O tym jak działają czarno-białe oraz kolorowe ekrany E-ink już w ostatnich latach wspominaliśmy. Tym razem jednak chcemy przytoczyć całą historię, wraz z zasadami działania tej technologii. Od pierwszego ekranu, przez czarno-białe czytniki, aż po najnowsze kolorowe wyświetlacze. Jak to się stało?
Pierwszy wyświetlacz
Koniec 2008r, tuż przed sezonem na świąteczne zakupy. Oprah Winfrey w prowadzonym talk-show przedstawiła swoją listę ulubionych rzeczy. Amazon Kindle znajdował się na pierwszym miejscu w kategorii gadżetów. To w tamtym momencie pojęcie elektronicznego papieru zaczęło zyskiwać na popularności.
Ale ten czarno-biały wyświetlacz, który sprawiał wrażenie cały czas włączonego został wynaleziony dużo wcześniej. Jego historia rozpoczyna się ponad dekadę wcześniej, w 1997 roku w MIT Media Lab. Tam dwaj studenci J.D. Albert i Barrett Comiskey zainspirowani przez swojego profesora Josepha Jacobsona stworzyli pierwszy e-papier.
Ten od samego początku był wyjątkowy. Przeciwnie do dotychczasowych przenośnych wyświetlaczy, nie nadwyrężał wzroku i nawet przy dobrze oświetlonym otoczeniu był czytelny. Jego bateria trzymała nawet do kilku tygodni. Jednak największy minus tego wynalazku był oczywisty – dostępne jedynie odcienie szarości. W świecie, w którym kolorowe wyświetlacze dawno wyparły te czarno-białe, monochromatyczny wyświetlacz zdecydowanie wydawał się staromodny.
Pierwsze kolorowe ekrany
Tak więc od czasu początkowego rozwoju elektronicznego atramentu zawisło pytanie: kiedy wyjątkowy wyświetlacz będzie mógł pokazywać kolory?Wiele osób próbowało. Badacze zajmujący się atramentem elektronicznym od lat pracowali nad kolorowym e-papierem. Tak samo jak badacze na całym świecie na uniwersytetach, w korporacyjnych laboratoriach czy start-upach. Wymyślono kilka produktów, ale te dodawały do ekranu jedynie kolor żółty lub czerwony. Takie rozwiązanie nie było jednak wystarczające, aby nazwać je kolorowym. Nawet piętnaście lat od wynalezienia e-papieru kolorowy ekran nie trafił na rynek konsumencki.
Dlaczego przejście z czarno-białego do kolorowego e-papieru zajęło tak długo? Przez lata badacze próbowali różnych podejść, jedne czerpały inspirację z tradycyjnych wyświetlaczy, inne ewoluowały z projektu oryginalnego e-papieru. Qualcomm przykładowo, wydał miliardy na podejście inspirowane skrzydłami motyla. Ogólnie rzecz ujmując droga do kolorowego e-papieru to klasyczna opowieść o triumfie technologii. W dalszej części opiszemy, jak rozwiązano to wyzwanie dwa lata temu w firmie E Ink.
Dziś kolorowy ekran E-Ink jest dostępny w urządzeniach takich jak czytniki, smartfony czy elektroniczne notatniki. Produkty dostępne są od kilkunastu producentów, jak Guoyue Smartbook V5 Color, smartfon HiSense A5C Color i PocketBook Color. Poza produktem firmy E-ink ogłoszono tylko jeden w pełni kolorowy papier elektroniczny – DES (Display Electronic Slurry), chińskiej firmy Dalian Good Display. Jednak na ten moment urządzenia korzystające z DES nie są dostępne do zakupu, a jedynie garstka dziennikarzy dostała ich próbki.
Wyzwanie stworzenia kolorowego e-papieru wynikało z natury technologii. Czarno-biały atrament elektroniczny jest prostym połączeniem chemii, fizyki i elektroniki, a robi prawie to samo, co zwykły tusz i papier. Wersja firmy E Ink składa się z mikrokapsułek z ujemnie naładowanymi czarnymi cząsteczkami i dodatnio naładowanymi białymi cząsteczkami unoszącymi się w przeźroczystym płynie. Takich samych pigmentów używa się obecnie w przemyśle drukarskim. Każda mikrokapsułka ma mniej więcej średnicę ludzkiego włosa.
Produkcja ekranów E Ink
Produkcja e-papierowego ekranu rozpoczyna się od przygotowania partii elektronicznego atramentu. Następnie używa się go do powleczenia plastikowego podłoża o grubości 25 do 100 mikrometrów, w zależności, do jakiego produktu jest przeznaczony. Następnie rolki powleczonej folii przycina się do żądanego rozmiaru i dodaje tranzystory cienkowarstwowe, aby utworzyć elektrody. Rozmieszczone są one nad i pod warstwą atramentu, a ta umieszczona jest pomiędzy arkuszami ochronnymi i ewentualnie panelem dotykowym lub przednim oświetleniem.
Wytworzenie obrazu powstaje przez zmianę napięcia górnej i dolnej elektrody, aby wytworzyć pole elektryczne. Na górze napięcie jest bliskie zeru, a na dole zmienia się pomiędzy -15, 0 a 15. Za każdym razem, gdy obraz na ekranie musi się zmienić określona sekwencja napięć przyłożonych do dolnej elektrody porusza cząstki z poprzedniej pozycji do pozycji potrzebnej do pokazania prawidłowego odcienia dla nowego obrazu. Czas takie aktualizacji wynosi zwykle pół sekundy.
Białe cząsteczki tworzą „papier”, a czarne „atrament”. Ale cząstki nie muszą zostawać na samej górze ani na samym dole; kiedy pole elektryczne przestanie być generowane cząstki zatrzymają się na swoich torach. To oznacza, że można stworzyć mieszankę czarno-białych cząstek w górnej części wyświetlacza, które będą wyglądać jak odcienie szarości.
Działanie ekranów E Ink
Oprogramowanie, które określa czas i napięcia przyłożonego do każdej elektrody jest złożone. Wybór zależy od tego, co wcześniej było wyświetlane na danym pikselu. Jeśli na przykład czarny piksel na jednym obrazie znowu będzie czarny na następnym nie trzeba do niego przykładać napięcia. Trzeba też uważać na przejścia. Poprzedni obraz nie może być widoczny na ekranie, ale też nagła zmiana może spowodować miganie ekranu. Są to tylko niektóre z czynników, które musiały być wzięte pod uwagę przy projektowaniu algorytmów wykorzystywanych do ustawiania sekwencji napięć.
Wprowadzenie koloru znacznie komplikuje cały przebieg. Biel i czerń to prosty podział, biorąc po uwagę, że pole elektryczne może wytworzyć ładunek dodatni lub ujemny. Takie podejście nie jest w stanie obsłużyć kolorowego papieru cyfrowego. Potrzebne jest coś zupełnie innego.
E Ink Triton
Firma E Ink rozpoczęła swoje badania na początku 2000 roku. Jeden z ich pierwszych produktów kolorowych wprowadzonych na rynek w 2010 roku wykorzystywał filtr koloru. Był to szereg kwadratów nadrukowanych na warstwie szkła umieszczonej na wierzchu standardowej warstwy czarno-białego atramentu. Po przeniesieniu białych cząsteczek na powierzchnię w wybranym miejscu, światło odbijało się z powrotem do widza przez czerwony, zielony lub niebieski filtr nad cząsteczką. Było to oczywiste podejście, wszystkie kolory widoczne dla ludzi można stworzyć za pomocą kombinacji światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. Dlatego większość dzisiejszych technologii wyświetlania, takich jak wyświetlacze LCD i OLED wykorzystuje emitery RGB lub filtry kolorów.
Produkt nazwano E Ink Triton. Chociaż pojawił się elektroniczny podręcznik korzystający z tej technologii, firma E Ink zrozumiała, że taki produkt nie sprawdzi się na rynku. Jego rozdzielczość była zbyt niska, a kolory nie wystarczająco jasne dla osób przyzwyczajonych do wyglądu tabletów lub drukowanych czasopism.
Napotkane problemy
Problem z jasnością wynikał z faktu, że w przeciwieństwie do wyświetlaczy LCD i OLED, które wykorzystują podświetlenie lub bezpośrednio emitują światło, wyświetlacze E Ink działają na zasadzie światła odbitego. Oznacza to, że światło z zewnętrznego źródła przechodzi przez przezroczystą osłonę, odbija się od warstwy atramentu i wraca do oczu widza. Taki sposób jest świetny do użytku na zewnątrz, ponieważ odbite światło jest wzmacniane, a nierozmywane przez jasne światło słoneczne. Wyświetlacze E-Ink są dobre dla komfortu oczu, ponieważ „nie świecą” prosto w oczy użytkowania. Jednak dzięki temu systemowi odblaskowemu każda warstwa pomiędzy tuszem a okiem pochłania lub rozprasza część światła. Okazało się, że dodanie warstwy filtra kolorów spowodowało znaczne przyciemnienie.
Co więcej, użycie kolorów do podziału monochromatycznych pikseli na trzy kolorowe piksele zmniejszyło ogólną rozdzielczość. Wyświetlacz, który pierwotnie miał rozdzielczość 300 pikseli na cal, z dodatkiem trójkolorowego filtra rozdzielczość zmniejszyła się do 100 pikseli na cal. Nie stanowiło to dużego problemu w przypadku 32-calowego wyświetlacza, używanego jako szyld – rozmiary pikseli mogą być większe, a duże litery nie wymagają wysokiej rozdzielczości. Jednak niewielkie, przenośne urządzenia z ekranem E Ink stanowiły problem.
Multipigmentowy e-papier
Podczas, gdy część badaczy testowała ten filtrowany wyświetlacz, inna grupa naukowców skupiła się na podejściu zwanym multipigmentem. To podejście nie polegało na filtrach kolorowych, przez co wymaga znacznie bardziej skomplikowanej chemii i mechaniki.
Multipigmentowy e-papier dzieli podstawowe cechy z monochromatycznymi poprzednikami. Różni się tym, że zamiast dwóch rodzajów cząsteczek, teraz są trzy lub cztery, w zależności od kolorów wybranych do konkretnego zastosowania.
Konieczne było, aby te cząstki reagowały jednoznacznie na pola elektryczne, a nie tylko były przyciągane lub odpychane. Lepsze posortowanie cząstek z atramentem wymagało kilku rzeczy. Po pierwsze, stworzenia cząsteczek o różnych rozmiarach, większe cząsteczki zazwyczaj poruszają się wolniej w cieczy niż mniejsze. Kolejną było zróżnicowanie ładunku cząsteczki, wykorzystując fakt, że ładunek jest bardziej analogowy niż cyfrowy. Oznacza to, że ładunek może być naładowany pozytywnie lub częściowo pozytywnie, negatywnie lub częściowo negatywnie oraz istnieje wiele opcji pomiędzy.
Po zróżnicowaniu cząstek trzeba dostosować kształty fal. Zamiast wysyłać jeden zestaw cząstek na górę, a drugi na dół oba należy przyciągnąć lub odepchnąć tak, aby stworzyć obraz. Na przykład można wypchnąć cząsteczki jednego koloru na górę, a następnie nieco je cofnąć, aby zmieszały się z innymi cząsteczkami tworząc określony odcień. Na przykład cyjan i żółty razem dają zielony, a białe cząsteczki tworzą tło. Im bliżej powierzchni znajduje się cząsteczka tym bardziej intensywny dany kolor będzie w mieszance.
Zmieniono również kształt pojemnika na tusz z kuli na trapez, co umożliwiło lepszą kontrolę nad pionowym położeniem cząsteczki. Pojemniki nazwano Microcups (Mikrokubki).
E Ink Spectra
Obecnie dostępny na rynku E Ink Spectra zastosowany głównie w elektronicznych etykietach cenowych (ESL) używa systemu trzycząsteczkowego. Jest to system, w którym każdy mikrokubek ma czarne, białe i czerwone lub czarne, białe i żółte pigmenty. W 2021 roku do systemu dodano czwartą cząsteczkę. Nowa generacja wykorzystuje teraz czarne, białe, czerwone i żółte cząsteczki. Te kolory świetnie nadają się do generowania głęboko nasyconych barw o wysokim kontraście, aczkolwiek nie są w stanie stworzyć pełnego spektrum kolorów. Technologia z trzema kolorami została po raz pierwszy wprowadzona w 2013 roku dla detalicznych ESLów. Firmy wbudowały ekrany E Ink w miliony takich etykiet, wysyłając je na do sprzedawców detalicznych na całym świecie. Od tego czasu na rynku pojawiły się podobne elektroforetyczne etykiety, które wykorzystują wyświetlacze chińskiej firmy DKE Co.
E Ink Advanced Color ePaper
W prawdziwym systemie pełnego koloru, nazwanym ACeP (Advanced Color ePaper) również używa się czterech cząsteczek. Użyto przestrzeni barw CMYK, używanej w drukarkach atramentowych, zmieniając jedynie czarny na biały, a pozostawiając cyjan, magenta i żółty. Zatrzymując cząsteczki na różnych poziomach można stworzyć do 50 000 różnych kolorów.
Firma E Ink uruchomiła ACeP jako E Ink Gallery w 2016 roku. Ponownie nie spełnił wymagań konsumenckich ze względu na niskie częstotliwości odświeżania. Ponadto, był to wyświetlacz odblaskowy, bez podświetlenia, więc kolory były zbyt stonowane dla konsumentów przyzwyczajonych do jasnych wyświetlaczy smartfonów i tabletów. Na ten moment ACeP znalazło zastosowanie w szyldach handlowych w Azji.
Dalszy rozwój
Zdając sobie sprawę, że kolorowe wyświetlacze nie trafiają w punkt na rynku konsumenckim zespół badawczo-rozwojowy postanowił ponownie przyjrzeć się Tritonowi. Co zadziałało w systemie wykorzystującym filtry kolorów RGB, a co nie? Czy istnieją jakieś modyfikacje, które można wprowadzić, aby w końcu stworzyć kolorowy e-czytnik, którego chcieliby konsumenci? Firma E Ink wiedziała, że filtry osłabiają jasność. Byli też prawie pewni, że można tę stratę zmniejszyć zbliżając filtry do elektronicznego atramentu.
Chciano również zwiększyć rozdzielczość wyświetlaczy, co oznaczało znacznie lepszą tablicę filtrów kolorów. Aby uzyskać rozdzielczość zgodniejszą z tym, do czego przyzwyczajeni są konsumenci konieczne będzie, co najmniej 200 pikseli na cal kwadratowy. To około dwukrotnie większa gęstość niż to, co udało się osiągnąć przy wyświetlaczach Triton.
W porównaniu ze złożonością formułowania atramentów z różnymi ładunkami, jak to zrobiono przy opracowywaniu ACeP, można by pomyśleć, że byłoby to łatwe. Ostatecznie jednak do drukowania kolorowych filtrów na szklanym podłożu konieczna była nowa technologia.
Wprowadzone zmiany
Wcześniejsze filtry tworzono drukując półprzeźroczysty czerwony, zielony i niebieski atrament na szkle. Jednak to szkło było dodatkową warstwą. Postanowiono więc drukować bezpośrednio na plastikowej folii, która trzyma górną elektrodę. Dzięki takiemu rozmieszczeniu filtry były jak najbliżej atramentu elektronicznego. Pozwoliłoby to również na zwiększenie rozdzielczości, ponieważ wyrównanie filtrów z wyświetlanymi pikselami mogłoby być wykonane dokładniej niż było to możliwe przy użyciu oddzielnej powierzchni.
Drukarkę, która była do tego procesu potrzebna znaleziono w niemieckiej fabryce Plastic Logic, która od początku istnienia była partnerem firmy E Ink. Tylko, że ta drukarka była przeznaczona do użytku w laboratorium badawczo-rozwojowym, a nie do produkcji wielkoseryjnej. Stosowane przez nią procesy musiały więc zostać przekonwertowane tak, aby działały w innej, gotowej do produkcji maszynie.
Konieczne był również wymyślenie nowego wzoru drukowania dla filtra kolorów. Pracując nad Tritonem odkryto, że drukowanie filtrów w postaci prostej kwadratowej siatki nie jest najlepszą opcją, ponieważ wzór może być widoczny podczas niektórych przejść obrazu. Tak rozpoczęło się poszukiwanie idealnego wzoru. Wykonano wiele prób biorących pod uwagę kąt padania światła na wyświetlacz, ponieważ pod tym kątem można łatwo zmienić kolor widziany przez użytkownika. Oceniono siatkę, proste drukowane linie, długie linie i wiele innych projektów, po czym ostatecznie zdecydowano się na wzór krótkich linii.
Jest to wyświetlacz odbijający światło, więc im więcej światła na niego pada, tym jest jaśniejszy. Zespół badawczy zdecydował się dodać przednie światło do wyświetlacza, starając się, aby promienie światła padały na warstwę atramentu pod kątem, który maksymalizuje współczynnik odbicia. Korzystanie z przedniego światła oczywiście zwiększa zużycie energii, ale w tym przypadku jest to warte takiego rozwiązania.
E Ink Kaleido
W rezultacie nowa technologia kolorów E Ink, E Ink Kaleido ma znacznie bardziej nasycone kolory i lepszy współczynnik kontrastu niż E Ink Triton. Wreszcie, pełnoekranowy wyświetlacz z elektronicznym atramentem był gotowy do użycia w produktach konsumenckich.
Pierwsza oficjalna partia wyświetlaczy Kaleido zjechała z linii produkcyjnej pod koniec 2019 roku. Niedługo potem rozpoczęto wysyłkę do klientów i technologia pojawiła się w takich produktach jak Hisense A5C, iFlytek Book C1 i PocketBook Color. Wszystkie urządzenia wprowadzono na rynek w 2020 roku. Druga generacja Kaleido, zwana Kaleido Plus pojawiła się na rynku w 2021 roku, wraz z produktami Onyx Boox Nova 3 Color i Pocketbook InkPad Color. Ta aktualizacja zwiększyła nasycenie kolorów dzięki poprawkom wprowadzonym we wzorze nadruku i światłowodom przedniego światła.
Dalsze plany
Jednak nadal pozostaje praca nad kilkoma rzeczami. Efektywność świetlna, czyli ułamek wpadającego światła, które trafia z powrotem do oczu użytkownika jest dobra, ale mogłaby być lepsza. Kontynuowane są również prace nad warstwami folii, aby jeszcze bardziej ograniczyć ich straty.
Udoskonalając wzór drukowania opracowywana jest również poprawa rozdzielczości. Zastosowano gęstsze obwody w elektronice, które znajdują się poniżej warstwy atramentu i włączają oraz wyłączają napięcia, aby przesunąć naładowane cząstki.
Kontynuowane są również prace nad bezfiltrową, wielopigmentową technologią elektronicznego atramentu. E Ink spodziewa się wkrótce wypuścić nową generację ekranów. Będą one miały jaśniejsze kolory, a odświeżanie stron będzie szybsze. Pewnego dnia technologia może zostać przeniesiona nawet na urządzenia konsumenckie.
Kiedy naukowcy z E Ink rozpoczęli badanie kolorowego elektronicznego atramentu na początku XXI wieku, myśleli, że będzie to kwestia kilku lat, biorąc pod uwagę ich doświadczenie w tej technologii. W końcu od pomysłu do komercjalizacji czarno-biały e-papier trafił w zaledwie 10 lat. Droga do pełnego koloru okazała się znacznie dłuższa. Jednak w końcu, po wielu latach pracy udało się umieścić w wyświetlaczach E Ink całą tęczę.
Autor: Karolina
Źródło: IEEE Spectrum
Zobacz również:
Jaki kolorowy czytnik PocketBooka wybrać?
Duże czytniki ebooków z kolorowymi ekranami
Wszystko, co musisz wiedzieć o kolorowych czytnikach ebooków