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:

Ф-Центр