Битва за чернила

Введение

Представив в 2004 году электронную книгу LIBRIe на экране E Ink, японская компания Sony совершила, не побоюсь этого слова, революцию. После десятилетий существования информационных дисплеев, сначала на электроннолучевых трубках, а в последние полторы декады на жидкокристаллических панелях, мы впервые получили в своё пользование экраны, удобство чтения с которых практически не отличается от обычной бумаги.

Компания Sony настолько верила в перспективу технологии, что долгое время запрещала продавать экраны E Ink другим разработчикам, предоставляя существенную фору своим электронным книгам и не страшась конкуренции. Решение о поставках на сторону принималось на высочайшем уровне коллегиально всей тёплой компанией участников производственного процесса: Sony, Philips и японской Toppan Printing. Только по прошествии четырёх лет дисплеи E Ink попали в руки действительно крупного производителя — Amazon (книги Kindle), до этого же момента они разве что ограниченно поставлялись китайским компаниям Jinke Electronics (модели под марками Hanlin, Lbook) и Netronix (модели под марками Pocketbook, Orsio, Explay). К этому времени электрофоретические экраны уже выпускала тайваньская компания Prime View International (PVI), выкупившая бизнес у неповоротливой от собственной значимости компании Philips, что и поспособствовало обеспечению доступности экранов E Ink для широкого круга разработчиков: в отличие от Philips, компании PVI пришлось шевелиться, ведь на горизонте уже стали появляться альтернативные технологии.

Сегодня моделей электронных книг на экранах E Ink настолько много, что уследить за всеми не представляется возможным. Технология «электронных чернил» компании E Ink за шесть лет коммерческого развития заслуженно стала лидирующей в нише электронных книг. Но раз процесс пошёл, появление альтернативы — это лишь вопрос времени. Текущий год как раз и обещает стать годом перемен для конкурентов E Ink. До конца 2010 года планируется продать порядка 10 млн. электронных книг — это хорошая цифра для привлечения инвесторов, чем гарантированно воспользуются разработчики конкурирующих технологий. Возможно, и нам вскоре предстоит познакомиться с электронными книгами на основе технологий, отличных от E Ink. Предваряя обзоры будущих устройств, познакомимся с основными направлениями, способными составить конкуренцию разработке одноимённой американской компании.

Чтобы было от чего отталкиваться, вкратце напомним: экран E Ink представляет собой массив микрокапсул с прозрачной жидкостью, в которой свободно плавает двухцветная разнозаряженная взвесь — отрицательно заряженные чёрные и положительно заряженные белые частички краски.

Управляя зарядами на подложке, как одни, так и другие частички можно заставить всплыть к лицевой поверхности экрана или, наоборот, потонуть в его глубине. В итоге, текст на таком экране выглядит как напечатанный обычной типографской краской (ведь по сути, именно краску мы и видим), а белый пигмент отражает свет подобно бумажному листу, не создавая бликов, неизменных попутчиков всех попавших под источник внешнего освещения обычных экранов. Наконец, если мы снимем напряжение с ячейки, частицы краски останутся там же, где и были — то есть, для удержания картинки нам не придётся тратить энергию (это свойство экрана называется бистабильностью).

Все представленные ниже технологии также имеют эти два свойства: во-первых, информация на них легко читается на ярком солнечном свете, во-вторых, для удержания картинки им либо вообще не требуется энергия, либо её количество минимально.

Холестерические жидкие кристаллы

Экраны на холестерических жидких кристаллах далеко не новость, но начнём мы именно с них. Электронную книгу на экране ChLCD (Cholesteric Liquid Crystal Display) выпускает японская компания Fujitsu. Помимо того, что это единственная на данный момент на рынке электронная книга на холестерических жидких кристаллах (не снятая с производства, а такие были), она ещё и единственная серийно производимая цветная книга:

Впрочем, объёмы производства книги Fujitsu FLEPia весьма скромны: на период с апреля 2009 по апрель 2010 года компания запланировала выпустить 50 тысяч устройств. Рынок сбыта — Япония. Цена модели с 8-дюймовым экраном высока — порядка 1100 долларов США без учёта налогов, а 12-дюймовое устройство должно было стать дороже чуть ли не вдвое — но так и не поступило в продажу.

Ограниченные продажи и дороговизна — признак недостаточной зрелости технологии, как с точки зрения выпуска приемлемых по потребительским качествам экранов, так и в плане себестоимости. Основные трудности возникли с получением белого цвета и, как следствие, низкой отражательной способностью (белизной экрана). Забегая вперёд, отметим, теоретическая максимально возможная рефлективность ChLCD — 50 %. В реальных продуктах это значение опускается до 35 % или ниже, в то время как отражательная способность экранов E Ink последнего поколения уверенно превышает 40 %.

Трудности трудностями, однако технология продолжает развиваться. Целевой нишей ChLCD-панелей считаются электронные ценники, рекламные и информационные табло, панели цифровых гаджетов, включая флэшки, навигаторы и тому подобные устройства, которые способны выиграть от экранов с памятью.

До появления электронных книг на экранах E Ink среди производителей устройств для электронного чтения холестерические жидкие кристаллы пользовались заметным спросом. Этим грешили китайские и гонконгские компании. Например, Argosy с моделями 600-й серии (в нашей продаже модели Kolin I-Library EB 683) или уже упоминавшаяся выше компания Jinke Electronics. Последняя, до связи с E Ink, успела выпустить две модели на монохромных ChLCD: S6 и L12. Пример такого экрана в составе модели Hanlin L12 можно видеть на картинке ниже:

Кстати, первый подход к книге, получившей впоследствии имя Lbook, также был осуществлён с использованием ChLCD-панели (модель IVY Reader). В целом, начиная с 2004 года и к настоящему времени, в нише электронных книг с монохромными экранами технология E Ink не оставила шанса ChLCD. Слово «монохромным» подчеркнём особо. В отличие от E Ink, с его 16 градациями серого в современном исполнении, управлять Ch-ячейкой для получения аналогичного числа градаций очень и очень сложно. Поэтому ChLCD уверенно закрепились в нише экранов, каждая точка которых имеет два состояния — включено или выключено, белый или чёрный.

Существенный выигрыш панелей на монохромных холестерических жидких кристаллах заключается в низкой себестоимости экранов — примерно вдвое дешевле, чем у экранов E Ink. В первую очередь дешевизна объясняется использованием пассивных подложек для управления пикселями: если в активно-матричных подложках для управления каждым пикселем экрана E Ink необходима своя транзисторная группа, то для управления пикселями ChLCD достаточно простой решётки из токопроводящих электродов (столбец/колонка).

К сожалению, малая себестоимость производства ChLCD оказалась нивелирована такими недостатками, как медленным, даже в сравнении с E Ink, обновлением экрана (особенно у экранов, в которых таки реализовано отображение градаций серого), худшими углами обзора и высокой чувствительностью к колебаниям рабочих температурам. Впрочем, современные монохромные холестерические панели по таким параметрам, как белизна и контрастность экрана, демонстрируют прекрасные результаты — зачастую не хуже, чем у E Ink. Также ушла в прошлое цветная (зелёная) окраска подложки. Белизна фона современных ChLCD, как видно на примере электронного ценника Citizen, особых нареканий не вызывает:

И всё же, повторимся, в нише электронных книг монохромные ChLCD уже проиграли. Пока они избавятся от всех имеющихся недостатков, электрофоретические экраны ещё больше потеряют в цене и улучшат свои потребительские характеристики. Судя по всему, холестерики рискуют проиграть и цветным электронным книгам. Судите сами, цветной E Ink может и уступает по качеству отображения цвета цветным ChLCD (та же Fujitsu FLEPia), но скорость обновления холестерических экранов ниже всякой критики: картинка в 64 цвета формируется в течение 1,8 секунды в один проход (вдвое дольше обновления экрана E Ink); картинка из 4096 цветов формируется в два прохода в течение 5 секунд; наконец, на «полноцвет» из 260000 цветов требуются три прохода и 8 (!) секунд.

К тому же, с чрезмерно длительным обновлением экрана говорить о существенной экономии от бистабильности как-то несерьёзно — за то время, что экран будет перерисовываться, энергии он успеет потребить достаточно. Даже для 64-цветного режима срок жизни аккумулятора электронной книги Fujitsu FLEPia не превышает 40 часов при скорости перелистывания страниц раз в минуту (итого, 2400 страниц). Двух- и трёхпроходные режимы израсходуют заряд батарей ещё быстрее. А вот книжек с экраном E Ink хватает на число листаний в три-четыре раза больше — до 10000 страниц.

Всё ли потеряно? Отнюдь. Выше мы уже приводили области применения ChLCD — это наружная реклама и мелкая электроника. О перспективности направления можно судить хотя бы по тому, что тему холестерических экранов как дисплеев с памятью разрабатывает больше всего компаний, включая Fujitsu, Fuji Xerox, Hitachi, Kent Display, Kodak, Varitronix, ZBD Display, LC-TEC Displays и Citizen Watch.

Завершая тему холестерических жидких кристаллов, проясним принцип работы цветного экрана ChLCD. В качестве наиболее жизнеспособного примера рассмотрим экран электронной книги Fujitsu FLEPia, разработанный американской компанией Kent Display.

Структура слоя экрана ChLCD Kent Display подобна структуре экрана E Ink. И тот, и другой представляют собой массив кое-как упорядоченных в одной плоскости микрокапсул:

Справа, в виде «икры минтая» — это только что выдавленные через мембрану-решето 18-мкм микрокапельки раствора холестерических жидких кристаллов. Впоследствии они проходят стадию полимеризации, в процессе которой заключаются внутрь герметичных полимерных микрокапсул. В свою очередь, слой накрепко сцепленных между собой микрокапсул покрывается ламинатом из полимерной плёнки (правое изображение).

Прочность получившегося монохромного экрана-плёнки настолько велика, что без проблем выдерживает серьёзное давление и усилия на изгиб. Поскольку подложка ChLCD пассивная, достаточно нанести на плёнку сетку из прозрачного полимерного проводника и всё — дисплей готов к употреблению! Такому экрану можно придать любую форму или нанести на стекло, на пластиковую подложку, да хоть на футболку. Побочным направлением (или в дальнейшем — основным, как знать) для ChLCD обещает стать оснащение электробытовых товаров электронным аналогом кожи хамелеона. Тончайшим слоем ChLCD можно покрыть устройство любой формы, что приведёт, например, к появлению телефонов, оперативно меняющих цвет корпуса в тон лаку ногтей:

Что ещё интересно отметить, управляющая сетка из полимерного проводника наносится при комнатной температуре методом струйной печати, что значительно упрощает и удешевляет процесс производства экранов ChLCD. В законченном виде однослойный монохромный ChLC-экран имеет следующий вид:

Ламинат с микрокапсулами, дополнительно усиленный пластиковыми вставками-шариками, после нанесения с обеих сторон плёнки сетки из прозрачных пластиковых электродов, с каждой из сторон ещё и укрепляется прозрачными поликарбонатными накладками (субстратом), сравнимыми по толщине с «информационным» слоем. Другим обязательным атрибутом нижней стороны каждого ChLC-экрана является поглощающий свет чёрный слой. Изображённые на рисунке в виде символа песочных часов жидкие холестерические кристаллы демонстрируют состояние раствора в одном из устойчивых положений — конфокальном (focal-conic), практически полностью пропускающем падающий свет (до 95 %), после чего тот целиком поглощается чёрной подложкой. Такие точки будут видны на экране как чёрные.

В другой устойчивой фазе — планарной — холестерические жидкие кристаллы отражают падающий свет с максимальным коэффициентом 50%. В идеале, в планарной фазе пикселей мы должны видеть на экране белые точки. На практике ChLC-экраны едва-едва избавились от зелёных тонов и пытаются избавиться от серых. Зато свойство холестерических кристаллов избирательно отражать свет определённой длины волны пригодилось для создания цветных ChLC-экранов. Для этого собирается бутерброд из трёх слоёв монохромных ChLC-плёнок, где каждый слой заполняется раствором холестерических кристаллов, отражающих свет своей длины волны:

Нижний слой в планарном состоянии кристаллов отражает красный цвет, средний слой — зелёный, а верхний — синий, реализуя, таким образом, аддитивную модель цветового синтеза, когда все три цвета в сумме дают белый (правая картинка). В отличие от традиционной дисплейной аддитивной модели, когда каждый пиксель состоит из трёх субпикселей: красного, синего и зелёного, трёхслойный ChLC-пиксель не тратит отведённое ему пространство экрана на субпиксели. Падающий свет превращается в цветное пятнышко всегда строго одной и той же площади. Это позволяет считать цветные ChLC-экраны одними из самых ярких среди экранов с памятью. Проблема лишь в том, что заметная часть падающего света поглощается промежуточными слоями и системой электродов. На выходе, как мы отмечали выше, оказываются едва выше 35 % падающего света.

Кроме выигрыша в яркости, трёхслойная реализация цветного экрана позволяет не потерять в разрешении. Плёнки E Ink, например, для реализации каждого цветного пикселя вынуждены опираться сразу на четыре субпикселя — красный, синий, зелёный и белый, что резко снижает разрешающую способность цветного E Ink:

Зато потери света в накладном цветофильтре при переотражении падающего света от белой взвеси в микрокапсулах экрана E Ink минимальны и дополнительно компенсируются отсутствующим в аддитивной схеме белым субпикселем. Правда, что цветные E Ink, что цветные ChLCD — оба не способны преодолеть цветовой охват 10 % NTSC, завязнув где-то на уровне 5—7 %.

Остаётся добавить, что состав холестерических жидких кристаллов представляет собой слоистую структуру, где каждый слой состоит из ориентированных в одном направлении «нитей» молекул. Свойство холестериков отталкиваться вершинами приводит к тому, что каждый нижний слой немного сдвинут по горизонтали по или против часовой стрелки:

Таким образом, вертикаль раствора холестериков напоминает пакет «дисков» со сдвинутыми по спирали вершинами молекул. Такое состояние — устойчивое планарное — максимально отражает свет в видимом диапазоне. Приложив на короткое время к раствору напряжение, спираль можно распрямить, и нити холестериков сформируют устойчивую вертикально ориентированную конфокальную структуру, которая не препятствует прохождению света к нижним уровням.

Нематики с памятью

Среди жидких кристаллов эффект памяти был обнаружен также у нематического материала. Нематики давно и широко применяются при создании обычных ЖК-мониторов. Каждый из вас, кто сейчас читает эту статью с ЖК-монитора, смотрит на экран с тем или иным составом нематических жидких кристаллов.

Заставить спиралевидные нити «Super Twisted Nematic» принимать два устойчивых положения смогла французская компания Nemoptic (технология BiNem, Bistable Nematic). Как и обычные STN-экраны, применяемые в недорогих телефонах и в информационных табло измерительной и бытовой техники, матрицы BiNem пассивные. Основное отличие STN BiNem от обычных STN LCD — в очень тонком зазоре между двумя прозрачными стенками подложек — порядка 1—2 мкм, тогда как традиционный STN дисплей имеет зазор между подложками 20—25 мкм. Основная трудность при изготовлении BiNem-панелей, таким образом, заключается в необходимой чрезвычайной точности изготовления экранов. Зазор настолько мал, что возникает риск короткого замыкания верхнего и нижнего токопроводящих слоёв, да и заполнить столь тесное пространство жидкокристаллическим материалом проблематично.

Зачем нужны такие мучения? Во-первых, STN BiNem панели можно выпускать на обычном оборудовании, на котором уже десятилетиями производятся привычные STN-панели. При этом оптические свойства Bistable Nematic заметно выше качества STN-экранов: как по отражательной способности, так и по углам обзора и контрастности. Но главное, BiNem-панели могут месяцами удерживать картинку без необходимости подвода питания, тогда как обычные STN требуют постоянного питания для регенерации изображения.

Увы, замечательные качества французской технологии не нашли отклика среди производителей электронных книг. В 2002 году Nemoptic попыталась было работать с тайваньской компанией Picvue Electronics, но к настоящему времени от последней даже в интернете осталось не так много следов. В 2007 году Nemoptic нашла более надёжного партнёра — японскую компанию Seiko Instruments, а в 2008 заключила с ней обширное кросс-лицензионное соглашение. Согласно договорённости, Seiko обязалась на своих заводах наладить выпуск широкого спектра патентованных экранов STN BiNem, но с тех пор таковые ни разу не были востребованы в качестве дисплеев для электронных книг. Очевидно, «благодарить» за это надо экраны E Ink, превосходящие по оптическим качествам экраны Nemoptic.

За исключением двух прототипов экранов для электронных книг, о которых мы поговорим ниже, технология BiNem гарантированно найдёт применение в экранах с памятью для электронных ценников, телефонов, мелкой электроники и информационно-рекламных табло. В последнем случае нельзя не учитывать такую особенность технологии Nemoptic, как возможность работать с тыловой подсветкой, что в принципе нереализуемо в конкурирующих бистабильных технологиях. От тыловой подсветки выиграют, прежде всего, цветные BiNem-экраны: хотя количество цветов не превысит 32К, они будут достаточно яркими. Разумеется, BiNem-экраны с подсветкой будут уже не в полной мере соответствовать тем критериям, которые мы указали в начале статьи — их энергопотребление будет сравнительно велико именно из-за подсветки.

Неспособность компании найти заказы на «книжные» экраны привела к тому, что Nemoptic создала только два реальных прототипа BiNem-экранов: чёрно-белый формата A4 и цветной диагональю 5,1 дюйма. Чёрно-белый экран BD 500 действительно поражает размерами:

Дисплей со сторонами 210x297 мм имеет разрешение 1650x2340 пикселей с шагом 200 точек на дюйм. На этом восхищённые возгласы стихают. Отражательная способность экрана равна 30 % — как у первого поколения экранов E Ink. К тому же, время обновления экранов BiNem сильно зависит от температуры окружающей среды: так, если при 25 °C время перерисовки экрана примерно равно 1 секунде, то уже при 10 градусах оно приближается к 2 секундам, а управляющее напряжение требуется повышать с 15 В до 25 В. Компания работает над снижением вязкости раствора жидких кристаллов и над их температурной зависимостью, но пока — вот так.

По умолчанию бистабильность жидкокристаллических растворов предполагает только два состояния — пропускаем свет и не пропускаем, отчего повысить число градаций на них — настоящая головная боль. Зато с градациями серого на экранах Nemoptic немного проще, чем с отображением полутонов на экранах с холестерическими жидкими кристаллами. Модулируя импульс записи, Nemoptic добивается того, что каждый пиксель BiNem может принимать один из 32 оттенков. В сочетании с накладными цветными фильтрами число отображаемых цветов, таким образом, превышает 32 тысячи.

Необходимо отметить, что эффект серого на экранах BiNem довольно своеобразен. Компания называет его «эффектом шторки». Каждый шаг градации буквально выглядит так, как будто яркий пиксель «окна» постепенно от одного края к другому затягивают чёрной шторкой. От этого экраны BiNem невысокого разрешения обладают явно выраженной полосатостью.

Поскольку мы подошли к BiNem-цвету, посмотрим, что собой представляет прототип цветного 5,1-дюймового экрана Nemoptic BD 1000:

Как и всех цветных «бумагоподобных» экранов, кроме ChLCD, разрешение цветного экрана Nemoptic оставляет желать лучшего — 100 точек на дюйм. Впрочем, это лучше, чем у многих прототипов цветных E Ink, у которых разрешение попадало в диапазон 50—70 точек на дюйм, тогда как серийные чёрно-белые E Ink могут похвастаться разрешением от 160 до 200 точек на дюйм.

С яркостью дела тоже обстоят не лучшим образом. К сожалению, компания не уточняет числа отражательной способности, заявляя лишь об улучшении данного показателя на 20 % по отношению к цветным BiNem предыдущего поколения. Добиться лучшей белизны цветного экрана компании Nemoptic помог, как и в цветных E Ink, нехитрый способ введения в аддитивную схему RGB четвёртого — белого — пикселя. Учитывая, что чёрно-белый экран BiNem без накладных цветных фильтров отражает 30 % падающего света, маловероятно, что такой же экран с цветным фильтром, свет через который проходит дважды, может похвастаться той же самой белизной. Рискнём предположить, что отражательная способность цветных BiNem не намного превышает 20 %.

Всё вышесказанное о нематиках с памятью привело к закономерному результату. Появись эта технология лет за пять-десять до выхода E Ink, она бы имела неплохой шанс на успех. Впрочем, в областях, отличных от выпуска дисплеев для электронных книг, технология BiNem наверняка будет пользоваться популярностью.

В заключение рассказа о бистабильных нематических жидких кристаллах объясним принцип работы технологии. Как мы уже отмечали, особенностью технологии BiNem является чрезвычайно малый зазор между подложками (и токопроводящими контактами). Зазор не превышает 2 мкм и равен длине одной спирали жидких кристаллов. С внутренней стороны в подложках протравлены или процарапаны микрощётками канавки — так называемое ориентирующее покрытие, причём канавки в верхней подложке повёрнуты относительно нижних на 90 градусов.

Концы спиралей жидких кристаллов удобно ложатся в верхнюю (master) и нижнюю (slave) канавки. При этом сцепление в верхней части таково, что спираль крепится намертво, тогда как в нижней канавке при определённых условиях конец спирали можно заставить проскользнуть до следующего положения или предыдущего. Таким образом, спираль ЖК может принимать два устойчивых состояния — нескрученное (U — untwisted) и скрученное на 180 градусов (T — twisted):

В одном случае ячейка пропускает свет, и он отражается к наблюдателю (белая точка), в другом поглощается материалом (чёрная точка). Какое из состояний будет отражать или поглощать свет, зависит от типа и ориентации поляризаторов на лицевой стороне и на стороне отражения.

В первоначальном состоянии концы молекулы ЖК-спирали лежат каждая в своей канавке и развёрнуты друг относительно друга на 90 градусов. Передний фронт импульса выстраивает домены ЖК-молекул вдоль линий силового поля, и если напряжение превышает силу разрыва связи (ступенька на импульсе), скрученная на 90 градусов спираль вырывает нижний конец из канавки и распрямляется. После снятия поля спираль оказывается в устойчивом нескрученном состоянии:

Если управляющий импульс имеет другую форму, нижний конец спирали молекулы под его действием и действием внутренних сил проворачивается ещё на 90 градусов, и после снятия поля концы спирали оказываются развёрнутыми на 180 градусов — ЖК-материал принимает второе устойчивое состояние. Регулируя высоту ступеньки, добиваются промежуточных поворотов спирали, чем повышают число градаций серого.

Экраны Pixel Qi

Строго говоря, экраны компании Pixel Qi никак не относятся к экранам с памятью. Не считая некой доработки, о которой ниже — это обычные недорогие TN-матрицы, имя которым — легион. Тем не менее, компания в описании технологии употребляет такой термин, как «режим электронной бумаги». Это уже вызвало путаницу. В описаниях разработки или устройств на основе экранов Pixel Qi частенько можно встретить слова «e-paper», «гибридные экраны» и «электронные книги». Да что там! Прямо на сайте компании прямо написано: «E-Paper with Color and Video». На деле же вся хитрость экранов Pixel Qi заключается в комбинации рефлективного ЖК-экрана и экрана с подсветкой. При хорошем внешнем освещении подобный подход позволяет отказаться от тыловой подсветки, сэкономив на заряде батарей ноутбука, но никак не от принципа работы TN-матрицы, требующей регулярной регенерации любой картинки

Как всё это выглядит на практике? По словам очевидцев — как печатный текст, нанесённый на зеркало (из-за того, что отражённый свет подчиняется законам зеркального отражения, а не рассеивается). Совсем не похоже на E Ink, не так ли? И всё же, раз уж мы упомянули технологию Pixel Qi, проясним для себя, как она работает и какие у неё преимущества. Как-никак, а продукция на основе экранов 3qi появится уже в текущем году. И это будут не только ноутбуки (и мифический 75-долларовый ученический лэптоп), но также планшетные компьютеры и, по всей видимости, электронные книги. Например, уже анонсированная книга-планшет Adam компании Notion Ink:

На официальном сайте компании Pixel Qi искомая информация об одноимённой технологии отсутствует напрочь. Между тем, не секрет, что основатель компании Мэри Лу Джепсен (Mary Lou Jepsen) до работы в Pixel Qi являлась техническим директором некоммерческого проекта OLPC (One Laptop per Child, ноутбук — каждому ребёнку). В ученическом ноутбуке XO-1 как раз впервые и был реализован комбинированный или гибридный экран, способный работать в двух режимах — монохромном высокого разрешения без подсветки и цветном низкого разрешения с подсветкой. Очевидно, базовые принципы новых экранов 3qi те же, что и в экранах XO-1. На рисунке ниже представлена схема одного пикселя такого экрана:

За исключением двух конструктивных особенностей, каждый пиксель гибридного экрана представляет собой обычный набор из пары поляризаторов, пары стеклянных подложек и пары групп управляющих электродов. Внутри всего этого добра залит раствор обычного TN ЖК-материала. Первая особенность пикселя заключается в том, что только средняя его часть пропускает свет от источника тыловой подсветки. Непрозрачные края пикселя покрыты зеркальным материалом, так что, когда пиксель открыт, он не только пропускает свет подсветки, но и отражает свет, падающий от внешнего источника.

Вторая особенность пикселя гибридного экрана вытекает из первой — цветной фильтр перенесён с лицевой стороны экрана на сторону нижнего субстрата. Таким образом, цвет возможен только при работающей тыловой подсветке, тогда как в ярком внешнем освещении экран будет выглядеть монохромным (чёрно-белым) и подсветку рекомендуется отключить.

На практике гибридный экран выглядит чёрно-белым только при ярком прямом солнечном свете — но такой уровень освещения неприемлем для глаз. В тени или в помещении «цветная» подсветка будет бороться с внешним приглушенным освещением, что проявится в виде цветных разводов вокруг чёрных букв либо, в случае полного отключения подсветки, в невысокой яркости экрана. В темноте, естественно, изображение может быть только цветным — отключив подсветку в кромешной тьме, мы вообще ничего не увидим.

И всё бы ничего: читаем книги в чёрно-белом режиме, а фильм или игру запускаем в цветном (несбыточная мечта экранов E Ink), только есть у технологии гибридных экранов одна неприятная особенность. Заключается она в том, что разрешения в монохромном и цветном режимах отличаются примерно на треть. В чёрно-белом режиме шаг пикселя равен 200 точек на дюйм, в цветном — не более 150 точек на дюйм. Это происходит оттого, что каждый пиксель гибридного экрана играет роль субпикселя и часть его площади загромождена «зеркалами» для работы пикселя в монохромном режиме. Таким образом, если в обычном TN LCD каждый пиксель состоит из плотной группы вертикальных субпикселей (рисунок справа), R, G, и B пиксели в гибридном экране разнесены друг от друга достаточно далеко (левое изображение):

Как видим, «цветной пиксель» на гибридном экране представляет собой сильно вытянутый по горизонтали прямоугольник из трёх RGB-квадратов — это, а также диагональная ориентация основных цветов приводит к заметной «сетчатости» экрана, трудности использования технологий субпиксельного сглаживания, подобных ClearType, и так далее. С «чёрно-белым пикселем» — на рисунке он выглядит чёрным квадратом — всё в порядке: шаг «зеркала» равномерный, разрешение высокое.

В настоящий момент данных о параметрах коммерческих экранов 3qi нет. Надо полагать, что по потребительским характеристикам они окажутся лучше экранов лэптопа XO-1. Тем не менее, экраны Pixel Qi будут страдать от тех же «особенностей», что и экраны ученических лэптопов: слабого присутствия цвета в монохромном режиме; плавающего разрешения (по мере увеличения яркости подсветки и снижения внешнего освещения); заведомо худшим в сравнении с обычными ЖК-экранами разрешением в цветном режиме и несколько непривычной «текстуре» цветного изображения. Компания может называть такие экраны «бумажными», но мы от этого воздержимся. Считать ли возможность воспроизведения полноцветного видео на экранах Pixel Qi плюсом — с этим вопросом явно не стоит обращаться к любителям чтения. Не поймут.

Эффект бабочки Mirasol

С жидкими кристаллами мы разобрались. Теперь самое время оценить по-настоящему революционную разработку — созданную в недрах компании Iridigm Display технологию производства IMOD-экранов (IMOD расшифровывается как «интерферометрическая модуляция» — Interferometric Modulation). В 2004 году компанию Iridigm Display в полную собственность приобрела компания Qualcomm. Впоследствии технология получила имя mirasol.

Компания Qualcomm не имеет на сегодня коммерческих электронных книг с IMOD- экранами, но на выставках последних полутора лет прототипы mirasol — частые гости. Все, кто видели их в действии, сходятся в одном — это будет нечто! Более того, специалисты склонны считать, что дисплеи mirasol станут теми преемниками, которые подхватят эстафету у E Ink на рынке экранов для электронных книг. А к такой технологии стоит приглядеться повнимательнее:

Надо заметить, что свои расчудесные экраны Qualcomm пытается выпускать не менее двух лет. Впервые устройство на экране mirasol было представлено в мае 2008 года (MP3-плеер Freestyle). Целевой нишей IMOD-экранов компания Qualcomm всегда видела дисплеи для мобильных телефонов: в 2006—2007 годах, когда шла финальная доработка технологии, они приносили наибольшую выгоду, не то что непонятные электронные книги.

К прошлому году стало ясно, что зарождающаяся ниша электронных книг сулит в перспективе неплохой бизнес. А там, развернувшись, можно снова попытаться атаковать перенасыщенный рынок экранов для телефонов. В отличие от бистабильных экранов E Ink, неспособных обновляться со скоростью видео и фактически не имеющих пригодной для широкого использования цветной версии, бистабильные IMOD-экраны были цветными, хорошо читались при любом внешнем освещении и легко обновлялись со скоростью, в 1000 раз превышающую скорость работы ЖК-панелей. К тому же, для выпуска IMOD годились существующие линии и материалы по производству плоскопанельных мониторов, а значит, запуск их в серийное производство стоил копейки (сравнительно, конечно).

В итоге экраны mirasol пришлись ко времени. Летом прошлого года Qualcomm удалось привлечь к выпуску IMOD-экранов серьёзного партнёра — крупного тайваньского производителя, компанию Foxlink. Выпуском экранов непосредственно будет заниматься одно из подразделений Foxlink — компания Sollink. До конца прошлого года, кстати, производственным партнёром Qualcomm являлась компания PVI — производитель экранов по технологии E Ink. А теперь вот, начиная с 2010 года, Qualcomm отказалась от её услуг — возможно, дабы банально избежать конфликта интересов. Остаётся добавить, что массовый выпуск IMOD-экранов нужной нам диагонали 5,7 дюйма (мы всё о книжках, да) запланирован на третий или четвёртый квартал текущего года. Если всё пойдёт по плану, интереснейшие электронные книги на экранах mirasol попадут в продажу ещё до окончания года.

По легенде, открытие технологии IMOD обязано крыльям бабочки. Чешуйки крылышек этих легчайших созданий создают такие яркие узоры, что на них любо-дорого смотреть. Речь идёт, уточним, об оптической, а не пигментной окраске. Некоторые виды бабочек имеют с виду невзрачные крылья, но упади на них луч света, они заиграют яркими цветами. Проходя через прозрачные чешуйки на крыльях, лучи света отражаются как от внешней, так и от внутренней поверхности чешуек. Оба отражения накладываются и усиливают (или ослабляют) друг друга. В результате эффекта интерференции мы видим цвета там, где их нет, поскольку в зависимости от толщины чешуек и коэффициента преломления происходит отражение света с определенной длиной волны. Десятки тысяч чешуек представляют собой мгновенно вспыхивающий «экран» со своим уникальным узором.

Заявленные оптические характеристики экранов mirasol выглядят очень привлекательно. Непревзойдённая пока отражательная способность на уровне 50 % (у E Ink, напомним, 40 %), контрастность — 8:1, тогда как заявленная на сайте E Ink контрастность экранов последнего поколения равна 7:1 (в устройствах встречается 9:1 и 10:1). Для сравнения, бумага — в лице газеты «Wall Street Journal» — имеет отражательную способность 60 % при контрасте 4:1. Скорости обновления и сравнивать стыдно: 0,7 секунды у E Ink с 16 градациями серого и 10 мкс у экранов mirasol — на пять порядков быстрее. Наконец, при всём прочем экраны mirasol цветные. Все остальные выгоды присущи обеим технологиям — это и углы обзора, равные 180 градусам в обеих плоскостях, и эффект памяти. Более того, компания Qualcomm утверждает, что при прочих равных её экраны в несколько раз энергоэффективнее экранов E Ink.

Всё вышеперечисленное не вызывает сомнений. Но как всегда, найдутся нюансы, о которых редко упоминают. Например, цвета на IMOD-экранах имеют явно выраженный металлический оттенок, а цветовая гамма смещена в зону пастельных тонов. Вот, например, как представляет «радугу» на экране mirasol слайд с сайта Qualcomm:

Поскольку технология производства IMOD-экранов совершенствуется, со временем её детские болезни уйдут в прошлое. Однако надо быть готовым к тому, что на практике первые книги с чудесными цветными экранами окажутся несколько не такими, какими мы их себе вообразили, опираясь только на сообщения рекламного характера. Чего не отнять, технология mirasol в сравнении с другими «книжными» экранами — это не шаг, а настоящий прыжок вперёд.

Завершая обзор экранов Qualcomm mirasol, проясним нюансы их работы. Каждая ячейка IMOD-экрана — это отдельно изготовленная микроэлектромеханическая система (MEMS) с зазором строго определённой высоты. Её верхняя часть — это прозрачная плёнка, а нижняя — подвижная металлическая зеркальная мембрана. Для каждого базового «цвета» зазор соответствует своей длине волны: 780 нм для красного, 550 нм для зелёного и 380 нм для синего. Поскольку площадь ячейки очень мала, для достижения большей яркости отражённого света каждый «цветной» субпиксель представляет собой набор из нескольких однотипных ячеек. Например, из 14 для каждого субпикселя, как показано на схеме строения одного пискселя:

Как будет сказано ниже, «ячеистая» структура субпикселя также даёт возможность увеличить число градаций цвета, ибо каждая ячейка по своей природе не может иметь промежуточных состояний, а только два — включено и выключено. Обратим внимание, слово «цвет» для характеристики каждого из субпикселей — R, G и B — взято в кавычки. И вот почему.

Для формирования цвета дисплею mirasol не нужны накладные цветные фильтры. Глубина каждой ячейки выбрана такой, что отражённый от зеркальной мембраны на её дне свет усиливает строго одну составляющую (определённой длины волны) в потоке света, отражённого от верхней прозрачной стороны ячейки. Наблюдается эффект «конструктивной» интерференции. «Красные» ячейки усиливают в отражённом от экрана свете красную составляющую, тогда как синее и зелёное излучение или подавляется — соответствующие волны, отражённые от дна и верха ячейки, оказываются в противофазе и гасят друг друга. Аналогичным образом ведут себя «зелёные» и «синие» ячейки — усиливают свой цвет и гасят остальные. Таким образом, дисплеи mirasol не страдают от потерь света в цветных светофильтрах — их просто нет. В теории IMOD-экраны способны демонстрировать отражательную способность свыше 60 % с уровнем контрастности 15:1.

С базовыми цветами разобрались, теперь об эффекте памяти. Как уже сказано выше, элементарная ячейка экрана mirasol состоит из верхней прозрачной плёнки и подвижной металлической зеркальной мембраны. По умолчанию мембрана опущена. В таком положении она находится в состоянии «включено» — заданный размерами ячейки цвет отражается в полном объёме, питание не требуется. Подав на ячейку короткий импульс, мы заставляем мембрану притянуться к верхней плёнке. Зазор сокращается настолько, что интерференция усиливает лишь ультрафиолетовое излучение, а видимый диапазон гасится — мы видим чёрную точку. После снятия с ячейки напряжения вступившие в дело электростатические силы продолжают удерживать мембрану в новом положении — «выключено». Для возврата зеркала в исходное состояние требуется подать импульс с отрицательным фронтом, тогда мембрана отлипает и опускается на дно ячейки, снова показывая цветную точку.

Принцип запоминания картинки в экранах mirasol, таким образом, не требует активно-матричной подложки и, как следствие, экраны обходятся дешевле в производстве и заметно надёжнее своих конкурентов на активных подложках. Для управления пикселями IMOD-экранов достаточно структуры строка/столбец — куда проще, чем экраны E Ink с тысячами транзисторов на подложке. Кто-то может возразить, а как обстоят дела с механической прочностью мембраны? Ведь в процессе работы зеркало деформируется, и не раз — в случае анимации деформации превышают частоту 50 раз в секунду. Со слов Qualcomm, беспокоиться не о чём. Каждая мембрана без проблем допускает 12 млрд. деформаций — это очень много, поверьте.

Выше мы говорили в основном о плюсах IMOD-экранов. Теперь самое время поговорить о минусах. Точнее, об одном главном минусе — сложностях с выводом полутонов и градаций серого. Как уже было отмечено, элементарная ячейка IMOD-экрана не может иметь промежуточных состояний. Чтобы отобразить полутона, используется пространственное или временное псевдосмешение (размывание) цветов, или комбинация обоих подходов. Наиболее прост пространственный метод псевдосмешения:

Для организации пространственного псевдосмешения цветов достаточно ввести для управления пикселя дополнительные строки (три, как на картинке выше). Теперь каждая из строк управления пикселем отвечает за свою зону субпикселя. Площади зон разные, поэтому в итоговой картинке каждая из них имеет уникальное весовое участие. Комбинация трёх зон даёт 8 градаций, что с учётом трёх базовых цветов приводит в итоге к 512 оттенкам.

Временное (с ударением на «о») псевдосмешение цветов действует иначе. Каждый пиксель управляется одной строкой, соответственно, субпиксель может «загораться» только целиком. Дозируя за равные промежутки времени число «всполохов» субпикселя, мы определяем его суммарное весовое значение в результирующей картинке. Поскольку частота переключений превышает 50 раз в секунду, глаза увидят не мерцание, а цвет определённого тона. Разбив стандартный управляющий сигнал строки на восемь временных отрезков — подав команду «просемафорить» каждым субпикселем от 1 до 8 раз — получаем на выходе 64К для каждого цвета или 256К результирующей картинки.

На практике компания Qualcomm намерена комбинировать оба метода размывания цветов, поскольку каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Так, плюс пространственного метода заключается в максимальной экономии электроэнергии, тогда как временное разделение требует в разы повышать частоту обновления экрана (грубо говоря — 50 раз в секунду для каждого разряда). Полноцвет для экрана mirasol, таким образом, совсем не синоним энергосбережения, особенно в режиме показа анимации. Зато в режиме временного разделения площадь субпикселя используется полностью, что упрощает адресацию пикселя, к которому не надо подводить несколько строк (экономия при производстве).

Опираясь на вышеизложенное, к недостаткам экранов mirasol, кроме пастельных цветов и металлического характера красок, можно добавить либо повышение расхода электроэнергии, либо усложнение процесса производства экрана с ростом числа градаций цвета. К счастью, экраны mirasol можно будет использовать в разных режимах в зависимости от того, что сейчас требуется отобразить: отключение временного псевдосмешения цветов позволит читать книги, не беспокоясь о заряде аккумулятора, а его включение — посмотреть на том же устройстве полноцветную иллюстрацию или видеоролик.

Чистое сияние фотонных кристаллов

Фотонные кристаллы, как и технология mirasol — это производное от «патентов природы». Природным фотонным кристаллом, например, является опал. В отражённом свете этот полудрагоценный камень способен играть переливами ярких цветов — именно это качество привлекло разработчиков из университета города Торонто, впоследствии организовавшихся в канадскую компанию Opalux.

Строение фотонных кристаллов представляет собой частный случай периодической структуры — дифракционной решётки. При определённых условиях в среде распространения света (внутри кристалла) чередуются зоны, отражающие свет определённой длины волны (стоп-зоны) и зоны, пропускающие свет остальных длин волн. Иными словами, фотонный кристалл может являться оптическим фильтром. Искусственно меняя период структуры, мы можем заставить фотонный кристалл отражать свет строго заданного цвета.

Надо сказать, искусственные кристаллы опала — далеко не редкость. Сегодня с ними экспериментируют все, кому не лень. Целью разработок ставится создание материалов и технологий для оптоэлектроники — низкопороговых лазеров, волноводов, оптических переключателей и так далее. Канадская компания Opalux нашла искусственным кристаллам иное применение — в качестве управляемой среды для создания малопотребляющих цветных рефлективных экранов.

В терминах компании Opalux технология называется P-Ink (Photonic Ink, фотонные чернила). Слой таких «чернил» представляет собой высокоупорядоченную структуру активного полимера, «решётка» которого может растягиваться или сжиматься под воздействием электрического тока. Обычно искусственный опал получают путём самоупорядочивания плотноупакованных частиц (шаров) субмикронного уровня:

Прикладывая к такой среде напряжение, мы заставляем полимер растягиваться. «Шары» деформируются, и это пространственное изменение приводит к тому, что длина волны отражённого света постепенно меняется от синего к красному и, наконец, возникает ситуация, когда структура перестаёт отражать свет видимого спектра — мы видим чёрный экран.

Несмотря на свою кажущуюся простоту, технология компании Opalux всё ещё находится на стадии опытной разработки. Насколько можно судить, за последние три года компания так и не достигла заметного прогресса в деле создания экранов на P-Ink. Между тем, полимерные кристаллы управляются чрезвычайно слабым сигналом — порядка полутора вольт при силе тока в несколько мкА — это позволяет говорить о сверхэкономичных экранах. Кроме того, компания обещает настолько усовершенствовать технологию, что экраны P-Ink смогут удерживать заданный цвет без подачи питания — приобретут эффект памяти.

Простота конструкции экранов P-Ink — залог дешевизны и абсолютной гибкости. Плёнки из опалоподобных полимерных структур, например, могут стать второй «кожей» для электронных устройств, меняющей цвет по заданному сценарию или под воздействием внешних температур. В качестве дисплеев технология Opalux сулит высокую яркость и эффективность, ведь каждый пиксель P-Ink способен изменять цвет равномерно на всей своей площади безо всяких накладных цветных фильтров. Единственный серьёзный минус технологии Opalux, не считая её явной незрелости, заключается в очень медленной реакции экрана.

Электрохромные экраны

Электрохромные экраны — ровесники экранов на жидких кристаллах, но из-за ряда так до конца и не решённых проблем в 70-х годах прошлого века они вчистую проиграли последним. ЖК-экраны обладали существенно лучшим быстродействием и прекрасно подошли к существующей на тот момент электронной базе. Выгоды электрохромных дисплеев — работа в широчайшем спектре температур, простота изготовления, читаемость в отражённом свете, бистабильность — остались на многие годы невостребованными.

Лишь в последние годы электрохромность стала набирать популярность. Отчасти за это надо благодарить другую утилитарную ценность электрохромных материалов — управляемую способность отражать не только видимый свет, но и инфракрасные лучи. Подобные характеристики позволяют создавать автоматически затемняемые или управляемые «умные окна», кокпиты, зеркала заднего обзора, иллюминаторы и многие другие системы для термо- и световой регуляции. Электрохромные «шторки», например, установлены на иллюминаторы на новейшем лайнере Boeing 787 Dreamliner.

Программа «умных окон» вот уже более 30 лет является национальной программой США в рамках разработки энергосберегающих технологий. О её важности можно судить хотя бы по тому, что в проекте занято бюджетное финансирование и участвует знаменитая Ливерморская национальная лаборатория в Беркли. Массивные изыскания, тем не менее, всё ещё нельзя назвать успешными. Зато кое-что от этого пиршества бюджетных денег досталось электрохромным дисплеям — усовершенствованные материалы и новые технологии.

Стоит отметить, что в 1966 году, когда были поданы первые патенты на технологию электрохромных дисплеев, Советский Союз на 18 дней опередил патентную заявку американского разработчика S.K. Deb, но воспользоваться этим преимуществом так и не удалось. В качестве дисплеев, повторимся, жидкие кристаллы на десятилетия похоронили идею электрохромной индикации.

Сегодня ведущими разработчиками технологий, материалов и производства электрохромных дисплеев можно считать такие компании, как шведские Acreo, Aveso и PaperDisplay, американо-ирландскую Ntera, немецкую Siemens:

Электрохромные дисплеи гибкие, тонкие, отлично читаются в ярком солнечном свете, не боятся резких перепадов температур и давлений, потребляют очень мало электроэнергии. В качестве основы дисплеев можно использовать практически любой материал — бумагу, ткань, пластик, стекло и многое другое. Для выпуска электрохромных дисплеев сравнительно легко приспособить обычное типографское оборудование и печать экраны страницами, струйной печатью или рулонной с максимальной теоретической скоростью 100 метров в минуту:

Дополнительная ценность адаптации к типографским процессам заключается в том, что сегодня можно напечатать всё, включая управляющую электронику, RFID-антенны и даже элементы питания. По этой причине электрохромные дисплеи нашли применение в кредитных картах, подарочных сертификатах, карточках доступа, в «умной упаковке» лекарственных препаратов, в красивой недорогой подарочной упаковке с простенькой анимацией, в игрушках и интерактивных книгах:

В ближайшие годы электрохромные дисплеи будут широко использоваться в наружной рекламе, в качестве информационных табло или как элемент строений (умные окна, затемняемые межкомнатные перегородки). В качестве экранов в электронные книги такие дисплеи в обозримой перспективе вряд ли попадут. И вот почему.

Основная проблема электрохромных дисплеев заключается в очень медленном обновлении экрана — до 10 секунд. Дальше: используемые материалы оказались сравнительно недолговечными (на основе разработок Деба (S.K. Deb), советские, точнее — украинские учёные впоследствии разработали свою уникальную технологию получения «вечных» электрохромных плёнок). Наконец, в силу главенства химических процессов во время отображения картинки, получить графическое многоцветное изображение тоже оказалось проблемой. Так что все современные коммерческие электрохромные дисплеи — сегментные или матричные.

В завершение рассказа об электрохромных дисплеях проясним принцип их работы. В общем случае электрохромный дисплей опирается на так называемые окислительно-восстановительные реакции и состоит из пары управляющих электродов: светомодулирующего электрода и противоэлектрода. Электроды могут располагаться, как в виде бутерброда, так и горизонтально, как показано на примере строения пикселя согласно технологии компании Acreo:

Прозрачный электрод на схеме — светомодулирующий с покрытием электрохромной плёнкой, непрозрачный — противоэлектрод, обычный проводник. К обоим подводится напряжение. Весьма малое, надо отметить — порядка 1 В с силой тока чуть более сотни микроампер. Обязательным условием для электрохромных дисплеев является наличие электролита между электродами: жидкого, полимерного или твёрдого. Во время подачи питания электролит снабжает светомодулирующий слой протонами, а подложка — электронами, или, наоборот, выводит их из слоя при смене полярности питания. В процессе насыщения частицами светомодулирующий слой принимает тем более тёмную окраску, чем дольше процесс или его интенсивность (приложенное напряжение). При смене полярности управляющего питания электроны и протоны выводятся из светомодулирующего слоя, и он снова становится прозрачным.

Сняв питание с электродов, мы оставляем светомодулирующий слой с окраской такой интенсивности, которая наблюдалась на момент снятия напряжения — в этом проявляется эффект памяти. Отметим, что современные электрохромные дисплеи имеют синюю окраску. Это связано с тем, что в качестве светомодулирующего материала используются плёнки триоксида вольфрама (WO3) или комбинация виологена в соединении с диоксидом титана (TiO2). Оба материала дают контрастное тёмно-синее изображение на светло-сером фоне.

Электрофоретические дисплеи с обратимой эмульсией

Дисплеи E Ink представляют собой микрокапсулы с двухцветной разнозаряженной микровзвесью в маслоподобной прозрачной жидкости. Между тем, в природе существуют жидкие растворы, уже содержащие полярные или неполярные микрокапли. Например, молоко — масло в воде. Да, речь об эмульсиях. При определённых условиях в жидкость можно ввести окрашенные и не смешиваемые с ней капельки другой жидкости, которыми можно управлять — своего рода «мокрый» аналог дисплеев E Ink.

Технологию реверсивно эмульсионного электрофоретического дисплея предложила американская компания Zikon (REED, расшифровывается как reverse emulsion electrophoretic display). Дисплеи на основе обратимых эмульсионных сред компания Zikon начала разрабатывать в 1998 году, практически параллельно разработкам E Ink. Только к настоящему моменту технология находится примерно на том же уровне, что и 12 лет назад. Сыграл ли в деле забвения REED успех E Ink, или технология Zikon в чём-то оказалась малопригодной к массовому производству, сказать сегодня тяжело. Но факт остаётся фактом, сайт Zikon уже несколько лет находится в перманентном состоянии перестройки, и о технологии осталась лишь пара статей в интернете, датированных 1998 и 2000 годом.

На заре разработки дисплеи Zikon позиционировались как потенциальная замена ЖК-мониторов для работы вне помещений — это и мобильные телефоны, и ноутбуки, и наружная реклама. Технология предполагала создание хорошо читаемых в отражённом свете экранов, потребляющих сущие крохи электроэнергии и даже обладающих эффектом памяти. Первым применением REED компания видела одноцветные (монохромные) рекламные и информационные табло. Впоследствии было обещаны графические полноцветные дисплеи (трёхслойные, аддитивная модель). На деле же, как мы уже сказали, дальше простых демонстраций дело не пошло:

Выше на картинке показан единственный прототип «пикселя» и одновременно дисплея REED, который удалось отыскать на сайте Zikon.

Синие электронные чернила (Blue Electronic Ink), разработанные Zikon, — это капли полярной жидкости (воды), равномерно распределённые в неполярной жидкости (масле). Получившаяся эмульсия заливается в герметичное пространство между двумя прозрачными подложками, на внутренней стороне которых нанесены прозрачные токопроводящие электроды. Капли воды содержат синий краситель. В таком состоянии капельки рассеяны, и жидкость кажется прозрачной. Если через электроды пропустить электрический ток, водяные шарики с краской самоупорядочатся в жидкости и станут видны как синяя заливка пикселя. При снятии напряжения капли с краской опять равномерно распределятся в жидкости — и пиксель станет прозрачным.

Другая конструкция пикселя Zikon предполагает несколько иное строение электродов. Один из них делается по размерам пикселя, тогда как противоположный — в виде тонких токопроводящих полосок. При одной полярности питания заряженные частички жидкости с краской собираются у «широкого» электрода — пиксель синеет, при смене полярности питания частички с краской группируются возле узких электродов на противоположной стороне пикселя, и он становится прозрачным. Как ещё одна альтернатива управления пикселя с эмульсией предложено механическое воздействие на среду. В таком случае высокочастотные колебания равномерно распределяют шарики с краской внутри системы — жидкость прозрачна, а низкочастотные колебания помогают «краске» самособираться в однородно окрашенную среду.

Со слов разработчиков, технология производства электрофоретических дисплеев с обратимой эмульсией достаточно проста, а материалы дёшевы. Тем не менее, технология REED пока не нашла отклика в сердцах производителей дисплеев.

Цветные капли Liquavista

Несмотря на трудности с «жидкими» экранами Zikon, жидкости вовсе не утратили свой потенциал в качестве управляемых сред для создания интересных экранов. Яркий пример тому — технология компании Liquavista — выделенного в 2006 году в самостоятельную компанию подразделения знаменитой Philips Research Labs. Более того, компания Liquavista считает свою разработку ничем иным как «ЖК 2.0» — будущая замена всем существующим сегодня типам жидкокристаллических экранов. И хотя с прототипами пока негусто, сайт компании брызжет красками и наполнен самой разносторонней информацией, способной привлечь даже весьма недоверчивых инвесторов.

Разработка технологии Electrowetting (электросмачивание), лёгшей в основу технологии Liquavista, ведётся порядка двух десятилетий несколькими компаниями, включая, например, Kodak. Но только в последние десять лет удалось достичь заметного прогресса в материалах и процессах, прежде всего — получилось создать быстро переключаемые электросмачиваемые дисплеи. Отсчёт таковых пошёл с публикации Philips в журнале Nature в сентябре 2003 года. Особо радует, что главной целью EW-дисплеев стали электронные книги, а экраны для мобильных телефонов ушли на второй план. На практике это означает, что компания Liquavista сделает всё от неё зависящее, чтобы уже в ближайшие два года — не позднее 2011 — представить публике первую коммерческую электронную книгу с EWD-экраном.

В общем случае принцип электросмачивания иллюстрируют следующие фотографии:

Благодаря силам поверхностного натяжения, на водоотталкивающей поверхности капля жидкости принимает форму, близкую к шарообразной (a). Если к электроду внутри капли и к электроду под водоотталкивающим изолятором приложить разность потенциалов, смачиваемость поверхности как бы резко усилится, и капля растечётся (b). После снятия напряжения капля опять соберётся в шарик (a). И так до бесконечности. На самом деле коэффициент смачивания не меняется. Вступившее в действие электрическое поле заставляет каплю исправить возникший в новом энергетическом состоянии дисбаланс — растечься под воздействием электростатики и одновременно подчиниться законам химии граничных сред. После снятия поля водоотталкивающая поверхность вернёт каплю в первоначальное округлое состояние.

Разработанные на основе технологии электросмачивания рефлективные дисплеи Liquavista построены немного сложнее. Оптический элемент EW-дисплея состоит из прозрачного электрода, гидрофобного изолятора, слоя окрашенного масла и заполнен водой. В составе дисплея оптический элемент закрыт с лицевой стороны стеклом, с нижней стороны — полимерной подложкой:

В таком состоянии баланс системы заключается в том, что вода отталкивается от гидрофобной поверхности изолятора, и масло равномерно растекается цветной плёнкой по всей поверхности пикселя от одной стенки до другой. Примерные размеры пикселя: ширина — 200 мкм, высота — 25 мкм, как у обычных ЖК-экранов. Силы поверхностного натяжения в ячейке пикселя таковы, что в 1000 раз превышают силу гравитации — это позволяет масляной плёнке оставаться стабильной при любой ориентации экрана. А достаточно большой зазор — 25 мкм — делает ячейку невосприимчивой к прогибам, что одновременно решает проблему выпуска гибких EW-дисплев.

Когда к гидрофобному изолятору прикладывается разность потенциалов, силы электростатики заставляют воду преодолевать силы поверхностного натяжения окрашенного масла (смачивать изолятор), и вода сдвигает масло в сторону, открывая взору рефлективную подложку под масляной плёнкой:

Как далеко сдвинется масло, зависит от баланса между силами электростатики и силами поверхностного натяжения. Для глаз цвет пикселя будет меняться от насыщенного цветного в состоянии «выключено» до прозрачного (белого) в состоянии «включено». И в обратном порядке, когда напряжение уменьшается. Забегая вперёд, отметим, уровень серого задаётся величиной управляющего напряжения и зависит от неё чуть ли не линейно — необыкновенная простота реализации полутонов.

Для унификации ячеек в левом нижнем углу каждого пикселя предусмотрена специальная мёртвая зона для управляемого «загона» в неё окрашенного масла — второй электрод. Из такой конструктивной особенности пикселя следует, что эффективная площадь отражения сокращается до 80 %, а рефлективность — до 70 %. К счастью, равномерность чередования мёртвых зон и малые размеры пикселя делают эту особенность EW-экранов незаметной для глаз.

Как следует из схемы, EW-пиксель может быть полностью прозрачным, что позволяет сделать экран на основе электросмачивания как с тыловой подсветкой, так и рефлективным или трансрефлективным. Иными словами, покрыть всю сферу применения современных жидкокристаллических экранов. Только в отличие от жидких кристаллов, EWD не нужны поляризационные плёнки и плёнки для коррекции углов обзора. В результате EW-экранами по сравнению с традиционными ЖК-экранами имеют повышенную на 50—60 % яркость.

Материал для EW-экрана очень простой: два кусочка стекла или пластика и вода с маслом внутри. Дополнительным ингредиентом является легко растворимая в масле краска. Выбор красителя определяет цвет экрана в состоянии «выключено», когда масляная плёнка растекается по всей поверхности пикселя. Современные знания о красителях позволяют неограниченно разнообразить свой выбор, не теряя в таких качествах, как устойчивость к выцветанию и работа в широком диапазоне температур.

Поскольку EW-экран по своей сути — это переключаемая цветная ячейка, возможно несколько типов экранов с эффектом электросмачивания. В простейшем случае — это недорогой однослойный экран, наподобие ЖК-экранов, с обычными цветными RGB-фильтрами:

Каждый субпиксель триады управляется своим пикселем с маслом чёрного цвета. Во включенном состоянии масло открывает зеркальную подложку или даёт выход свету от источника тыловой подсветки. Конструкция — проще не бывает. Экраны на базе IMOD (mirasol) намного сложнее при той же производительности и отражательной способности. С экранами на холестерических жидких кристаллах и сравнивать нечего — у EWD яркость выше, а реакция просто невообразимая. Масляная плёнка убирается с глаз долой за 3 мс, а восстанавливается после снятия напряжения за 9 мс — достаточная реакция и для полноценного видео, и даже для игр. Кроме того, EWD экономичны по энергопотреблению даже в сравнении с экранами с памятью, хотя технология электросмачивания не подразумевает бистабильности.

Нельзя не отметить — дешевизна EWD несколько преувеличена. Хотя управляемый слой достаточно прост, для управления каждым пикселем EW-экрана необходима своя транзисторная группа. Попросту говоря — активно-матричная подложка. Следовательно, стоимость дисплея на эффекте электросмачивания примерно равна стоимости обычного трансрефлективного ЖК-экрана. Выигрыш же будет заключаться в повышенной «белизне» EWD, малом потреблении и способности показывать приемлемые цвета хоть на улице, хоть в помещении.

Другая архитектура EW-дисплея предполагает размещение трёх раздельно управляемых монохромных слоёв друг над другом, как в случае цветных ChLCD (электронная книга Fujitsu FLEPia). Только в отличие от задействованной в цветных ChLCD аддитивной схемы синтеза цвета, трёхслойные EW-дисплеи опираются на принятую в типографском процессе субтрактивную модель. Вместо RGB-фильтров используются жёлтый, пурпурный и голубой (CMY):

Для выпуска трёхслойных EWD используется тот же процесс, что и для производства однослойных EW-экранов. Естественно, усложнённый необходимостью совмещать три монохромных слоя, каждый со своей активно-матричной подложкой. Сложность конструкции трёхслойного EWD подчёркивается тем, что на данный момент у компании Liquavista нет рабочих прототипов подобного экрана.

По сравнению с однослойной структурой, трёхслойные EWD выигрывают по двум пунктам. Во-первых, площадь пикселя используется полностью, а не делится между триадами. Во-вторых, трёхслойному экрану не нужны накладные цветные фильтры. Оба фактора повышают общую яркость экрана и упрощают процесс его производства. Предусмотрев тыловую подсветку, электронной книгой с EWD-экраном можно пользоваться там, где пасуют книги с E Ink — в полной темноте. При этом EWD даёт возможность полной анимации и удобоваримый цвет:

Цветовой охват EW-экрана значительно шире цветовой гаммы рефлективного ЖК — хотя и EWD не может показать чистых цветов. На практике экраны EWD, как и экраны mirasol, демонстрируют уклон в пастельные тона.

Ниже мы представим составленную компанией Liquavista табличку сравнительных характеристик экранов, работающих в отражённом свете (конкурирующих технологий). Нижней строкой в качестве опорной привязки приведены характеристики бумаги:

Как видим, компания высоко оценивает оптические качества своей разработки. Максимальная среди конкурентов отражательная способность в монохромном режиме на уровне 60 %. Практически полное отражение цвета в случае трёхслойных экранов и наилучший уровень контрастности. Осталось продемонстрировать максимальное энергосбережение технологии, и EWD-экраны можно считать идеальными:

На графике показана величина потребления на квадратный дюйм поверхности дисплеев (в милливаттах). В режиме воспроизведения видео экраны Liquavista оказываются более чем вдвое экономичнее экранов mirasol (IMOD). В свою очередь, экраны mirasol заявлены как намного более эффективные, чем экраны E Ink. Так, в режиме видео (1800 обновлений в минуту), экран mirasol потребляет 0,45 Вт. Теоретическое потребление экрана E Ink в данной ситуации составило бы 15,75 Вт (данные Qualcomm).

Следовательно, по потреблению экраны EWD окажутся в значительном выигрыше по сравнению с экранами E Ink. К сожалению, данных о работе EW-экранов в статике нет. Но компания уверяет нас, что для технологии электросмачивания она почти приблизилась к эффекту памяти. На практике эффекта бистабильности нет, есть лишь значительно сниженная частота регенерации — до одного раза в несколько секунд, так называемая квази-стабильность. Сверх того, EWD могут управляться методом широтно-импульсной модуляции, что также сэкономит электроэнергию.

Продемонстрированный технологией EWD потенциал просто поражает. Она уже нашла отклик среди производителей: компания Texas Instruments, например, начала разрабатывать контроллеры для электронных книг с EWD. Тем не менее, современные прототипы экранов Liquavista демонстрируют очень низкое качество изображения, и пройдёт ещё много времени, пока они будут доведены до уровня, хотя бы, E Ink. Что касается отображения цвета, куда совершеннее сегодня выглядят экраны mirasol.

Электрожидкостные экраны Gamma Dynamics

Использовать в качестве элементов изображения настоящие пигментные красители решила и компания Gamma Dynamics. Предприятие это очень молодое — организовано первого января 2009 года. От такого не стоит ожидать прорыва уже завтра, однако потенциал в разработке, безусловно, имеется. И немалый. Вместо того чтобы использовать накладные цветные фильтры или зеркальную подложку, в компании решили заливать в пиксели цветные красители — те, что применяются в типографской печати. В принципе, технология Gamma Dynamics использует похожие механизмы, что и технология компании Liquavista, за одним исключением: единственная в пикселе капля краски не отгоняется в дальний край пикселя, а втягивается внутрь небольшого микрорезервуара:

Когда напряжение отсутствует, полярная жидкость с растворённым в ней пигментным красителем находится в резервуаре. Размеры горловины резервуара составляют 5—10 % от площади пикселя, что несильно уменьшает видимую область, тогда как EW-пиксель из-за мёртвой зоны теряет 20 % площади. Приложенное напряжение выталкивает краску и равномерно распределяет в ячейке пикселя, что разработчик представляет как каплю краски на листе бумаги. После снятия напряжения силы поверхностного натяжения вновь возвращают краску в резервуар:

Необходимо отметить нехарактерное для традиционных экранов расположение и форму пикселей — шестигранник. Разработчик утверждает, что такое строение наиболее близко к типографской печати, а значит, электрожидкостные экраны будут самыми «бумагоподобными» среди конкурирующих технологий.

К настоящему времени у Gamma Dynamics нет полностью рабочих прототипов электрожидкостных экранов. Работы ведутся одновременно в двух направлениях: во-первых, над повышением белизны экрана свыше 50 %, во-вторых, разрабатывается структура пикселя, предполагающая эффект памяти. Ожидаемая белизна коммерческих прототипов (до которых ещё довольно далеко) — 60—70%. Разрешение может варьироваться в пределах 75—300 точек на дюйм. Уровень контрастности — 10:1. Неограниченные углы обзора. Представление уровней градаций серого — 8—16 битное. Скорость перерисовки — не выше 30 мс. Управление — активно-матричное.

Все заявленные характеристики позволяют ожидать в будущем от электрожидкостных экранов ярких цветов в отражённом свете, воспроизведения полноскоростного видео и малого потребления. Текущий год станет годом появления первых прототипов экранов Gamma Dynamics. Будем следить за ситуацией — это ещё одна технология, способная составить конкуренцию экранам mirasol.

«Жидкий порошок» Bridgestone

Технология QR-LPD японской компании Bridgestone — Quick Response Liquid Powder Display — с жидкостями не имеет ничего общего. Речь идёт о таком свойстве порошка, как текучесть: идеально круглые наногранулы имеют настольно низкое сцепление друг с другом, что они ведут себя подобно жидкости — легко смешиваются и перетекают из одного положения в другое. Высокая текучесть двухцветного разнозаряженного порошка позволила отказаться от жидкостного наполнителя микрокапсул. В остальном технология Bridgestone QR-LPD работает точно так же, как и технология E Ink:

В каждой ячейке экрана QR-LPD содержится положительно заряженный чёрный порошок и отрицательно заряженный белый. Сверху пиксель закрыт прозрачным экраном, снизу — непрозрачной подложкой. Положительный потенциал на стороне экрана притягивает к нему белый порошок, тогда как чёрный отталкивает — пиксель становится белым. Смена полярности приводит к обратному результату — от притянутого к экрану чёрного порошка пиксель чернеет. Повышенное сцепление в месте контакта порошка с верхней и нижней плоскостями позволяет удержать порошок на месте даже без подачи питания. Иными словами — проявляется эффект памяти.

Отсутствие жидкости как инертного наполнителя даёт такое преимущество технологии Bridgestone, как ускоренная скорость переключения экрана из одного состояния в другое, что в перспективе сулит ровное, без рывков, воспроизведение видео. Скорости переключения E Ink, напомним, 0,74 секунды для 16 градаций серого и 0,26 секунды в однобитном режиме. Теоретическая скорость переключения QR-LPD на четыре порядка меньше — 0,2 мс. Выигрыш более чем существенный! Тем не менее, в прототипах экранов QR-LPD скорость обновления всё ещё оставляет желать лучшего. Экраны образца 2008 года обновлялись 8 секунд. Образцы 2009 года ускорились до 0,8 секунды. Наконец, в текущем году обещают появиться экраны QR-LPD со скоростью обновления 0,2 секунды. Новый рывок придётся ждать год, а то и больше.

Активная разработка технологии QR-LPD началась в 2006 году. Кроме компании Bridgestone, в проекте приняла участие компания Hitachi. Помимо экранов для электронных книг, бистабильная энергосберегающая технология QR-LPD нацелена на рынок наружной рекламы, информационных табло и электронных ценников. В принципе, поставки наборов для разработки ценников уже начаты, в то время как книги с экранами Bridgestone обещает выпустить пока лишь один-единственный производитель — тайваньская компания Delta Electronics.

Экранами QR-LPD тайваньская компания заинтересовалась в 2008 году, и первые устройства обещают появиться текущим летом. Это будет 8,1-дюймовая книга с монохромным экраном и 13,1-дюймовая с цветным. Отметим, речь вряд ли будет идти о прямых продажах: это будут или полевые испытания, или продажи книг со скидкой, но с пакетом услуг. Например, как акция оператора связи или подписка на покупку электронных книг и периодики. А жаль, Bridgestone уверяет нас, что техпроцесс выпуска экранов QR-LPD значительно дешевле выпуска ЖК (для управления пикселями QR-LPD активно-матричная подложка не нужна) и может проходить в непрерывном цикле:

На практике, очевидно, себестоимость экранов на «жидком порошке» всё ещё очень высока, иначе они уже давно составили бы конкуренцию экранам E Ink. Вряд ли 2010 год будет переломным в судьбе технологии Bridgestone. Скорее всего, не раньше 2011 или 2012...

Экраны SiPix

Завершая рассказ о «бумагоподобных» экранах, напоследок мы оставили наиболее вероятного конкурента экранов E Ink в самой ближайшей перспективе — технологию американской компании SiPix Imaging. Как и E Ink, технология SiPix базируется на микрокапсулах с заряженной взвесью. Обе разработки стартовали в конце 90-х годов с разницей в два года: E Ink в 1997 году, SiPix в 1999 году. На финише, тем не менее, экраны SiPix отстали от своего конкурента на срок порядка шести лет: экраны на E Ink поступили в продажу в 2004 году, а массовая отгрузка экранов на SiPix начнётся лишь в текущем или в следующем месяце. И всё же, сильно запоздавший старт может оказаться мощным ответом E Ink — купившая в марте прошлого года компанию SiPix тайваньская AU Optronics является крупнейшим производителем ЖК-панелей. Если AUO развернётся, мало не покажется. Но это всё лирика. Посмотрим, что представляет собой технология SiPix на практике.

Начнём с того, что экраны SiPix могут выпускаться весьма нехитрым способом в полностью автоматическом непрерывном цикле (картинка из январского номера Nikkei Electronics Asia за этот год):

Как явствует из схемы, на пластиковый субстрат с прозрачным электродом наносится пластиковый же материал (1), в котором затем методом оттиска равномерно продавливаются одинаковые ячейки — будущие пиксели (2). Затем в каждую из ячеек заливается нужный состав (3), после чего ячейки по всей ширине движущейся ленты заливаются слоем герметика (с) и ламинируются. Процесс очень простой, но каждый шаг и используемые материалы запатентованы компанией SiPix. Подчеркнём, на этот раз простота не кажущаяся: экраны SiPix отпускаются примерно на 20 % дешевле, чем экраны E Ink равной диагонали.

Простое не только производство — конструкция пикселя также является более простой версией пикселя E Ink. Если E Ink опирается на двухцветную взвесь — чёрную и белую — то каждый пиксель SiPix содержит только одну белую взвесь в жидкости чёрного цвета:

Как и в E Ink, разность потенциалов заставляет подняться белую взвесь к поверхности экрана — пиксель становится белым. Поменяв полярность приложенного напряжения, мы заставляем взвесь погрузиться на дно, и пиксель почернеет от подступивших к экрану чернил. Управление пикселем, что интересно, возможно как с помощью пассивной подложки, так и активно-матричной.

Из-за особой конструкции и иного состава ингредиентов оптические характеристики экранов SiPix немного уступают оптическим характеристикам экранов E Ink. Компания SiPix не публикует данные о своих монохромных дисплеях. На стадии опытного производства белизна экранов SiPix была примерно на 10 % хуже белизны экранов E Ink, и немного медленнее работало обновление экрана. К началу массового производства экранов SiPix компания AU Optronix обещает заметно улучшить их оптические характеристики. К сожалению, попытки улучшить состав чернил вновь стали причиной очередного переноса массового выпуска экранов — теперь уже на конец марта. И гарантии, что это последний перенос, нет.

Уступая своему прямому конкуренту в режимах чёрно-белого изображения (пока), в режиме демонстрации цвета экраны SiPix обещают оказаться лучше цветных E Ink, причём как по цветовому охвату, так и по отражательной способности. Причина кроется в двухрежимном методе управления цветными субпикселями SiPix. Цветные экраны E Ink использую накладные цветные фильтры четырёх цветов — красный, зелёный, синий и белый (для повышения белизны). Цветные экраны SiPIx не используют цветные фильтры — вместо этого в каждый субпиксель залиты чернила своего цвета: красные, синие и зелёные:

Электроды в нижней подложке цветного экрана SiPix имеют такую форму, что белая взвесь может принимать в объёме субпикселя три положения: прилипнув к экрану (белый), облепив боковые стенки ячейки (чёрный) и равномерно расположившись вдоль дна. В последнем случае белая взвесь служит как рефлективная подложка, подсвечивая отражённым светом цвет жидкости в субпикселе.

Отсутствие накладных фильтров позволяет компании говорить об отражательной способности цветных экранов SiPix на уровне 40 %, тогда как у цветных E Ink этот показатель едва превышает 30 %. Что касается цветового охвата, то цветные экраны SiPix могут демонстрировать до 14 % NTSC, где у цветных E Ink аналогичный показатель не дотягивает до 7 %. Впрочем, цветные экраны SiPix в массовом производстве пока не ожидаются, как и не будет в этом году цветных экранов E Ink. Слишком уж плохи возможности обеих технологий для показа приемлемых цветов. Значительно интереснее будет дождаться электронных книг на монохромных экранах SiPix. Такие уже заявлены рядом интересных производителей, например, компанией LBook (модель A9), или тайваньской ASUS (модель DR-900):

Заключение

Вместо заключения мы приведём сводную таблицу по представленным технологиям — потенциальным конкурентам E Ink. Единственное, на чём хотелось бы заострить внимание — на технологиях SiPix и mirasol. Первая наверняка составит серьёзную конкуренцию чёрно-белым «электрочернильным» экранам E Ink, тогда как вторая обещает реальный прорыв в электронных книгах в сторону цвета и видео. Технология Liquavista, несмотря на её внешнюю привлекательность и обширную рекламу, вряд ли будет доведена до приемлемого уровня в ближайший год, а то и два. Но в будущем она действительно может составить серьёзную конкуренцию IMOD-экранам mirasol. А теперь — таблица:

Другие материалы по данной теме

Электронные книги: перспективные модели весны-лета
Sony Reader PRS-505: библиотека, которая всегда с тобой