От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Статьи редакции
Рассказ о принципе работы таких чернил, изобретателях и сферах применения.
Электронные чернила — цифровая технология, которая имитирует печать на настоящей бумаге. Они требуют намного меньше энергии, чем ЖК- и OLED-экраны, и позволяют читать текст даже при прямых солнечных лучах.
Несмотря на преимущества электронных чернил, в 2010 году заговорили о закате технологии. Но к 2020 году разработчики показали несколько новых устройств, среди них часы и даже смартфоны. Ожидать, что скоро электронные чернила будут использоваться везде, ещё рано.
Разработка первой электронной бумаги началась в исследовательском центре Xerox PARC (Palo Alto Research Centre) в 1970-х. Персональным компьютерам, которыми пользовались работники Xerox, недоставало яркости и контрастности. Из-за этого на них было трудно работать в ярко освещённых помещениях. Сотрудникам центра приходилось гасить свет и задёргивать шторы.
Тогда Xerox PARC поручила нескольким учёным разработать экран, который позволял бы работать при свете. Среди них был Николас Шеридон, будущий изобретатель электронной бумаги Gyricon.
Gyricon переводится с греческого как «вращающееся изображение». В 1974 году Шеридон создал дисплей из тонкого пластика, заполненный маслом и сферами из полиэтилена.
Сферы были чёрно-белые: тёмная половина с положительным зарядом, а светлая с отрицательным. Благодаря электрическому импульсу сферы вращались, поворачиваясь наружу то чёрной, то белой стороной, и на дисплее появлялся тёмный текст на светлом фоне.
Шеридон работал над Gyricon вместе с коллегами. В 90-х он начал подавать заявки на патенты в Европе. Тогда же он встретился с главой исследовательского отдела Xerox. Из разговора с ним Шеридон понял, что Xerox не будет развивать проект, так как центр не занимается разработкой дисплеев.
Технологией, которая имитировала бы печать на бумаге, занимался ещё один ученый — Джозеф Якобсон, профессор Массачусетского технологического института, MIT. Он нанял двух студентов, Джея-Ди Альберта и Барретта Комиски, чтобы создать электронную книгу.
Разработка Якобсона напоминала Gyricon, но была другой. Команда учёного заменила двухцветные сферы Шеридона на капсулы, заполненные маслом. В них «плавали» частицы пигмента: белые были заряжены положительно, чёрные — отрицательно.
Вы получаете «соль и перец» внутри микрокапсулы. Разделить их можно с помощью электрического поля. Частицы с соответствующим зарядом окажутся сверху, и их будет видно на экране. Чёрные частицы имитируют чернила, белые — бумагу.
Технология позволяла выводить на экран более чёткое и контрастное изображение, чем Gyricon.
В 1997 году MIT помог Якобсону выделить его разработки в отдельный проект и открыть компанию E Ink. В мае 1999 года E Ink представила первый продукт — стенд Immedia. Изображение на стенде можно было дистанционно менять с помощью двустороннего пейджера.
E Ink стала первой компанией, которая показала коммерческий продукт с электронными чернилами, хотя Xerox PARC занималась разработкой более 20 лет.
Технологию использовала сеть американских супермаркетов J.C.Penney. Стенд 1,2 на 1,8 метра и толщиной 3 мм подвешивали под потолком, и он отображал свежую информацию о скидках и специальных предложениях. Цена Immedia варьировалась от $500 до $5000 в зависимости от размера устройства. E Ink поставила J.C. Penney 140 стендов и заработала $150 тысяч.
Позже, в 2009 году, в интервью Joan гендиректор E Ink Рассел Уилкокс признал, что «разработку выпустили раньше времени». Он рассказал, что E Ink «совершенно не поняла потребности рынка».
Компания создала стенд, информацию на котором можно было менять в любой момент, но сотрудники магазинов сказали, что им это не нужно и они меняют вывеску только раз в квартал. Кроме того, не хватало персонала, который бы занимался обновлением цен.
Одновременно Шеридон стремился довести Gyricon до такого уровня, чтобы электронная бумага заменила обычную в делопроизводстве, создать условия для «безбумажного офиса».
К 1998 году учёный достаточно хорошо проработал Gyricon, и новинку можно было продавать. Тогда Шеридон при поддержке Xerox PARC открыл Gyricon Media со штаб-квартирой в Пало-Альто.
Первым коммерческим продуктом Gyricon Media стала бумага SmartPaper, которую сети магазинов использовали для интерактивных ценников. Он представлял собой небольшую панель на алюминиевой подставке.
SmartPaper давала возможность быстро менять цифры на ценниках. Gyricon Media вложила $20 млн в создание SmartPaper и планировала с её помощью завоевать рынок.
В начале 2001 года E Ink и Philips Components объявили о планах вместе разрабатывать дисплеи с электронными чернилами для ридеров, КПК и других устройств. Структуры Philips согласились инвестировать в разработки E Ink $7,5 млн.
Электронные чернила потребляют примерно сотую часть энергии, которая нужна для жидкокристаллических дисплеев. Ещё они на треть тоньше, в пять раз ярче и контрастнее, но не слепят.
В мае 2003 года E Ink и Philips представили первый прототип дисплея с электронными чернилами на выставке Society for Information Display Exposition в США. Это был экран с разрешением около 60 пикселей на см² — намного больше, чем у предыдущих разработок.
В следующем году компании начали продавать представленный дисплей, первым клиентом стала Sony. В марте 2004 года она выпустила электронную книгу под названием Librie. Устройство продавалось только в Японии и стоило 40 тысяч йен — около $376 по курсу 2004 года
Ридер с шестидюймовым экраном питали четыре пальчиковых батарейки, которых хватало на чтение около 10 тысяч страниц. В памяти на 10 Мбайт умещалось 500 книг.
До сотрудничества с Sony у E Ink были финансовые трудности, возникшие на фоне лопнувшего пузыря доткомов. После сделки с Sony, по словам Уилкокса, инвесторы «вспомнили о компании и возобновили сотрудничество».
Ридеры Sony не стали популярными: к 2009 году продали всего 400 тысяч устройств. Отчасти это было связано с высокой ценой, отчасти с нехваткой книг и слабым маркетингом. В 2014 году компания прекратила производство электронных книг и ушла с этого рынка.
Amazon не была в числе первых производителей ридеров, но в итоге стала лидером. Компания выпустила первый Kindle в США в 2007 году, а на европейский рынок вышла в 2009-м. По данным Statista, в 2010 году в мире было продано 12,8 млн ридеров, Kindle занимала 62,8% рынка.
Первый шестидюймовый Amazon Kindle держал заряд до недели и хранил около 200 книг. Пользователи могли покупать и скачивать книги из магазина Amazon, также у них был доступ к электронному словарю и «Википедии». Первую партию ридеров по $399 раскупили за пять с половиной часов.
В 2008 году Flexible Display Centre, партнёр E Ink, совместно с HP создала первый прототип гибкого дисплея. Технологию SAIL (Self-Aligned Imprint Lithography), которая не даёт дисплею ломаться при сгибании, разработали в HP. FDC отвечала за применение электронных чернил.
В 2010 году HP вышла из проекта. Гибкие дисплеи оказались не очень прочными, ломались после нескольких сворачиваний. HP решила: выгоднее сосредоточиться на создании более лёгких и тонких дисплеев.
E Ink не оставила попыток создать гибкий экран. В 2013 году она представила E Ink Mobius — дисплей на основе технологии Sony Thin Film Transistor.
В апреле следующего года Sony выпустила первое устройство на базе Mobius. Это был ридер Digital Paper DPT-S1 диагональю 13,3 дюйма — примерно как лист А4. Стартовая цена устройства — $1100 — оказалась слишком высокой для рядового покупателя, поэтому Sony со временем снизила её до $800.
Проект закрылся в 2005 году. Николас Шеридон в своём интервью The Future of Things сказал, что это произошло по финансовым причинам. Он руководил научно-исследовательскими работами и после закрытия работал самостоятельно. Шеридон собирался создать «идеальную электронную бумагу».
Помимо Gyricon и E Ink, существовали другие компании, которые параллельно создавали свои электронные чернила. Одна из самых известных — Pixel Qi, основанная в 2008 году.
Экраны Pixel Qi потребляли меньше энергии, чем ЖК-экраны, уменьшали нагрузку на глаза и оставались «читабельными» даже при ярком освещении. Технология применялась не только в электронных книгах: на ней работали нетбук Sunbook и планшет Lattice. Компания ушла с рынка в 2015 году после нескольких неудач.
Bridgestone совместно с Vivitek разрабатывала экран Quick Response Liquid Powder Display. Электронные чернила Bridgestone отображали 4096 цветов. Компании представили технологию на CES в 2011 году, но уже в 2012-м проект закрыли.
Гибкие экраны на электронной бумаге создавала LG. Тонкий и лёгкий дисплей (толщиной 0,7 миллиметра и весом 13 граммов) был прочным и мог сгибаться на 40°. Wexler выпустила ридер на основе технологии LG — Flex One. Однако он не стал популярным. Большая часть крупных производителей уже сотрудничала с E Ink, поэтому LG тоже ушла с рынка.
Другие компании вроде Liquavista, Mirasol и Plastic Logic тоже разрабатывали электронные чернила в 2000-х. Но им не удалось достичь коммерческого успеха.
В 2009 году тайваньская Prime View International (PVI) купила E Ink за $215 млн. PVI и E Ink были давними партнёрами: E Ink разрабатывала дисплеи с электронными чернилами для Sony и Amazon, а PVI писала для них ПО и собирала экраны.
На деньги от сделки E Ink планировала финансировать разработку цветных чернил. Создание цветных электронных чернил стало одной из главных целей компании, поскольку технологию критиковали в основном за монохромность.
В ноябре 2010 E Ink представила дисплей Triton. Он делал изображение на ридере цветным. Первым устройством с таким экраном стала девятидюймовая читалка с разрешением 1200 на 1600 пикселей китайской компании Havon. Цена устройства на 2010 год составляла $440.
Сам пигмент в капсулах оставался чёрно-белым, но за счёт RGB-фильтра на дисплей выводилось цветное изображение. Triton отображал 16 оттенков серого и 4096 цветов, поддерживал простую анимацию.
Тем не менее к появлению цветных электронных чернил многие компании отнеслись скептически. По мнению Amazon, цветные изображения необходимы в кулинарных книгах и книгах для детей, а для них существует специальное приложение для устройств с LCD-экранами.
Кроме того, ридеры по-прежнему уступали планшетам и другим устройствам с ЖК-экранами. Цвета выглядели тусклыми. Частоты обновления экрана не хватало, чтобы смотреть видео. Сами ридеры оставались достаточно дорогими и с изобретением цветных электронных чернил только дорожали.
Цветным чернилам нашли применение там, где не нужно было конкурировать с планшетами и ноутбуками: их приспособили для тех же ценников.
В 2013 году E Ink разработала цветные чернила Spectra. Цвет отображался не за счёт дисплея, а за счёт пигмента в капсулах. Помимо чёрного и белого, появился красный.
Несмотря на преимущества электронных чернил перед ЖК- и OLED-дисплеями, технология не вытеснила их. Некоторые издания связывали это с появлением первых планшетов Apple в 2010 году.
С планшетов можно было читать книги, слушать музыку, смотреть видео и выходить в интернет. Низкая частота обновления экрана, слабая контрастность, отсутствие цвета — минусы электронных чернил стали очевидными.
В конце 2005 года стартовал проект One Laptop per Child (OLPC), который хотел обеспечить ноутбуки для детей из развивающихся стран. Поэтому устройство должно было стоить не более $100, долго работать без подзарядки и иметь доступ в интернет.
ЖК-экраны были слишком дороги, поэтому в ноутбуки встроили технологию E Ink. Авторы проекта остановились на дисплеях, разработанных Мэри Лу Джепсен, основательницей Pilex Qi.
К концу 2007 года компания планировала поставки 150 млн ноутбуков, но на деле даже к 2009-му продали всего несколько сотен тысяч устройств.
Проекту не удалось создать ноутбук за $100. После продажи партий школам и правительствам по всему миру финальная цена OLPC составляла около $290. Проект столкнулся и с конкуренцией: на рынок вышли дешёвые ноутбуки для детей от Intel и Asus, а несколько лет спустя появился iPad, который начали закупать школы.
Как пишет Gizmodo, одной из ошибок OLPC называют саму концепцию проекта: развивающимся странам в первую очередь нужны медицинские услуги, вода и другие насущные товары. Издание назвало попытку «одним из лучших технологических провалов».
E-Ink против LCD: на чем удобнее читать?
E-Ink (электронная бумага, электронные чернила) – технология отображения информации, имитирующая печать на бумаге. В ее основе физическое явление – электрофорез. Изображения на электронной бумаге формируются в отраженном свете, благодаря чему отсутствует мерцание и потребляется мало энергии (она требуется только для смены изображения, например, при перелистывании страниц). Текст на электронной бумаге выглядит точь-в-точь, как на обычной.
Жидкокристаллический дисплей (ЖК, LCD) – это плоский дисплей на основе жидких кристаллов. ЖК-дисплеи используются для отображения информации с компьютеров, ТВ, смартфонов, планшетов и других гаджетов. Для формирования изображения используется просвет матрицы. Поэтому LCD-дисплеи излучают свет. Зато у них широкий цветовой спектр и высокая скорость обновления. Можно играть в игры, смотреть видео.
Это теория. На практике разница технологий E-Ink и LCD означает следующее:
- Солнце. Устройства с электронными чернилами идеальны для тех, кто любит одновременно читать и греться на солнце. В отличие от ЖК-дисплеев, они не бликуют, текст не высвечивается, виден четко, как на обычной бумаге.
- Ночь. Еще несколько лет назад возможность читать в темноте была главным преимуществом читалок с LCD дисплеями. Но с появлением на E-Ink-устройствах подсветок, эта карта бита.
- Энергопотребление. Читалки и планшеты с жидкокристаллическими экранами нужно заряжать каждый день или через несколько дней (в зависимости от модели). E-Ink-читалки живут без подзарядки от недели до нескольких месяцев. Kindle Paperwhite обещает до 8 недель на одной зарядке (с включенной подсветкой), iPad mini с дисплеем Retina – всего 10 часов автономной работы.
- Цена. E-Ink-устройства дешевле планшетов. К примеру, Kindle Paperwhite на Amazon’е стоит $139.00. Nexus 7 (16GB) – $229.
E-Ink vs LCD: стиль чтения
Но если читалки с электронными чернилами так хороши, почему некоторые книголюбы покупают планшеты с ЖК-дисплеями? Наверное, потому, что им просто читать – мало.
Каким бы продвинутым ни было E-Ink-устройство, его основная и единственная функция – чтение. Между тем, стиль чтения у всех разный. Кто-то читает потоково, а кто-то любит делать перерывы на то, чтобы проверить электронную почту, поиграть, послушать музыку. В этом планшеты с ЖК-дисплеями выигрывают.
Также, если вы любите книжки с цветными картинками, E-Ink не для вас. Существуют цветные электронные чернила, но устройства на их основе редки и дороги. Kyobo eReader при выходе на рынок стоил порядка $310, примерно такая же средняя розничная цена у недавно появившегося PocketBook Color Lux.
Кроме того, если вам нравится, вычитав остроумную цитату, сразу ее затвитить, то на планшете с шустрым ЖК-дисплеем будет все же удобнее. Wi-Fi в читалках с электронными чернилами предназначен, главным образом, для обновления «библиотеки», а не для общения в социальных сетях.
E-Ink vs LCD: зрение
Многие утверждают: электронная бумага снижает нагрузку на глаза, из-за отсутствия излучения можно читать долго и глаза не устанут. Сторонники LCD-дисплеев парируют – а часами сидеть за компом глаза не болят?
На самом деле, в 2012 году было проведено исследование, которое положило конец спорам. Ученые пришли к выводу, что с офтальмологической точки зрения нет никакой разницы между чтением с E-Ink-устройств и чтением с планшетов с LCD-экранами. Правда, если речь идет о современных гаджетах с ЖК-дисплеями высокого разрешения. Кроме того, подразумеваются «идеальные» условия, когда на экран не падает свет и он не бликует.
Таким образом, казалось бы, E-Ink-читалки однозначно выигрывают у устройств вроде Kindle Fire или Nook HD, если речь идет сугубо о чтении. Они дешевле и удобнее.
Но! Если, помимо книг, вам нужны еще и браузер, приложения, соц.сети, то, очевидно, что выбирать девайсы с электронными чернилами неразумно – они слишком «медлительны» для этого.
Вероятно, все зависит от ваших целей.
На ваш взгляд, что же лучше: E-Ink или LCD? Приглашаем книголюбов подискутировать в комментариях.
Электронная бумага: из мира научной фантастики – в реальность
Концепт электронной бумаги объединяет в себе преимущества как печатных страниц, так и компьютерных дисплеев. Подобно первым, она тонкая, легкая, гибкая, не нуждается в энергии для поддержания изображения, формирует достаточно контрастную, не раздражающую глаз картинку, видимую при отраженном свете под любым углом. Подобно вторым, она способна к обновлению информации (например, через Интернет) и демонстрации движущихся объектов.
Электронная бумага может стать решением целого ряда экологических проблем, например позволит сократить вырубку лесов, снизить потребление энергии, тем самым дав фору и целлюлозе, и традиционным мониторам. Благодаря ей многие фантастические идеи войдут в нашу реальную жизнь: анимированная упаковка и этикетки, газеты и журналы, которые самостоятельно «освежают» свое содержание, многостраничные книги толщиной в один лист…
Если говорить о потенциальных сферах использования электронной бумаги, то для начала следует назвать портативные устройства для чтения. Высококонтрастные, экономные в потреблении электроэнергии, тонкие, прочные, гибкие и потенциально дешевые носители как нельзя лучше подошли бы для цифровых журналов, газет, книг, просмотра фотографий, а при наличии сенсорной поверхности даже заменили бы блокнот и карандаш. Первые гэджеты с электрофоретическими экранами, например Sony LIBRIe2 или Jinke Hanlin V8, уже появились на рынке.
Кстати, на прошедшей в Лас-Вегасе выставке Consumer Electronic Show (CES) были представлены как минимум две свежие разработки в этой области. Одна из них – устройство Sony Reader, предназначенное для чтения книг в электронном виде. Благодаря функции поддержки импорта RSS-потоков оно способно автоматически обновлять информацию из Интернета через компьютер. Как сообщается, Sony Reader должен поступить в продажу по цене от $300 до 400. Правда, он имеет жесткую стеклянную подложку, в отличие от второго «электронно-бумажного» решения, показанного на CES.
Philips продемонстрировала прототип гибкого дисплея Polymer Vision PV-QML5 с диагональю 5", разрешением 320×240 точек и отображением четырех оттенков серого, изготовленный с применением технологии E-Ink, а также портативное устройство Readius, оборудованное этим экраном. Последний может быть скручен в трубочку диаметром всего 7,5 мм, толщина же самой матрицы составляет 0,1 мм.
Интеллектуальные ценники на полках супермаркетов – еще один вариант применения цифровой бумаги. Это очень простые устройства, состоящие из электронного дисплея, источника энергии и приемника. Такие ценники не нужно переписывать вручную – все изменения быстро и легко вносятся через центральный компьютер. Изображение прекрасно различимо под любым углом; дисплеи потребляют очень мало энергии и способны прослужить до шести лет.
По подобному же принципу могут действовать электронные доски объявлений и постеры, POP-мониторы и другие конструкции, предназначенные для продвижения товаров и услуг. Корейская компания Neolux Corporation уже снабжает супермаркеты и магазины «чернильными» дисплеями, оснащенными программирующим устройством. Благодаря им использование анимационной рекламы, эффективность которой для розничной торговли давно признана, теперь уже не ограничивается внешним видом, размером, ценой и энергопотреблением устройств при ее демонстрации.
Недаром именно этот способ выбрала компания Microsoft – согласитесь, весьма солидный заказчик. В Южной Корее она таким образом продвигает игру Jade Empire для своей приставки Xbox. «Бумажные» дисплеи способны до полугода обеспечивать непрерывную анимационную демонстрацию всего лишь на двух батарейках AA, а значит, как нельзя лучше подходят для использования в условиях ограниченного доступа к энергопитанию. К тому же изображение на них хорошо видно под любым углом и при любом освещении.
Электронная бумага могла бы стать отличным решением для кредитных карт. Их пользователи испытывают неудобства, связанные с необходимостью доступа к считывающему устройству, чтобы узнать оставшуюся на счету сумму. Данную проблему решил бы встроенный дисплей, но LCD-экраны для этого слишком дороги, хрупки и «прожорливы». А вот «бумажный» дисплей – дешевый и прочный, и питание ему требуется лишь для изменения изображения, что обычно происходит при контакте со считывающим устройством. Если последнее оснастить зарядным приспособлением, то для карт даже не потребуются батарейки.
Электронная бумага в мобильных телефонах и различных наладонниках, в игрушках и учебных устройствах, в интеллектуальной и анимированной упаковке – эти идеи уже не только разрабатываются, но и воплощаются в жизнь. Например, на ювелирно-часовой выставке BASELWORLD 2005 компании Seiko Watch и Seiko Epson демонстрировали наручные часы из цифровой бумаги. Еще одни часы, только уже настенные, представила японская Citizen 12 декабря 2005 г. Размер их гибкого дисплея – 23×36 см, потребление электроэнергии в 20 раз ниже, чем у традиционного электронного аналога такого же размера, а масса всего 1,5 кг при толщине конструкции 3 мм. Причем изображение легко различимо даже под углом, близким к 180°.
А «коктейль» из цифровой бумаги и RFID-технологии (радиочастотная идентификация) позволит создать «умные» билеты, которые, не только выполнят функцию пропуска, но и обеспечат пользователя множеством полезной информации.
Что же касается устройств для чтения книг, зедсь может возникнуть проблема защиты авторских прав: вряд ли издатели молча стерпят внедрение столь удобного инс-трумента для кражи интеллектуальной собственности. Обязательными составляющими рыночного успеха таких «книжиц» являются надежные системы защиты от пиратства и отшлифованное законодательство – по крайней мере Украина пока не может похвастаться ни тем, ни другим. Хотя, с другой стороны, IT-продвинутая публика уже давно читает тексты с КПК или даже мобильных телефонов, которые, помимо этого, имеют еще массу полезных функций.
Другая причина «торможения» идеи электронной бумаги кроется в себестоимости производства, каковую пока не удается снизить до желаемого уровня. К примеру, именно из-за этого вышла из игры компания Xerox, хотя ей, собственно, и принадлежат первые разработки в данной области. Совсем недавно, в январе 2006 г., она заявила о закрытии подразделения Gyricon Media, объяснив, что оказалась неспособной обеспечить производство задних панелей для электронной бумаги Gyricon стоимостью меньше чем $10 за квадратный фут и сочла это критичным для рыночного успеха вывесок, изготовленных по такой технологии.
Впрочем, таковы уж законы природы и рынка – выживают сильнейшие. И есть еще много производителей, очень оптимистично оценивающих шансы электронной бумаги. Так, устройство для чтения документов Sony Reader начнет продаваться уже в первом квартале этого года, а вскоре (в апреле) должны стартовать поставки монохромных дисплеев Hitachi для рекламных щитов и вывесок (100 dpi, толщина 1 см, диагональ 13,1"). Руководство Fujitsu обещает начать массовое производство и реализацию цветной цифровой бумаги в марте 2007 г. А Seiko Epson в 2007–2008 гг. планирует запустить в продажу портативные устройства с «бумажными» экранами и в ближайшие пять лет нагрянуть на рынок книг, газет и журналов со сворачиваемыми дисплеями формата А4. Что ж, скоро мы узнаем, осуществимы ли эти обещания и насколько реально увидеть очередной номер «Домашнего ПК» толщиной в один лист.
Как это работает
Электронные чернила: капля за каплей
Идея создания электронной бумаги будоражила человеческие умы не один десяток лет, прежде чем в 1997 г. ученые из Массачусетского технологического института изобрели уникальный способ формирования изображения с помощью так называемых электронных чернил. Незамедлительно возникла одноименная корпорация E-Ink, призванная совершенствовать и коммерциализировать разработанную технологию.
 |
| E-INK Микрокапсулы-пикселы |
А заключается принцип действия электронных чернил в использовании такого физического явления, как электрофорез (рис. 1). Активный слой экрана содержит миниатюрные (примерно в толщину человеческого волоса) прозрачные капсулы с черными и белыми частичками, которые по-разному реагируют на изменение электрического потенциала: позитивно заряженные белые частицы притягиваются к отрицательно заряженным электродам, а негативно заряженные черные – к контактам, имеющим положительный заряд. Таким образом, в зависимости от значения электрического потенциала пользователь будет наблюдать на экране электронно-чернильного дисплея появление белых или черных пятен. Сформировав управляющую электродами матрицу и расположив над ней активную область экрана с микрокапсулами, можно создавать довольно большие и сложные изображения. Они остаются на дисплее даже при отсутствии питания, требующегося только для изменения картинки – такая экономия энергии является немаловажным преимуществом для портативных устройств. Впрочем, данная разработка не лишена и недостатков, главный из которых – слишком большая инерционность. Четырех кадров в секунду явно маловато для отображения видео, хотя для текстовой информации этого достаточно, тем более что разрешение 170 dpi и отсутствие мерцания создают все условия для комфортного чтения.
Первый прототип цветного электронно-чернильного дисплея, представленный общественности в 2001 г., стал плодом сотрудничества E-Ink с TOP-PAN Printing Company – мировым лидером по производству цветных фильтров для плоскопанельных мониторов. Разработкой дисплеев высокого разрешения для использования в электронных книгах, КПК, устройствах мобильной коммуникации и т. п. E-Ink занялась совместно с корпорацией Royal Philips Electronics, а Lucent/Bell Labs стала ее партнером в создании электронной бумаги на основе гибких пластиковых дисплеев.
Шарики да ролики
Однако ученые Массачусетского технологического института (MIT) были не первыми, кому пришла в голову мысль об электронной бумаге. Более чем на 10 лет их опередили сотрудники Xerox, которые в знаменитых лабораториях Palo Alto Research Center разработали концепцию под названием Gyri-con. Но по каким-то причинам исследования были приостановлены, возможно, в ожидании появления конкурентов, что и произошло в конце 90-х гг., когда MIT явил свету собственное детище. И вот 6 декабря 2000 г. была основана дочерняя компания Gyricon Media, в чьи задачи входил серийный выпуск и продвижение так называемой электронной бумаги многоразового использования. Первыми изделиями, изготовленными по технологии Xerox, стали специальные вывески для центров розничной торговли.
Дебютировали такие двухцветные указатели размером 27,5×35 см с ценами и текстом, как и обещали представители Xerox, уже в июне 2001 г. в магазинах Macy’s штата Нью-Джерси. Изображения на этих бумажных с виду экранах обновлялись в считанные секунды с помощью беспроводного пульта.
 |
| GYRICON Вращающиеся шарики |
На самом деле электронная бумага Gyricon (рис. 2) представляет собой тонкий слой полиэтилена с множеством микроскопических шариков, рассеянных по поверхности слоя. Они находятся в заполненных жидкой субстанцией впадинах, где могут свободно вращаться. Каждый раскрашен в два цвета, чаще всего – в черный и белый.
Шарики обладают электрическим зарядом и реагируют на электромагнитное поле, обращаясь к наблюдателю в каждый момент какой-то одной стороной. На листе цифровой бумаги может образовываться любая комбинация двух цветов, в зависимости от определенного электромагнитного поля на его поверхности. Это изображение остается до тех пор, пока не будет создано другое электромагнитное поле.
Масло и вода: сила несовмеcтимости
Вскоре после появления первых образцов электронной бумаги многие игроки IT-рынка по достоинству оценили потенциал этой идеи. Боясь упустить предполагаемую золотую жилу, они бросились копать: кто вглубь, опираясь на сотрудничество с E-Ink, а кто вширь, принявшись развивать собственные технологии. Настоящие же стратеги, такие как компания Philips, решили не ставить все на одну карту. Начав в 2001 г. партнерство (и довольно плодотворное) с E-Ink, она параллельно работала и над другими вариантами воплощения данной концепции в жизнь.
 |
| Электросмачивание |
Усилия оказались не напрасными: в сентябре 2003 г. исследовательская лаборатория Philips Rese-arch представила технологию электронной бумаги, действующую по принципу электросмачивания (рис. 3). Каждый ее пиксел – это взвешенная в водянистой среде капелька масла, которая в обычных условиях растекается по всей ячейке, образуя под действием сил поверхностного натяжения пленку на воде. Если же создать электрическое поле достаточной величины, масло начнет собираться в каплю, освобождая при этом большую часть водной поверхности. Подложка-электрод выполнена из водоотталкивающего материала, так что масло прилипает к ней, а после исчезновения напряжения тут же растекается обратно. Ячейки разделены перегородками толщиной около 5 мкм, а сверху вся эта конструкция герметично закрыта слоем стекла с напыленным вторым электродом, потому дисплей пока получается жестким. Однако разработчики утверждают, что вместо стекла удастся использовать полимерные пленки, и тогда экран можно будет сворачивать в трубочку и класть в карман.
Итак, при отсутствии напряжения получается темная точка, поскольку масляная пленка плохо отражает падающий свет, а при его подаче – светлая, так как масло освобождает большую часть поверхности. И чем выше прилагаемое напряжение, тем сильнее сжимается капелька «чернил», что сулит огромные возможности по передаче градаций серого. Быстродействие такой ячейки составляет примерно 12 мс. Что касается разрешающей способности экрана, то она напрямую зависит от размера ячеек, а тут перспективы весьма радужны: уже на стадии предварительных испытаний была опробована матрица с разрешением 160 ppi. В принципе реально и получение полноцветного изображения при использовании четырех субпикселов, окрашенных по стандарту CMYK.
Эта модель в отличие от электрофоретической применима благодаря высокой частоте смены кадров и для показа видео. Однако для поддержки изображения ей требуется постоянное питание – правда, довольно скромное. Коммерческие поставки таких дисплеев Philips планирует начать к 2010 г.
На арену выходит нано
На этом список технологий, претендующих на звание электронной бумаги, не исчерпывается. Все в том же 1997 г., когда в Массачусетсе закладывались основы корпорации E-Ink, по другую сторону Атлантики и на базе другого университета – Дублинского – появилась фирма под названием NTera, которая разработала дисплей NanoChromics, или NCD. Первый его прототип был представлен в ноябре 2001 г. совместно с компанией Densitron Technologies.
 |
| NANOCHROMICS «Чернила на бумаге» |
Принцип работы ирландского экрана на первый взгляд довольно прост (рис. 4). На отражающий слой наночастиц диоксида титана (химического соединения, придающего белоснежность обычным бумажным листам) наносится электрохромный слой из виологена (прозрачного полимера с нанопористой структурой), который под действием электрического заряда способен терять прозрачность, достигая при этом уровня насыщенного темно-синего цвета. Пространство между диоксидом титана и виологеном заполнено специальным электролитом.
«Выключенный» экран выглядит абсолютно белым, а при подаче напряжения на определенные участки NanoChromics формируется изображение с хорошей контрастностью – разработчики недаром окрестили этот дисплей ink-on-paper («чернила на бумаге»). Его угол обзора составляет 180°, а благодаря значительной мобильности пигментного слоя на основе электрохромных наночастиц достигается высокая частота смены кадров (до 60 кадров в секунду).
К тому же NCD нетребовательны к температурным условиям: например, настольные часы на их основе работают и при -35, и при +80 °С.
Надо сказать, что для прорисовки начального изображения экран потребляет довольно много энергии, однако полученная картинка остается на нем в течение долгих дней или недель, не нуждаясь в питании. Все выпущенные дисплеи компании пока монохромны, но представители NТera утверждают, что в дальнейшем этот недостаток может быть устранен. Кроме того, NTera уже продемонстрировала прототип NCD на основе гибкой подложки и сейчас работает над ее удешевлением и упрочнением.
Жидкокристаллический реванш
Интересно, что разработчики всех вышеописанных «бумажных» технологий, перечисляя преимущества своих продуктов, непременно противопоставляют их недостаткам жидкокристаллических мониторов: мол, и контрастность у них ниже, и угол обзора меньше, и энергопотребление высокое, и мерцание неприятное… Что же, старик LCD, проработав на рынке свыше тридцати лет, морально обветшал и обречен на гибель под натиском более продвинутых технологий?
Отнюдь нет! У ЖК-дисплеев, как оказалось, остается еще немало нераскрытых козырей. Один из них – холестерические жидкие кристаллы, которые, в отличие от традиционных нематических, обеспечивают меньшее потребление энергии, стабильность и высокую отражательную способность. Их молекулы расположены в форме спирали, в зависимости от осевого направления которой падающий свет отражается или поглощается. Изменение этого аксиального направления обеспечивается посредством приложенного к кристаллам напряжения.
Именно этот принцип использовала компания Fujitsu в своей версии электронной бумаги, которую представила в июле 2005 г. Она состоит из трех слоев холестерических жидких кристаллов. Каждый слой содержит пикселы определенного цвета – красного, синего или зеленого (RGB), а четвертый, находящийся поверх предыдущих, защищает их от возможных повреждений и предотвращает искажения картинки при изгибе пластины бумаги. Образец имеет диагональ 3,8" и толщину 0,8 мм (в будущем она может еще уменьшиться). Количество отображаемых оттенков пока не слишком велико и составляет 512. Для поддержания картинки электронная бумага Fujitsu не требует постоянного питания – энергия расходуется только в момент изменения изображения. Потребляемая мощность представленного прототипа в десятки раз ниже, чем у обычных мониторов. Кроме того, она гнется, а изображение не блекнет в отраженном свете, т. е. при нормальном дневном освещении. Многие аналитики именно гибким LCD пророчат крупнейшую долю на рынке электронной бумаги в период с 2010 по 2020 г.
Кроме того, к теме данной статьи условно можно отнести разработанную в 80-х гг. в Великобритании технологию OLED (Organic Light Emitting Diode). Свойство некоторых органических полимеров излучать свет при подаче на них напряжения позволяет создавать сверхтонкие (до 10 мкм) полноцветные экраны с углом обзора почти 180°. Пока по ряду технологических причин их не удается сделать гибкими, они нестабильны и, будучи светоэмиссионными по своей природе, не могут использоваться при ярком свете.
Вторая бумажная: эволюция электронной бумаги
Разработки в этой области насчитывают уже три с половиной десятка лет, тем не менее с выходом на массовый рынок долгожданное новшество должно полностью изменить наши привычки, связанные с чтением, письмом и обучением. Вполне возможно, что мы стоим на пороге такой революции, которую можно сравнить лишь с аналогичным техническим чудом XV века — изобретением печатного станка. Электронная бумага гибка, потребляет ничтожные количества энергии, дешева и технологична, а главное — проста и удобна в использовании. Еще не успеет подойти к концу следующее десятилетие, а мы уже привыкнем и к библиотекам, умещающимся на микрочипах, и к исчезновению большей части печатающихся на бумаге газет. Грядет «вторая бумажная революция».
Инкубатор идей
В 1970-х годах исследовательский центр компании Xerox в Пало-Альто (PARC) выступал в роли локомотива технического прогресса. Именно там были выношены и нашли свое воплощение такие атрибуты будущего компьютерного мира, как компьютерная «мышка», лазерный принтер, сеть Ethernet, графический пользовательский интерфейс, цветная графика и множество перспективных языков программирования. В 1974 году один из сотрудников PARC Николас Шеридон разработал еще одну новинку, которая едва не потерялась в этом бурном потоке революционных изобретений, — Gyricon (от греческого — «вращающееся изображение»). В конце концов именно эта идея и легла в основу электронной бумаги.
В конце 1960-х в PARC разрабатывали персональный компьютер Alto. Это был первый в мире офисный компьютер для работы с текстами, но у изумительного аппарата был один серьезный недостаток — его дисплей на основе электронно-лучевой трубки хотя и был лучшим по тем временам, все равно был недостаточно ярким и контрастным, и работать с ним можно было только в затемненном помещении. Нескольким исследователям поручили найти более удачное решение, которое позволило бы работать при нормальном освещении. Ник Шеридон разработал Gyricon, дисплей на основе двухцветных микрошариков, и дисплей, основанный на электрокапиллярном эффекте. Остальные сотрудники работали над принципом электрофореза (в дальнейшем разработка таких дисплеев была прекращена из-за очень малого ресурса этих устройств).
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
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).
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».
Рождение электронной бумаги
«Потребность в подобной технологии я осознал еще в конце 1980-х, — вспоминает Шеридон. — Беседуя в лаборатории, мы неоднократно обсуждали безбумажные технологии, которые должны были появиться с массовым внедрением персональных компьютеров. Но "офис без бумаги" так и остался мечтой. Даже наоборот — персональный компьютер сам оказался жадным потребителем бумаги. В основном это объяснялось стремлением к комфорту — читать документы на бумаге было куда приятнее, чем рассматривать их на мерцающем экране. Всякий документ, который занимал больше половины странички, люди предпочитали распечатать, затем прочитать и в течение того же дня выбросить в корзину. Наблюдалась явная потребность в электронном дисплее, который обладал бы свойствами бумаги, — то есть в электронной бумаге! И вот тут я понял, что Gyricon, который я изобрел еще в начале 1970-х, может выступить кандидатом на роль электронной бумаги. Я занялся вопросами производства таких дисплеев и устранением некоторых ранних недостатков. В ту пору я работал один, не считая очень хорошего лаборанта, который был выделен мне в помощники».
Как устроена электронная бумага
Технология Gyricon, разработанная в 1970-х годах Ником Шеридоном в корпорации Xerox, — это тонкая пластинка гибкого пластика, внутри которой находятся полости, наполненные маслом. Внутри каждой полости свободно плавает пластиковая бусинка, одна полусфера которой окрашена в белый цвет и имеет, скажем, положительный заряд, а вторая полусфера — в черный цвет и несет отрицательный заряд. Если к задней плоскости, снабженной системой электродов, приложить электрическое напряжение, бусинки повернутся так, что из них сложится двухцветное изображение.
Разумеется, с тех пор как была разработана технология Gyricon, разработчики значительно продвинулись в области производства электронной бумаги. Сейчас подобные технологии разрабатывают такие компании, как E Ink, SiPix, Polymervision и многие другие, не считая таких гигантов, как Sony, IBM, Hewlett-Packard, Philips, Fujitsu, Hitachi, Siemens, Epson. На современном этапе некоторые из новинок, построенных на принципе электронной бумаги, представляют собой лишь роскошные безделушки – таковы, к примеру, наручные часы ценой более $2000, которые выпустила ограниченным тиражом компания Seiko. Впрочем, есть на рынке и более полезные вещи. Тонкие цветные дисплеи на основе электронной бумаги, которые могут использоваться как товарные ярлыки, сейчас активно разрабатываются в компании Siemens (кстати, технология Gyricon изначально предполагалась для использования в качестве вывесок и рекламных щитов). «Мы разработали очень тонкие цветные дисплеи, которые можно полиграфическим образом наносить на бумагу или фольгу, – объясняет сотрудник компании Siemens Тилл Мур. – Себестоимость таких дисплеев по сравнению с обычными ЖК-дисплеями очень невелика. Подобные изделия имеют огромный рыночный потенциал в качестве «интерактивной упаковки». К примеру, на коробке с лекарствами можно было бы иметь инструкцию по применению на разных языках, которые менялись бы с нажатием кнопки. В будущем такие дисплеи могут применяться буквально повсюду – на картонной упаковке пищевых продуктов, на коробках с лекарствами и даже на входных билетах».
Другая технология, широко распространенная в настоящее время в мобильных устройствах для чтения, разработана компанией E Ink, основанной в 1997 году. Компания взяла за основу исследования электрофореза, начатые в Media Lab Массачусетского технологического института. Такая конструкция содержит миллионы крошечных микрокапсул диаметром примерно по 100 мкм. В каждой капсуле содержится прозрачная жидкость, в которой плавают положительно заряженные белые частицы и отрицательно заряженные черные. При подаче на прозрачные электроды напряжения частицы соответствующего цвета всплывают к верхушке микрокапсулы, так что для наблюдателя эта зона будет выглядеть как белая или черная точка. Яркость и разрешение «электронной бумаги», изготовленной на принципах электрофореза, оказались выше, чем у Gyricon, однако оба метода обеспечивают монохромное изображение. Для создания цветного дисплея компания E Ink объединила усилия с японской компанией Toppan Printing, которая занимается выпуском цветных фильтров. Основной недостаток электрофорезной бумаги — низкая скорость обновления рисунка. Поэтому такие дисплеи не подходят для демонстрации, скажем, видео: чтобы частицы переместились внутри микрокапсулы, требуется определенное время. Но зато при отсутствии электрического поля изображение сохраняется (как и в случае с Gyricon).