Ван-дер-Ваальса.

Технически точный термин — электрофоретический индикатор. Так как практически все модификации данной технологии используют явление электрофореза.

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.

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. Штаб-квартира компании расположилась в Кембридже, штат Массачусетс. Компанией также был открыт офис в Японии, в Токио. Официальной целью работы вновь созданной компании, как заявляли ее представители, являлась разработка средств визуальной коммуникации следующего поколения.

Принцип действия был следующий: в микрокапсулы, заполненные окрашенным маслом, помещались электрически заряженные белые частички. В ранних версиях проводка контролировала, 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 технологии отображения, но использование капсул позволило сделать дисплей с использованием гибких пластиковых листов вместо стекла.

E-ink & SiPix

E-ink и SiPix — это две разные компании, которые создают экраны на основе электронной бумаги, но имеют несколько различные способы её работы.

В отличие от традиционных плоских жидкокристаллических дисплеев, в которых используется просвет матрицы для формирования изображения, электронная бумага формирует изображение в отражённом свете, как обычная бумага, и может хранить изображение текста и графики в течение достаточно длительного времени, не потребляя при этом электрической энергии и затрачивая её только на изменение изображения. В отличии от традиционной бумаги технология позволяет произвольно изменять записанное изображение.

В экранах E-ink есть миллионы микрокапсул, размер которых сравним с шириной человеческого волоса и содержит позитивно заряженные белые частички и негативно заряженные черные. Эти заряженные частички погружены в прозрачную жидкость, каждая в свою микрокапсулу. При перелистывании страниц или при выборе, электромагнитное поле воздействует на экран и переорганизовывает черные и белые частички соответственно совершаемым действиям.

Экраны электронной бумаги на основе технологии SiPix создают изображения в микрокапсулах, путем погружения электрически заряженных белых частиц в черную непроводящую ток жидкость. При воздействии электромагнитного поля (при перелистывании страниц, выборе в меню и т.д.) заряженные белые частички передвигаются к поверхности черной жидкости или погружаются глубже, в зависимости от полярности воздействующего электромагнитного поля.

Применение

Электронная бумага легка, надёжна, а дисплеи на её основе могут быть гибкими (хотя и не настолько, как обычная бумага).

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.

Электронная бумага применяется в:

• электронных книгах;
• электронных газетах;
• дисплеях для телефонов;
• дисплеях смарт-карт;
• уличных плакатах и объявлениях.

Недостатки:

• имеют очень большое 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;
• замедленная смена изображения — для того, чтобы частицы выстроились нужным образом и появилось новое изображение, необходимо иногда до секунды, особенно если загружается картинка, а не текст. Говоря более строго, такой экран имеет высокую инерционность (частота смены кадров примерно 4 в секунду, что соответствует инерционности в 250 мс. Например, у не самых лучших современных ЖК-дисплеев таковая находится на уровне около 25 миллисекунд);
• яркость, контраст 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. А об актуальности подсветки экрана в темное время суток или при работе в условиях плохо освещенных помещений и говорить не приходится.

Преимущества:

• большее время автономной работы (низкое энергопотребление). Состояние пигментных частиц в микрокапсулах очень стабильно. Созданное на электронной бумаге изображение может устойчиво сохраняться весьма длительное время, вплоть до нескольких недель, не требуя при этом каких–либо затрат энергии. Дисплеи любых других типов на такое просто не способны. Из этого следует, что дисплеи на электронных чернилах отличаются крайне низким энергопотреблением, а потребляемая такими устройствами мощность во многом зависит именно от частоты изменения картинки на экране. Кроме того дисплеи не нуждаются в подсветке, они работают в отраженном свете, поэтому энергия расходуется исключительно на электродах только для смены изображения;
• отсутствия мерцания и свечения, большой угол обзора (значительно больший, чем у ЖК-дисплеев);
• при чтении с электронной бумаги глаза устают значительно меньше, чем при чтении с ЖК-дисплеев;
• гибкость электронной бумаги тоже немаловажное преимущество — приятно взять с собой большой экран, свернув его в трубочку;
• поскольку размеры микрокапсул с пигментом невелики, предельное разрешение электронно-чернильного экрана фактически определяется разрешением используемой управляющей электронной матрицы, а здесь возможности для улучшения характеристик очень велики.