Zaloguj
Elektroniczny papier (EP) to określanie stosowane do wyświetlaczy prezentujących treść w taki sposób, że imituje ona treść naniesioną atramentem na zwykły papier. Zatem - w przeciwieństwie do wielu nowoczesnych wyświetlaczy, takich jak LCD-TFT czy OLED - wyświetlacze EP nie emitują światła, a - podobnie jak papier - odbijają światło otoczenia. Ta właściwość w naturalny sposób ogranicza zapotrzebowanie na energię zasilania. Jednak to nie wszystko - drugą wspólną cechą wyświetlaczy EP jest fakt, że treść pozostaje na ekranie nawet po całkowitym odłączeniu zasilania urządzenia!
Technologie elektronicznego papieru
Wyświetlacz Gyricon
Jedną z najwcześniejszych wersji EP była konstrukcja opracowana w Centrum Badawczym Palo Alto firmy Xerox w latach 70. XX wieku. Wyświetlacz nazwany Gyricon zbudowany został z miniaturowych kulek polietylenowych o średnicy 75…106 μm, zawieszonych w niewiele większych wnękach wypełnionych olejem, pokrywających powierzchnię arkusza z tworzywa sztucznego. Każda kulka miała jedną stronę zabarwioną na czarno i ta strona wykazywała dodatni ładunek, natomiast druga strona była biała i miała ładunek ujemny (fotografia 1).
Zatem każda kulka była dipolem. Przyłożenie elektrody w pobliże kulek i spolaryzowanie jej odpowiednim napięciem powodowało obracanie się drobin i ustawianie ich w uporządkowany sposób - stroną czarną lub jasną w kierunku elektrody (rysunek 1).
Dzięki temu odpowiednie punkty i obszary tworzyły białe lub czarne piksele i wzory. Uzyskany w taki sposób efekt pokazany został na fotografii 2.
Niestety, firma Xerox zakończyła projekt Gyricon w 2005 r., ponieważ nie udało się opracować technologii produkcji na tyle taniej, aby mogła zagwarantować sukces komercyjny tego rozwiązania.
Wyświetlacz elektroforetyczny
Innym rodzajem wyświetlacza jest Electrophoretic Display (EPD). Bazuje on na zjawisku elektroforezy, które polega na rozdzielaniu mieszaniny różnego typu cząstek pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Wyświetlacz składa się z miniaturowych kapsułek wypełnionych bezbarwnym olejem oraz mikroskopijnymi cząsteczkami zabarwionymi na różne kolory - w podstawowej wersji czarnymi i białymi. Cząsteczki te mają różny ładunek elektryczny, dzięki czemu - po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego - przemieszczają się w określonym kierunku, tak jak pokazano na rysunku 2.
W taki sposób można sterować barwą każdego piksela (kapsułki) oraz treścią całego ekranu. Fragment powierzchni wyświetlacza EPD widoczny jest na fotografii 3.
Wyświetlacze EPD są zbudowane z elektroforetycznej folii obrazowej, która może być nanoszona w procesie sitodruku i można nią pokryć szkło, plastik, tekstylia, a nawet papier. W przeciwieństwie do obrazu tworzonego na ekranach ciekłokrystalicznych, obraz na wyświetlaczu zbudowanym w tej technologii wygląda tak samo, niezależnie od kąta obserwacji i oświetlenia. Obraz nie ulega także zakłóceniu podczas dotykania lub zginania wyświetlacza, dzięki czemu można tworzyć całkowicie giętkie urządzenia. Panele tego typu cechuje bardzo niski pobór energii, którą komponent czerpie tylko podczas samej zmiany obrazu.
Firma E Ink w 1999 r. rozpoczęła produkcję e-papieru bazującego na technologii EPD. Jej wyświetlacze były stosowane w czytnikach e-book, takich jak Amazon Kindle czy eClicto (fotografia 4). Z tego względu wyświetlacze EPD są często nazywane właśnie wyświetlaczami E Ink.
Wyświetlacze elektrochromowe
Wyświetlacze elektrochromowe - Electrochromic Display (ECD), bazują na zjawisku, w którym materiał elektrochromowy ulega chemicznemu utlenianiu w odpowiedzi na przyłożone pole elektryczne. Proces jest wyjątkowo energooszczędny, a jednak powoduje zmianę koloru, który można nawet precyzyjnie dostroić.
Wyświetlacze ECD wytwarzane są poprzez drukowanie stosu materiałów, na który składają się elektrody, polimery i elektrolity w cienkich warstwach - rysunek 3.
Produkcję można realizować przy użyciu procesów sitodruku, ze względu na ich wysoką skalowalność i opłacalność. Gotowy ekran może mieć grubość zaledwie kilkuset mikronów i zapewnia elastyczność. Przykładowy model takiego rozwiązania został pokazany na fotografii 5.
Wyświetlacze elektrochromowe można przełączać przy napięciu zaledwie 3 V, co oznacza, że często nadają się one do zasilania bezpośrednio ze standardowych układów CMOS, bez konieczności stosowania specjalistycznych sterowników wyświetlaczy, generujących wyższe napięcia kluczowania.
Znanym producentem wyświetlaczy ECD jest firma Ynvisible. W ofercie marki znajdują się komponenty stanowiące alternatywę dla odblaskowych segmentowych wyświetlaczy LCD, które w przeszłości były najtańszą technologią wyświetlania na rynku. W większości przypadków wyświetlacze e-papierowe Ynvisible charakteryzują się najniższym zużyciem energii - podczas użytkowania statycznego (kiedy ekran utrzymuje ten sam obraz) wyświetlacz zużywa maksymalnie 0,28 μW na cm² powierzchni segmentu. Ponadto konstrukcje ECD pracują w szerokim zakresie temperatur i okazują się bardzo odporne na nagrzewanie lub chłodzenie. Są drukowane na podłożu z tworzywa sztucznego, które wykazuje się odpornością nawet na silne uderzenia, zginanie oraz przekłuwanie. Nie pękają również ani nie rozbijają się, jak konwencjonalne wyświetlacze szklane.
Porównanie EPD i ECD
Wyświetlacze ECD i EPD mają kilka wspólnych cech, ale także zasadnicze różnice:
- EPD są przeznaczone do wyświetlania dowolnej grafiki, podczas gdy ECD tworzy się w postaci segmentów, np. znaków alfanumerycznych i ikon.
- EPD są w pełni bistabilne - ustawiona treść pozostaje widoczna na bardzo długi czas, podczas gdy ECD mają zdolność utrzymywania obrazu przez względnie krótki okres - do pięciu minut.
Technologia elektroforetyczna jest przeznaczona do aplikacji bardziej wymagających w zakresie wysokiej rozdzielczości i bistabilności, podczas gdy technologia elektrochromowa okazuje się odpowiedniejsza do nieskomplikowanych interfejsów o niskiej rozdzielczości i małej gęstości informacji. Wyświetlacze elektrochromowe są też znacznie tańsze.
Wyświetlacze w technologii elektrozwilżania
Działanie wyświetlacza Electrowetting Display (EWD) polega na modulowaniu napięcia powierzchniowego cieczy za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego. W zamkniętych mikrokapsułkach znajdują się dwa rodzaje płynów - elektrycznie izolujące tusze olejowe (zwykle o określonej barwie) i elektrycznie przewodzące ciekłe elektrolity (zwykle bezbarwne). W normalnym stanie tusz olejowy rozlewa się równomiernie i całkowicie pokrywa powierzchnię kapsułki - piksela. Po przyłożeniu sygnału elektrycznego film olejowy cofa się i kurczy w małą kropelkę, a elektrolit wodny zajmuje odsłoniętą część piksela. W ten sposób piksel staje się, w przeważającej części, przezroczysty. Każdy piksel może być sterowany niezależnie i tworzy przełącznik optyczny, który można otworzyć lub zamknąć. Jeśli pod przełączanym elementem znajduje się biała powierzchnia odblaskowa - powstaje biały piksel. W przypadku wyłączenia napięcia następuje szybki powrót do stanu początkowego. Przełączanie pomiędzy białym i kolorowym odbiciem jest wystarczająco szybkie, aby wyświetlić zawartość wideo.
Przebieg zjawiska został zobrazowany na rysunku 4. W celu zmniejszenia widocznej powierzchni kolorowego tuszu, gdy piksel jest aktywowany, wewnętrzna struktura mikrokapsułki może mieć odpowiednio przygotowane wgłębienie, w którym tusz zostanie „ukryty”, jak pokazano na rysunku 5.
Ponieważ opisane zjawisko wywoływane jest przez przyłożenie napięcia, a nie przepływ prądu, wyświetlacze tego typu okazują się bardzo energooszczędne i wymagają napięcia sterującego o niskiej wartości. Zbudowane z nich ekrany mogą być płaskie i cienkie. Odblaskowość oraz kontrast są porównywalne, lub nawet lepsze, niż w przypadku innych wyświetlaczy odblaskowych i wizualnie odpowiadają właściwościom papieru.
Jedną z firm stosujących technologię wyświetlaczy EWD jest Etulipa. Ekrany tego producenta mogą działać w każdych warunkach pogodowych, w temperaturach od -30°C aż do +65°C. Przykładowy wyświetlacz został pokazany na fotografii 6.
Omawiana technologia może być rozwijana w kierunku pełnokolorowych wyświetlaczy o wysokiej jasności. Sposób działania sprawia, że wyświetlacze EWD są czterokrotnie jaśniejsze niż odblaskowe wyświetlacze LCD, ponieważ nie wymagają stosowania żadnych polaryzatorów - oraz dwukrotnie jaśniejsze niż inne nowe rozwiązania. Zamiast stosowania naprzemiennych segmentów trzech kolorów podstawowych, co w praktyce skutkuje tym, że tylko jedna trzecia wyświetlacza odbija światło w pożądanym kolorze, EWD pozwala tworzyć system, w którym jeden piksel zdolny jest do niezależnego generowania dwóch różnych kolorów. Możliwe jest również zbudowanie piksela ze stosu trzech niezależnie kontrolowanych filmów olejnych w kolorze cyjan, magenta i żółty - podobnie jak w przemyśle poligraficznym. Każda warstwa zawiera piksele, które można przełączyć w stan pochłaniający lub nieabsorbujący i cała powierzchnia odbija odpowiednią składową światła, co skutkuje bardziej nasyconymi kolorami i lepszym kontrastem niż w przypadku jakiejkolwiek innej dostępnej technologii kolorowego e-papieru.
Bistabilne wyświetlacze w technologii elektrozwilżania
W przeciwieństwie do technologii bazujących na ładunkach elektrycznych, takich jak elektroforetyka, technologia elektrozwilżania pozwala na uzyskanie skutecznej bistabilności, w której nie jest potrzebne odświeżanie. Na rysunku 6 zobrazowano podstawową zasadę działania tej technologii.
Kropla specjalnej cieczy na bazie wody otoczona jest olejem i zamknięta w mikrokapsule z elektrodami umieszczonymi w różnych miejscach. Elektrody pokryte zostały warstwą dielektryka oraz warstwą hydrofobową, która sprawia, że kropla wody „kurczy się”. Działanie pola elektrycznego łagodzi efekt hydrofobowy, dzięki czemu, kontrolując potencjał dolnych elektrod, można przesuwać kroplę na lewą lub prawą stronę mikrokapsułki. Przy odpowiednio zaprojektowanej geometrii można uzyskać efekt piksela „świecącego” w danym kolorze lub piksela „wygaszonego”. To rozwiązanie jest odpowiednie do tworzenia pikseli o dużych rozmiarach - od 0,5 do 10 mm i pozwala na działanie całkowicie bistabilne. Przykładowe komponenty wykonane z użyciem tej technologii przez firmę Advanced Display Technologies (ADT) pokazano na fotografii 7.
Bistabilne wyświetlacze LCD
Technologia bistabilna LCD (określana jako ZBD LCD - Zenithal Bistable Display LCD) bazuje na standardowych substancjach ciekłokrystalicznych w fazie nematycznej, czyli takiej, w której cząsteczki nie wykazują uporządkowania pozycyjnego, ale mają tendencję do ustawiania się w tym samym kierunku. Jednak podłoże nie jest tu gładką powierzchnią, a mikroskopijną siatką dyfrakcyjną.
Kształt siatki wymusza ułożenie cząsteczek ciekłego kryształu prostopadle do lokalnego nachylenia powierzchni. Powoduje to odkształcenie w warstwach cząsteczek w pobliżu rowków, które oddziałuje z wieloma wyższymi warstwami. W efekcie istnieją dwie bardzo różne konfiguracje cząsteczek ciekłego kryształu, które mają tę samą energię odkształcenia. Co najważniejsze, te dwie konfiguracje powodują dwa różniące się wstępne przechylenia cząsteczek blisko powierzchni i umożliwiają uzyskanie dwóch różnych stanów optycznych bez żadnego napięcia podtrzymującego - rysunki 7 i 8.
Mikroskopijna siatka powierzchniowa musi mieć odpowiednie wymiary, kształt i skład chemiczny, aby zapewnić dwa stabilne kąty pochylenia cząsteczek - zwykle 90° i 5°. Jednak to nie wystarczy do zbudowania wyświetlacza bistabilnego, ponieważ nadal potrzebujemy metody przełączania między dwoma stanami. Ważną rolę odgrywają tu właściwości substancji ciekłokrystalicznych, które wynikają z mikroskopijnego kształtu samych cząsteczek i sprawiają, że pomiędzy dwoma stanami sieci krystalicznej istnieje wyraźna bariera energetyczna. Dlatego przy odpowiednim napięciu nastąpi przełączenie między stanami.
Odblaskowe wyświetlacze LCD tradycyjnie charakteryzują się efektem „metalicznego” odbicia. W ostatnich latach dostępne stały się nowatorskie dyfuzory kształtujące światło, które zastosowano w połączeniu z ZBD LCD, aby zapewnić prawdziwie papierowy współczynnik odbicia, podobny do wyświetlaczy elektroforetycznych. Przykładowy model produkcji New Vision Display został pokazany na fotografii 8.
Największym wyzwaniem w produkcji bistabilnych wyświetlaczy LCD było opracowanie opłacalnej metody nanoszenia siatki dyfrakcyjnej o wysokiej rozdzielczości na szkło macierzyste LCD. Bezpośrednie metody fotolitograficzne okazały się zbyt powolne i zbyt kosztowne. Ostatnie postępy w technologii ZBD LCD doprowadziły do zoptymalizowania procesu produkcji oraz zwiększyły zakres temperatur roboczych, który obecnie rozciąga się od -10°C do +90°C. Zapisany obraz pozostaje na wyświetlaczu w temperaturze od -40°C do +110°C. Co więcej, wyświetlacze te można testować zgodnie ze specyfikacjami motoryzacyjnymi (np. 500 godzin w temperaturze 85°C). Te właściwości umożliwiają szeroką gamę zastosowań w urządzeniach przenośnych, zewnętrznych oraz wykonaniach szczególnie wytrzymałych, których nie są w stanie obsłużyć inne technologie.
Kolorowy papier elektroniczny
Opisane wcześniej technologie są przystosowane przede wszystkim do wyświetlania treści o dwóch barwach - barwie tła (zwykle jest to kolor biały) oraz jednolitej barwie treści kontrastującej z tłem. Niektóre z nich szybko doczekały się rozwiązań umożliwiających wyświetlanie wielokolorowej treści, choć nie było to łatwe.
E Ink Triton
Jeden z pierwszych wyświetlaczy kolorowych firmy E Ink wprowadzono na rynek w 2010 roku. Zawierał miniaturową sieć filtrów kolorów - CFA (Color Filter Array), nadrukowanych na warstwie szkła umieszczonej na standardowym czarno-białym wyświetlaczu EPD. Światło padające na wyświetlacz odbijało się z powrotem do widza przez czerwone, zielone lub niebieskie filtry nad subpikselami - rysunek 9. Było to oczywiste podejście i pozwalało na uzyskanie wszystkich kolorów za pomocą kombinacji barw R, G, B. Większość dzisiejszych technologii wyświetlaczy, takich jak LCD i OLED, zawiera emitery R, G i B lub filtry tych barw.
Wyświetlacz nazwano E Ink Triton. Chociaż powstał elektroniczny czytnik korzystający z tej technologii, to stało się oczywiste, że produkt nie sprawdzi się na rynku. Jego rozdzielczość była zbyt niska, a kolory niewystarczająco jasne z punktu widzenia osób przyzwyczajonych do wyglądu tabletów lub drukowanych czasopism. Problem z jasnością wynikał z faktu, że wyświetlacze EPD korzystają ze światła odbitego. Taki sposób okazuje się wystarczający do użytku na zewnątrz, ponieważ obraz jest wzmacniany przez jasne światło słoneczne. Jednak każda warstwa pomiędzy właściwym pikselem a okiem pochłania lub rozprasza część światła. Okazało się, że dodanie warstwy filtra kolorów spowodowało znaczne przyciemnienie wyświetlanej treści. Uzyskany efekt widać na urządzeniu z fotografii 9.
Ponadto użycie trzech kolorów zmniejszyło ogólną rozdzielczość. Wyświetlacz, który pierwotnie miał rozdzielczość 300 pikseli na cal, z dodatkiem trójkolorowego filtra osiągał rozdzielczość 100 pikseli na cal. Nie stanowiło to problemu w przypadku dużego, np. 32-calowego wyświetlacza używanego jako tablica z reklamą. Jednak niewielkie, przenośne urządzenie z ekranem E Ink Triton nie spełniało podstawowych oczekiwań.
E Ink Kaleido
Firma E Ink - po niepowodzeniu projektu Triton - opracowała kolejne rozwiązanie. Wcześniejsze filtry tworzono, drukując półprzezroczysty czerwony, zielony i niebieski atrament na szkle. Jednak samo szkło stanowiło dodatkową warstwę. Postanowiono drukować bezpośrednio na folii, tworzącej górną elektrodę. Dzięki takiemu rozmieszczeniu filtry znajdowały się bliżej atramentu elektronicznego. Opisane rozwiązanie pozwoliło również na zwiększenie rozdzielczości, ponieważ wyrównanie filtrów z pikselami mogło być wykonane dokładniej, niż byłoby to możliwe przy użyciu oddzielnej powierzchni. Ponadto drukowanie filtrów w postaci prostej kwadratowej siatki okazało się niezbyt dobrą opcją. Konieczne stało się zatem opracowanie nowego wzoru dla filtra kolorów.
W kolejnym etapie zespół badawczy zdecydował się dodać przednie podświetlenie do wyświetlacza, dbając, 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 warto było zaryzykować ponoszenie takiego „kosztu”. Budowę nowego wyświetlacza pokazuje rysunek 10.
W rezultacie nowa technologia E Ink Kaleido zyskała znacznie bardziej nasycone kolory i lepszy współczynnik kontrastu niż E Ink Triton. Wyświetlacz oferuje 16 poziomów skali szarości i może wyświetlać 4096 kolorów. Wyświetlacze serii Kaleido kolejnych generacji pokazano na fotografii 10.
Wyświetlacze EPD trójkolorowe - E ink Spectra
Wyświetlacze z filtrami CFA nie były jedyną rozwijaną technologią. Równolegle prowadzono badania nad wyświetlaczami EPD zawierającymi kilka pigmentów. Pierwsze rozwiązania zbudowane zostały na bazie miniaturowych kapsułek wypełnionych bezbarwnym olejem oraz mikroskopijnymi cząsteczkami zabarwionymi na trzy kolory - czarnymi, białymi oraz np. czerwonymi. Taki e-papier dzieli podstawowe cechy z monochromatycznymi poprzednikami, ale wymaga znacznie bardziej skomplikowanej chemii i sterowania.
Zasadniczy problem polegał na tym, żeby każdy rodzaj cząstek reagował jednoznacznie i niepowtarzalnie na pole elektryczne. Do tej pory wystarczyło, że cząsteczki jednego koloru były przyciągane, a inne odpychane. Posortowanie cząstek trzech rodzajów wymagało bardziej złożonych rozwiązań:
- Po pierwsze, należało wytworzyć cząsteczki o różnych rozmiarach - większe cząsteczki poruszają się wolniej w cieczy niż mniejsze.
- Kolejnym zadaniem było zróżnicowanie ładunku cząsteczek, z przyjęciem skali raczej analogowej niż cyfrowej. Dzięki temu ładunek cząsteczek może być silnie dodatni, częściowo dodatni, silnie ujemny lub częściowo ujemny. Niewykluczone są też opcje pomiędzy tymi wartościami.
- Zmieniono również kształt mikrokapsułek: zamiast przekroju okrągłego zastosowano trapez, co umożliwiło lepszą kontrolę nad pionowym położeniem cząsteczek. Nazwano je mikrokubkami (microcups).
Uproszczoną budowę nowego typu wyświetlacza pokazano na rysunku 11. Technologia z trzema kolorami została wprowadzona w 2013 roku i zyskała nazwę E Ink Spectra (lub E Ink Spectra 3000). Znalazła zastosowanie głównie w elektronicznych etykietach cenowych ESL (Electronic Shelf Labels). Najbardziej rozpowszechnione są wyświetlacze z pigmentami czarnym, białym i czerwonym (fotografia 11) lub czarnym, białym i żółtym (fotografia 12).
Wyświetlacze EPD z 4 i 5 pigmentami
W 2021 roku do systemu dodano rozwiązania z czterema pigmentami - czarnym, białym, czerwonym i żółtym. Budowę mikrokubków i ładunki cząsteczek pokazano na rysunku 12.
Te kolory świetnie nadają się do generowania głęboko nasyconych barw o wysokim kontraście - fotografia 13. Nowa generacja - E Ink Spectra 3100 - ma dodatkowo skrócony czas aktualizacji treści i rozszerzony zakres temperatur pracy. Parametry zostały zoptymalizowane głównie na potrzeby tagów ESL, stosowanych w różnych środowiskach i halach sklepowych.
W kolejnej generacji, E Ink Spectra 3100 Plus, dodano jeszcze jeden pigment - pomarańczowy - do istniejących czterech kolorów. Połączenie pięciu żywych i nasyconych kolorów ma tworzyć przyciągający wzrok wyświetlacz, który pomoże poprawić skuteczność działań marketingowych i reklamowych.
Wyświetlacze EPD AceP - E Ink Gallery
Po niepowodzeniu projektu Triton oraz dzięki doświadczeniu zdobytemu przy opracowywaniu wyświetlaczy Spectra, firma E Ink przygotowała kolejne rozwiązanie. Nowy system przeznaczony do prezentacji pełnej palety kolorów nosi nazwę ACeP (Advanced Color ePaper) i używał, przestrzeni barw C, M, Y, K, stosowanej w drukarkach atramentowych. Zmieniono pigment czarny na biały, a pozostawiono cyjan, magentę i żółty - rysunek 13.
Dzięki umieszczeniu wszystkich kolorowych cząstek w każdym pikselu, wyeliminowano potrzebę stosowania filtrów kolorów CFA. Cząsteczki można ustawiać na różnych poziomach oraz mieszać poszczególne pigmenty w górnej warstwie - rysunek 14.
Projekt ACeP trafił do produkcji w 2016 roku, przykład wyświetlacza tego typu został pokazany na fotografii 14. Regulując zagęszczenie poszczególnych pigmentów, można uzyskać do 50 000 różnych odcieni. Jednocześnie zachowano wyjątkowo niski pobór mocy i czytelność przypominającą papier we wszystkich warunkach oświetleniowych.
Wyświetlacze tego typu można znaleźć w liniach produktów Gallery i Prism firmy E Ink. Na fotografii 15 pokazano porównanie urządzeń Gallery 3 i Kaleido 3. W Gallery 3 czas aktualizacji obrazu czarno-białego został skrócony do 350 ms, szybki tryb koloru to 500 ms, standardowy tryb koloru to 750...1000 ms, a najlepszy kolor osiąga się przy 1500 ms. Stanowi to znaczną poprawę w porównaniu z pierwszą generacją Gallery, w której czas aktualizacji w trybie czarno-białym wynosił ok. 2000 ms, a w kolorze - 10 s! Ponadto urządzenie Gallery 3 charakteryzuje się lepszą rozdzielczością wynoszącą 300 pikseli na cal (w porównaniu z wcześniejszymi wersjami, które osiągały 150 ppi) i temperaturą roboczą wynoszącą 0...50°C, co jest porównywalne z czarno-białymi EPD. Aby zwiększyć szybkość przejścia kolorów, można ograniczyć ich intensywność. Dlatego w trybie najlepszego koloru czas przejścia jest najdłuższy - aby przenieść pigmenty jak najbliżej powierzchni. Natomiast tryb szybki może okazać się nieco bardziej stonowany kolorystycznie, ponieważ ruchy pigmentu są ograniczone w określonym czasie aktualizacji.
Jedną z zasadniczych wad Gallery 3 pozostaje częstotliwość odświeżania. Nigdy nie będzie on tak responsywny, jak tradycyjny czarno-biały panel EPD. Istnieje również problem z „duchami”, związany z trybami szybkiego odświeżania.
Wyświetlacze EPD E Ink Spectra 6
Firma E Ink opracowała jeszcze jeden rodzaj wyświetlacza - Spectra 6, który zawiera pigmenty R, Y, B (czerwony, żółty i niebieski) oraz biały - rysunek 15. Dzięki zaawansowanym algorytmom obrazowania kolorów pozwala uzyskać pełne spektrum barw (wyświetlacz w tej technologii został pokazany na fotografii otwierającej artykuł).
System czterech pigmentów RYBW pozwala wyświetlić 6 podstawowych kolorów - czerwony, zielony, niebieski, żółty, biały i czarny, które tworzą paletę barw dla obrazów pełnokolorowych. Temperatura pracy Spectra 6 jest taka sama, jak w przypadku standardowych wyświetlaczy e-papierowych i pozwala na wdrożenie technologii do rozwiązań outdoorowych.
Wyświetlanie kolorowej treści na EPD
W kolorowych ekranach EPD stosowane są 3...4 pigmenty w mikrokapsułkach. Mikrokapsułki umieszcza się pomiędzy wspólną elektrodą górną a niezależnie sterowanymi elektrodami pikseli. Obie są wykonane z przezroczystych podłoży pokrytych tlenkiem indu i cyny (ITO). Cząsteczki pigmentów można poruszać, przykładając różne potencjały lub przebiegi sterujące do elektrod. Po odłączeniu sterowania położenie drobin zostanie zachowane, ponieważ gęstość cząsteczek jest równa gęstości płynu wypełniającego mikrokapsułkę. Zatem ekran może zawsze wyświetlać ostatni obraz.
Aby możliwe było sterowanie rozmieszczeniem przestrzennym cząsteczek w obrębie mikrokapsułki, drobiny poszczególnych pigmentów muszą reagować na pole elektryczne w odmienny sposób. Dlatego mają różne rozmiary, polaryzację i ładunki elektryczne. Zróżnicowanie to wymaga stosowania złożonych sygnałów sterujących. Już nie wystarczy ustawienie określonego potencjału, potrzebne są fale o różnym kształcie i amplitudzie, generowane w odpowiednich sekwencjach - można choćby wypchnąć cząsteczki jednego koloru ku górze, a następnie nieco je cofnąć, aby zmieszały się z innymi fragmentami, tworząc określony odcień. Na przykład: cyjan i żółty razem dają zielony, a im bliżej powierzchni znajdują się cząsteczki, tym intensywniejszy będzie kolor.
Strukturę trójkolorowej mikrokapsułki EPD z symbolicznym rozróżnieniem wielkości cząsteczek pokazano na rysunku 16. Białe cząsteczki mają ładunek ujemny, a pozostałe - czerwone i czarne - są dodatnie, ale różnią się ładunkiem i objętością. Eksperymenty wykazały, że prędkość cząsteczki jest odwrotnie proporcjonalna do jej objętości. Objętość cząsteczek czerwonych jest większa niż czarnych, dlatego prędkość czarnych jest większa niż prędkość czerwonych. W rzeczywistości czas potrzebny na ustawienie pigmentu czarnego wynosi kilkaset milisekund, a czas ustawienia pigmentu czerwonego - kilka sekund.
Czerwone i czarne cząsteczki różnią się także wielkością ładunku. Silny potencjał dodatni na elektrodzie sterującej spowoduje szybkie przemieszczenie czarnego pigmentu ku górze. Czerwony - wolniejszy - ustawi się poniżej czarnego (rysunek 16a). Zmiana polaryzacji elektrody sterującej spowoduje wypchnięcie białego pigmentu ku górze - rysunek 16b. Natomiast ustawienie słabego potencjału dodatniego na elektrodzie sterującej spowoduje ustawienie czerwonego pigmentu na górze, ponieważ ma on silniejszy ładunek dodatni niż pigment czarny. Pigmenty można zatem rozdzielić poprzez kontrolowanie wartości i czasu trwania napięcia sterującego.
Zjawisko „duchów”
W praktyce niektóre pigmenty mogą w niewielkim stopniu się ze sobą mieszać - dzieje się tak np. w przypadku czerwonych i białych cząsteczek. Opisane zjawisko wynika ze specyficznych właściwości ruchu cząsteczek oraz ich wzajemnego oddziaływania. Powstaje wtedy obraz nazywany duchem, w którym czerwone cząstki pozostają na czarnej lub białej treści ekranu. Z tego względu należy skutecznie kontrolować czerwone cząstki poprzez optymalizację przebiegów sterujących. W celu kontrolowania nasycenia czerwieni w 3-kolorowych EPD, kształt fali sterującej został zoptymalizowany i podzielony na różne etapy. Przykładowy schemat sterowania pokazano na rysunku 17.
Składa się on z 4 części:
- wymazywania,
- aktywacji cząstek,
- oczyszczania czerwonych cząstek,
- wyświetlania.
Istnieje także wiele innych sekwencji, które oferują lepszą jakość obrazu lub krótszy czas aktualizacji treści.
Podsumowanie
Papier elektroniczny, zwany także atramentem elektronicznym, to urządzenie wyświetlające imitujące wygląd zwykłego papieru z wydrukowaną treścią. W przeciwieństwie do klasycznych wyświetlaczy, które emitują światło, elektroniczny papier odbija światło otoczenia, dlatego treść można czytać w bezpośrednim świetle słonecznym, a obraz nie blaknie. Stosowane technologie obejmują przede wszystkim elektroforetykę EPD i elektrozwilżanie EWD. Wiele technologii papieru elektronicznego zachowuje treść przez dowolny czas bez potrzeby zasilania. Dzięki zastosowaniu tworzyw sztucznych papier elektroniczny może być elastyczny i przyjmować niemal dowolny kształt.
Obecne zastosowania wyświetlaczy z elektronicznego papieru obejmują głównie czytniki cyfrowych wersji książek i czasopism oraz elektroniczne etykiety półek sklepowych ESL. Wyświetlacze e-papierowe doskonale wpisują także się w nowoczesne ekotechnologie. Coraz częściej są stosowane jako informacyjne oznakowanie cyfrowe, np. rozkłady jazdy na przystankach lub dworcach (fotografia 16).
Znalazły się także w projektach nowoczesnych smartfonów z dwoma ekranami, gdzie jeden to powszechnie znany AMOLED, a drugi - e-papierowy wyświetlacz umieszczony na tylnym panelu (fotografia 17).
Damian Sosnowski, EP
Bibliografia:
- https://en.wikipedia.org/wiki/Gyricon
- https://pl.wikipedia.org/wiki/E_Ink
- https://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_paper
- https://elektronikab2b.pl/technika/55112-e-papier-w-wyswietlaczach
- https://www.eink.com/tech/detail/How_it_works
- https://www.ynvisible.com/news-inspiration/what-is-e-paper
- https://www.ynvisible.com/product/large-e-paper-display-80mm
- https://sid.onlinelibrary.wiley.com/do/10.1002/msid.0050035
- https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/electrochromic-and-electrophoretic-technologies-shine-in-low-power-displays/
- https://encyclopedia.pub/entry/7989
- https://etulipa.com/electro-wetting-display-technology/
- https://www.newvisiondisplay.com/what-are-zbd-lcds/
- https://www.naczytniku.pl/od-1997-do-2022r-historia-kolorowych-ekranow-e-ink/
- https://the-digital-reader.com/ectaco-unveils-the-jetbook-2-ereader-wnew-triton-2-color-e-ink-screen/
- https://www.beck-elektronik.de/en/products/displays/e-paper-display-epd
- https://goodereader.com/blog/e-paper/e-ink-gallery-3-vs-e-ink-kaleido-3
