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.

Окончание следует