Введение
Электронная бумага, также известная как электронные чернила (e ink) или интеллектуальная бумага, – это устройство отображения, имитирующее внешний вид обычных чернил на бумаге. В отличие от традиционных плоских дисплеев, излучающих свет, дисплей электронной бумаги отражает окружающий свет, подобно бумаге. Это может сделать чтение более комфортным и обеспечить более широкий угол обзора по сравнению с большинством излучающих свет дисплеев. Контрастность электронных дисплеев, доступных на 2008 год, приближается к контрастности газетной бумаги, а недавно разработанные дисплеи демонстрируют незначительное улучшение. Идеальный дисплей на электронной бумаге можно читать при прямом солнечном свете, не опасаясь, что изображение выцветет. К технологиям относятся гирикон, электрофорез, электросмачивание, интерферометрия и плазмоника. Многие технологии электронной бумаги способны сохранять статический текст и изображения неограниченно долго без подачи электроэнергии. Гибкая электронная бумага использует пластиковые подложки и пластиковую электронику для задней панели дисплея. Области применения электронной бумаги включают электронные ценники, цифровые вывески, расписания на автобусных остановках, электронные билборды, дисплеи для смартфонов и электронные читалки, способные отображать цифровые версии книг и журналов.
Electronic paper, also known as electronic ink (e ink) or intelligent paper, is a display device that mimics the appearance of ordinary ink on paper. Unlike conventional flat panel displays that emit light, an electronic paper display reflects ambient light, like paper. This may make them more comfortable to read, and provide a wider viewing angle than most light emitting displays. The contrast ratio in electronic displays available as of 2008 approaches newspaper, and newly developed displays are slightly better. An ideal e paper display can be read in direct sunlight without the image appearing to fade. Technologies include Gyricon, electrophoretics, electrowetting, interferometry, and plasmonics. Many electronic paper technologies hold static text and images indefinitely without electricity. Flexible electronic paper uses plastic substrates and plastic electronics for the display backplane. Applications of e paper include electronic shelf labels and digital signage, bus station time tables, electronic billboards, smartphone displays, and e readers able to display digital versions of books and magazines.
Жирикон
Электронная бумага была впервые разработана в 1970-х годах Ником Шеридоном в Исследовательском центре Xerox в Пало-Альто. Первая электронная бумага, названная Gyricon, состояла из полиэтиленовых сфер диаметром от 75 до 106 микрометров. Каждая сфера является частицей Януса, состоящей из отрицательно заряженного черного пластика с одной стороны и положительно заряженного белого пластика с другой (каждая бусина, таким образом, представляет собой диполь). Сферы встроены в прозрачный силиконовый лист, при этом каждая сфера подвешена в масляном пузырьке, чтобы она могла свободно вращаться. Полярность приложенного к каждой паре электродов напряжения определяет, какой стороной – белой или черной – она обращена вверх, тем самым придавая пикселю белый или черный цвет. На выставке FPD 2008 японская компания Soken продемонстрировала стену с электронной обойной бумагой, использующей эту технологию. В 2007 году эстонская компания Visitret Displays разрабатывала этот тип дисплея, используя фторид поливинилидена (PVDF) в качестве материала для сфер, что значительно улучшало скорость отображения видео и снижало необходимое управляющее напряжение.
Электрофоретические
Электрофоретический дисплей (ЭФД) формирует изображения путем перераспределения заряженных частиц пигмента под воздействием электрического поля. В простейшей реализации ЭФД частицы диоксида титана (титана) диаметром около одного микрометра диспергированы в углеводородном масле. В масло также добавляют тёмный краситель, поверхностно-активные вещества и агенты, обеспечивающие заряд частиц, что заставляет их приобретать электрический заряд. Эта смесь помещается между двумя параллельными проводящими пластинами, разделенными зазором от 10 до 100 микрометров. При подаче напряжения на пластины частицы мигрируют электрофоретически к пластине с противоположным зарядом. Когда частицы находятся на передней (просматриваемой) стороне дисплея, он выглядит белым, поскольку свет рассеивается обратно к зрителю частицами титана с высоким показателем преломления. Когда частицы находятся на задней стороне дисплея, он выглядит тёмным, поскольку свет поглощается цветным красителем. Если задний электрод разделен на множество небольших элементов изображения (пикселей), то изображение формируется путем подачи соответствующего напряжения на каждую область дисплея для создания узора из отражающих и поглощающих областей. ЭФД обычно управляются с использованием технологии тонкоплёночных транзисторов (TFT) на основе MOSFET. TFT часто используются для формирования изображения высокой плотности в ЭФД. Распространенным применением ЭФД на основе TFT являются электронные книги. Электрофоретические дисплеи считаются яркими примерами категории «электронная бумага» благодаря своему внешнему виду, похожему на бумагу, и низкому энергопотреблению. Примеры коммерческих электрофоретических дисплеев включают дисплеи с высоким разрешением и активной матрицей, используемые в Amazon Kindle, Barnes & Noble Nook, Sony Reader, Kobo eReader и iRex iLiad. Эти дисплеи изготовлены из электрофоретической плёнки для формирования изображения, производимой компанией E Ink Corporation. Мобильный телефон, использовавший эту технологию, – Motorola Fone. Технология электрофоретического дисплея также была разработана компаниями SiPix и Bridgestone/Delta. SiPix теперь является частью E Ink Corporation. Конструкция SiPix использует гибкую архитектуру Microcup размером 0,15 мм, в отличие от микрокапсул диаметром 0,04 мм, используемых E Ink. Подразделение передовых материалов Bridgestone Corp. сотрудничало с Delta Optoelectronics Inc. в разработке технологии дисплеев с быстродействующим жидким порошком. Электрофоретические дисплеи могут быть изготовлены с использованием процесса Electronics on Plastic by Laser Release (EPLaR), разработанного Philips Research, что позволяет существующим предприятиям по производству AM LCD создавать гибкие пластиковые дисплеи.
Отражающие ЖК-дисплеи
Эта технология аналогична обычным ЖК-дисплеям, но в ней панель подсветки заменена отражающей поверхностью. Аналогичный эффект можно получить и в ЖК-дисплеях с подсветкой, отключив управление подсветкой программно или аппаратно.
Электроветирование
Электросмачивание (ЭСМ) основано на управлении формой замкнутого интерфейса вода/масло посредством приложенного напряжения. При отсутствии напряжения (цветное) масло образует плоскую пленку между водой и гидрофобным (водоотталкивающим) изолирующим покрытием электрода, что приводит к формированию цветного пикселя. При подаче напряжения между электродом и водой поверхностное натяжение между водой и покрытием изменяется. В результате, устойчивое состояние нарушается, и вода вытесняет масло в сторону. Это создает частично прозрачный пиксель или, если под переключаемым элементом находится отражающая белая поверхность, – белый пиксель. Благодаря небольшому размеру пикселей пользователь воспринимает только среднее отражение, обеспечивающее высокую яркость и высокий контраст переключаемого элемента. Дисплеи на основе электросмачивания обладают рядом привлекательных характеристик. Переключение между белым и цветным отражением достаточно быстро для отображения видеоконтента. Это технология с низким энергопотреблением и низким напряжением, а дисплеи, основанные на этом эффекте, могут быть плоскими и тонкими. Отражающая способность и контрастность превосходят или равны другим типам отражающих дисплеев и приближаются к визуальным качествам бумаги. Кроме того, технология открывает уникальный путь к созданию полноцветных дисплеев высокой яркости, обеспечивая яркость в четыре раза выше, чем у отражающих ЖК-дисплеев, и в два раза выше, чем у других перспективных технологий. Вместо использования красных, зеленых и синих (RGB) фильтров или чередующихся сегментов трех основных цветов, что фактически приводит к тому, что только одна треть дисплея отражает свет в нужном цвете, электросмачивание позволяет создать систему, в которой один субпиксель может независимо переключать два разных цвета. Это обеспечивает возможность использования двух третей площади дисплея для отражения света любого желаемого цвета. Это достигается путем создания пикселя, состоящего из стека двух независимо управляемых цветных масляных пленок и цветового фильтра. Цвета – голубой, пурпурный и желтый, что представляет собой вычитающую систему, аналогичную принципу, используемому в струйной печати. По сравнению с ЖК-дисплеями, яркость выше, поскольку не требуются поляризаторы.
Электрофлюиды
Электрофлюидный дисплей – это разновидность электросмачиваемого дисплея, в котором водная дисперсия пигмента помещается в крошечный резервуар. Резервуар занимает менее 5–10% видимой площади пикселя, поэтому пигмент в значительной степени скрыт от обзора. Напряжение используется для электромеханического извлечения пигмента из резервуара и распределения его в виде пленки непосредственно за просматриваемой подложкой. В результате дисплей приобретает цвет и яркость, аналогичные обычным пигментам, напечатанным на бумаге. При снятии напряжения поверхностное натяжение жидкости заставляет дисперсию пигмента быстро возвращаться в резервуар. Технология потенциально может обеспечить отражающую способность белого цвета более 85% для электронной бумаги. Основная технология была изобретена в Лаборатории новых устройств Университета Цинциннати, и существуют рабочие прототипы, разработанные в сотрудничестве с Sun Chemical, Polymer Vision и Gamma Dynamics. Она обладает значительным запасом по таким важным параметрам, как яркость, насыщенность цвета и время отклика. Поскольку оптически активный слой может быть менее 15 микрометров толщиной, существует большой потенциал для создания гибких дисплеев.
Интерферометрический модулятор (Mirasol)
Технология, используемая в электронных визуальных дисплеях для создания различных цветов посредством интерференции отраженного света. Цвет выбирается с помощью электрически управляемого модулятора света, содержащего микроскопическую полость, которая включается и выключается при помощи драйверных интегральных схем, аналогичных используемым в жидкокристаллических дисплеях (LCD).
Плазмонический электронный дисплей
Плазмонные наноструктуры с проводящими полимерами также были предложены в качестве одного из видов электронной бумаги. Материал состоит из двух частей. Первая часть – высокоотражающая метаповерхность, изготовленная из металлических изоляторных плёнок толщиной в десятки нанометров, содержащая наноразмерные отверстия. Метаповерхности могут отражать различные цвета в зависимости от толщины изолятора. Стандартная цветовая схема RGB может использоваться в качестве пикселей для полноцветных дисплеев. Вторая часть – полимер с оптическим поглощением, управляемым электрохимическим потенциалом. После нанесения полимера на плазмонные метаповерхности, отражение метаповерхностей может модулироваться приложенным напряжением. Эта технология обеспечивает широкий цветовой охват, высокую поляризационную независимость отражения (>50%), высокий контраст (>30%), быстрое время отклика (сотни мс) и долгосрочную стабильность. Кроме того, она характеризуется ультранизким энергопотреблением (< 0,5 мВт/см²) и потенциалом для высокого разрешения (>10000 dpi). Поскольку ультратонкие метаповерхности гибкие, а полимер мягкий, вся система может быть согнута. Перспективными направлениями для дальнейшего развития этой технологии являются достижение бистабильности, использование более дешевых материалов и интеграция с массивами TFT.
Другие технологии
Другие исследования в области электронной бумаги включали использование органических транзисторов, встроенных в гибкие подложки, включая попытки создания их на основе обычной бумаги. Простая цветная электронная бумага состоит из тонкого цветного оптического фильтра, добавленного к описанной выше монохромной технологии. Массив пикселей разделен на триады, обычно состоящие из стандартных голубого, пурпурного и желтого цветов, подобно тому, как это реализовано в ЭЛТ-мониторах (хотя используются вычитающие основные цвета, в отличие от аддитивных основных цветов). Затем дисплеем управляют как любым другим электронным цветным дисплеем.
История
E Ink Corporation, входящая в E Ink Holdings Inc., представила первые цветные дисплеи E Ink, используемые в коммерческом продукте. Ectaco jetBook Color был выпущен в 2012 году как первое устройство с цветными электронными чернилами, в котором использовалась технология дисплея Triton от E Ink. В начале 2015 года E Ink также объявила о другой технологии цветных электронных чернил под названием Prism. Эта новая технология представляет собой пленку, меняющую цвет, которую можно использовать в электронных читателях, но Prism также предлагается как пленка, которую можно интегрировать в архитектурный дизайн, например, в "стены, потолочные панели или целые комнаты мгновенно". Недостатком этих современных цветных дисплеев является то, что они значительно дороже стандартных дисплеев E Ink. JetBook Color стоит примерно в девять раз дороже других популярных электронных читалок, таких как Amazon Kindle. В марте 2010 года Seiko выпустила второе поколение этих знаменитых электронных часов с активной матрицей. Умные часы Pebble (2013) используют маломощный ЖК-дисплей с памятью, произведенный Sharp, для своего электронного дисплея. В 2019 году Fossil представила гибридные умные часы под названием Hybrid HR, объединяющие постоянно включенный электронный дисплей с физическими стрелками и циферблатом для имитации внешнего вида традиционных аналоговых часов.
Читатели электронных книг
В 2004 году Sony выпустила Librié в Японии – первый электронный ридер с дисплеем E Ink на основе электронных чернил. В сентябре 2006 года компания Sony представила в США электронный ридер Sony Reader PRS 500. 2 октября 2007 года Sony анонсировала PRS 505 – обновлённую версию Reader. В ноябре 2008 года Sony выпустила PRS 700BC, оснащённый подсветкой и сенсорным экраном.
Мобильные телефоны
Низкобюджетный мобильный телефон Motorola F3 использует алфавитно-цифровой черно-белый электрофоретический дисплей. Мобильный телефон Samsung Alias 2 оснащен клавиатурой с использованием электронной бумаги E Ink, что позволяет ей менять набор символов и ориентацию в различных режимах отображения.
Смартфоны
12 декабря 2012 года Yota Devices представила первый прототип "YotaPhone", а в декабре 2013 года он поступил в продажу как уникальный смартфон с двумя дисплеями. Он оснащен 4,3-дюймовым HD LCD-дисплеем на передней панели и электронно-чернильным дисплеем на задней. В мае и июне 2020 года компания Hisense выпустила Hisense A5c и A5 Pro CC – первые цветные смартфоны с электронно-чернильными дисплеями. Они оснащены единственным цветным дисплеем с регулируемой передней подсветкой и работают на базе Android 9 и Android 10.
Компьютерные мониторы
Электронная бумага используется в компьютерных мониторах, например, 13,3-дюймовом Dasung Paperlike 3 HD и 25,3-дюймовом Paperlike 253.
Ноутбук
Некоторые ноутбуки, такие как Lenovo ThinkBook Plus, используют электронную бумагу в качестве вторичного экрана. Другие обычные ноутбуки используют отражающие ЖК-панели без подсветки. Кроме того, некоторые операционные системы, например Xubuntu и Kali Linux, предоставляют возможность регулировать яркость подсветки ЖК-дисплея до 0% на внутренних мониторах, при этом кристаллы продолжают работать, обеспечивая освещение дисплея окружающим светом, как на бумаге. В конце 2007 года Amazon начала производство и продажу Amazon Kindle – электронного устройства для чтения книг с дисплеем на электронной бумаге. В феврале 2009 года Amazon выпустила Kindle 2, а в мае 2009 года была анонсирована более крупная модель Kindle DX. В июле 2010 года было анонсировано третье поколение Kindle с заметными изменениями в дизайне. Четвертое поколение Kindle, названное Touch, было представлено в сентябре 2011 года и стало первым устройством Kindle, отказавшимся от клавиатуры и кнопок перелистывания страниц в пользу сенсорного экрана. В сентябре 2012 года Amazon анонсировала пятое поколение Kindle под названием Paperwhite, которое оснащено светодиодной подсветкой и дисплеем с повышенной контрастностью. В ноябре 2009 года Barnes & Noble представила Barnes & Noble Nook, работающую на операционной системе Android. Она отличается от других электронных читалок сменным аккумулятором и отдельным цветным сенсорным ЖК-дисплеем, расположенным под основным экраном на электронной бумаге. В 2017 году Sony и reMarkable предложили электронные книги, адаптированные для письма с использованием интеллектуального стилуса. В 2020 году Onyx выпустила первый 13,3-дюймовый Android-планшет с фронтальной подсветкой и экраном на электронной бумаге – Boox Max Lumi. В конце того же года Bigme представила первый 10,3-дюймовый цветной Android-планшет на электронной бумаге – Bigme B1 Pro. Он также стал первым крупноформатным планшетом на электронной бумаге с поддержкой сотовой связи 4G.
Газеты
В феврале 2006 года фламандская ежедневная газета De Tijd распространила электронную версию газеты среди отобранных подписчиков в рамках ограниченного маркетингового исследования, используя предрелизную версию iRex iLiad. Это было первое зафиксированное применение электронных чернил в издании газет. Французская ежедневная газета Les Échos объявила об официальном запуске электронной версии газеты по подписке в сентябре 2007 года. Было предложено два варианта, включающих годовую подписку и устройство для чтения. Варианты включали в себя лёгкое (176 г) устройство для чтения (адаптированное для Les Échos компанией Ganaxa) или iRex iLiad. Для доставки читаемого контента газеты использовались две различные платформы обработки: одна, основанная на новой платформе электронных чернил GPP, разработанной Ganaxa, и другая, разработанная Les Échos самостоятельно.
Дисплеи, встроенные в смарт-карты
Гибкие карты с дисплеем позволяют держателям финансовых платежных карт генерировать одноразовый пароль для снижения риска мошенничества при онлайн-банкинге и проведении транзакций. Электронная бумага предлагает плоскую и тонкую альтернативу существующим ключевым токенам для защиты данных. Первая в мире смарт-карта, соответствующая стандарту ISO, со встроенным дисплеем была разработана компаниями Innovative Card Technologies и nCryptone в 2005 году. Производство карт осуществляла компания Nagra ID.
Показатели состояния
Некоторые устройства, такие как USB-накопители, используют электронную бумагу для отображения информации о состоянии, например, об объеме доступной памяти. Как только изображение на электронной бумаге установлено, для его сохранения не требуется электроэнергия, поэтому информацию можно видеть даже при отключенном накопителе.
Электронные этикетки для полки
Электронные ценники на основе электронной бумаги (ESL) используются для цифрового отображения цен товаров в розничных магазинах. Этикетки на электронной бумаге обновляются посредством двусторонней инфракрасной или радиосвязи и питаются от перезаряжаемой батарейки-таблетки. Некоторые модели используют ZBD (zenithal bistable display) – технологию, более похожую на ЖК-дисплей, но не требующую электроэнергии для сохранения изображения.
Расписание общественного транспорта
На остановках автобусов и трамваев можно удаленно обновлять электронные бумажные дисплеи. По сравнению со светодиодными или жидкокристаллическими дисплеями (LCD), они потребляют меньше энергии, а текст или графика остаются видимыми при отключении электропитания. В отличие от ЖК-дисплеев, они хорошо видны даже под прямыми солнечными лучами.
Цифровая вывеска
Благодаря своим энергосберегающим свойствам, электронная бумага зарекомендовала себя как технология, подходящая для цифровой наружной рекламы.
Электронные метки
Как правило, электронные метки на электронной бумаге интегрируют технологию электронных чернил с беспроводными интерфейсами, такими как NFC или UHF. Чаще всего они используются в качестве удостоверений личности сотрудников или в качестве производственных этикеток для отслеживания изменений и статуса производства. Электронные метки на электронной бумаге также все чаще применяются в качестве транспортных этикеток, особенно для многоразовых ящиков. Интересной особенностью, предлагаемой некоторыми производителями электронных меток на электронной бумаге, является бесбатарейная конструкция. Это означает, что энергия, необходимая для обновления содержимого дисплея, передается беспроводным способом, а сам модуль не содержит батареи.
Другое
Другие предлагаемые области применения включают одежду, цифровые фоторамки, информационные панели и клавиатуры. Клавиатуры с динамически изменяемыми клавишами полезны для языков с небольшим распространением, нестандартных раскладок клавиатуры, таких как Dvorak, или для специальных неалфавитных задач, например, редактирования видео или игр. reMarkable – это планшет для чтения и ведения заметок.