IT-байки: Электрофлюидные дисплеи против "электронной бумаги" / Аналитика

Как правило, в рубрику "IT-байки" попадают технологии, лишь условно готовые к массовому внедрению; чаще всего речь идёт о результатах лабораторных экспериментов или вовсе о не всегда подтверждённых на практике теоретических выкладках. Говоря проще, учёные обожают комментировать придуманные ими принципы работы плащей-невидимок, квантовых компьютеров и прочих самонадевающихся штанов, но как только разговор переключается на хотя бы примерные сроки внедрения технологии в массовое производство, нас с удовольствием отсылают в будущее – лет так на пять-десять. В лучшем случае. Gamma Dynamics

Совсем другое дело – изобретение, о котором пойдёт речь в сегодняшней публикации. Только я собрался поведать нашим читателям о том, что из себя представляет многообещающая технология Electrofluidic Display Technology - EFD, подробности о которой были опубликованы 26 апреля в авторитетном журнале Nature Photonics, и как было бы замечательно когда-нибудь увидеть результаты её применения на практике. Как вдруг, что называется, откуда ни возьмись, уже в процессе работы над материалом, объявился пресс-релиз новоявленной компании Gamma Dynamics, датированный 1 мая, в котором сообщается о начале коммерциализации идеи EFD. Даже не представляете, какое это счастье и какая удача – теперь в конце этой статьи мне не придётся выкручиваться и отводить глаза при ответе на главный вопрос: всё замечательно, но когда в производство? Сегодня на этот вопрос можно ответить твёрдо и однозначно: уже.

Однако давайте обо всём по порядку. Технология электрогидравлических дисплеев действительно заслуживает подробного описания, тем более что при правильном ведении бизнеса, глядишь, совсем скоро EFD станет достаточно массовым явлением.

Надеюсь, большинство наших читателей хотя бы схематически представляют себе принцип работы современных "электронных чернил", или "электронной бумаги". Тех самых технологий e-ink или e-paper, на базе которых выпускаются современные электронные книги - e-book. В отличие от традиционных ЖК-дисплеев, основная идея, заложенная в книгах на "электронной бумаге" (какой бы ни была применяемая технология), заключается в формировании растровой графики и текста для просмотра в отражённом свете – в полной аналогии с обычной бумагой, при этом поддержание уже сформированного на экране изображения не требует приложения энергии, она требуется только для изменения "картинки".

Подавляющее большинство современных электронных книг, увы, не без недостатков. Прежде всего, их критикуют за малую контрастность, невысокую даже по сравнению с газетной бумагой – не говоря уж о более качественной. Более того, большинство виденных мной электронных книг достаточно инертны: "перелистывая" страницу, обновления порой приходится ждать по несколько секунд – то есть, ни о каком просмотре видео и речи быть не может, разве что несложная анимация. Цветные электронные книги на базе технологии "электронных чернил", увы, также подвержены всем этим недостаткам. Взять, к примеру, цветную модель FLEPia, поставки которой с марта этого года начала компания Fujitsu. Плюсы практической реализации идеи впечатляют - 8-дюймовый 768 x 1024 экран с отображением 260 тысяч цветов, небольшой вес (385 г) и 40 часов автономной работы (эквивалентно просмотру 2400 страниц со скоростью 1 страница в минуту в режиме отображения 4096 цветов). Однако яркость и контрастность книги FLEPia, согласно официальному пресс-релизу, всего лишь в 1,5 раза лучше чем у других образцов, а скорость обновления страницы – в 1,7 раза.

Про яркость-контрастность судить не берусь, работающую книгу FLEPia я пока что видел лишь на фотографиях, зато по поводу улучшенной скорости обновления судите сами: это 1,8 секунд для 1-проходного режима (64 цвета), 5 секунд для 2-проходного режима (4096 цветов) и 8 секунд для 3-проходного режима (260 тысяч цветов). Ой. Какое там видео, не уснуть бы в ожидании новой страницы. И всё это стоит $1000. Словом, кто первым освоит более практичный способ создания электронной бумаги – желательно, без выше указанных недостатков, да ещё и цветной, обязательно будет на коне и с деньгами. Если же новая технология позволит наладить выпуск гибких дисплеев, можно говорить о миллионах – как в смысле долларов, так и в смысле спроса на такие дисплеи, которые сгодятся и для электронных книг, и для сотовых телефонов, и так далее. Что ж, среди прочих идей теперь на эти лавры претендует упомянутая в начале статьи компания Gamma Dynamics LLC, созданная в рамках сотрудничества Университетом Цинциннати (University of Cincinnati) и компаний Sun Chemical и Polymer Vision. Поскольку все три партнёра проекта расположены в Цинциннати, предполагается, что коммерциализация идеи EFD начнется и создаст ряд новых рабочих мест здесь же, на юго-западе штата Огайо.

Итак, Electrofluidic Display Technology (EFD) технология электро-жидкостных, или электрофлюидных дисплеев. Традиционные типы "электронной бумаги", основанные на принципе "электрического увлажнения", используют принцип изменения угла наклона масляной плёнки к плоской гидрофобной поверхности. В отличие от них EFD-устройства представляют собой массив из крохотных 3-мерных электрофлюидных резервуаров с водной дисперсией цветных пигментов. Посмотрим на рисунок ниже. Конструкция пикселя содержит резервуар с водной дисперсией пигмента, занимающий в обычном состоянии не более 5–10% видимой площади пикселя. В то же время так называемый поверхностный канал занимает порядка 80–95% видимой площади; по мере воздействия на резервуар пигмент будет выдавливаться из него и растекаться по этому каналу. Окружает эту конструкцию объёмный канал, обеспечивающий встречный поток неполярной маслянистой жидкости или газа. Разработчики технологии отдельно подчёркивают, что вся конструкция может производиться недорогим традиционными способами – фотолитографическим или микродублированием, за один шаг.

Формирование пикселя в EFD-устройствах основывается на применении принципа электромеханического давления, где, благодаря изменению приложенного потенциала электричества из специального резервуара на поверхностный канал "выдавливается" водная дисперсия цветного пигмента и таким образом "закрашивает" пиксель. При этом степень закрашивания варьируется небольших размеров с малой видимой поверхностью – менее 10%, до размеров с широкой видимой площадью, вплоть до 90%. Точнее понять принцип работы технологии помогает вот такое схематическое изображение:

Смотрите: при отсутствии приложенного потенциала разница капиллярного давления на границе двух жидкостей, описываемая дифференциальным уравнением Янга- Лапласа (Young–Laplace), "втягивает" пигмент в резервуар; при наличии электрического потенциала пигмент "выдавливает" маслянистый гидрофобный наполнитель заполняет канал. Насколько эффективен такой способ "закрашивания" пикселя? В данный момент, согласно результатам предварительных экспериментов, можно говорить о 55% коэффициенте отражения "белого", хотя на перспективу разработчики говорят о возможности достижения 85% и более. Для сравнения: электрофоретическая технология "электронной бумаги" E-Ink обеспечивает этот параметр на уровне порядка 40%; технология "электроувлажнения" от Liquavista – порядка 50%; холестерические жидкие кристаллы от Kent Displays - до 30%; электрохромная технология от NTerra – до 45%, от DIC – до 65%;микроэлектромеханическая интерференция от Qualcomm - 25%; "жидкий порошок" от Bridgestone – порядка 40%.

Интересно также отметить, что благодаря применению электрофлюидной технологии видимая, закрашенная пигментом область уменьшается в два-три раза эффективнее по сравнению с традиционной технологией "электрического увлажнения", что позволяет говорить о достижении большей контрастности изображения. При этом толщина дисплея – всего 15 мкм, делает потенциально возможным производство гибких и даже скручиваемых дисплеев. Помимо рекордного потенциала коэффициента отражения белого – в перспективе более 85%, ультратонкой гибкой конструкции, EFD-устройства также обещают рекордное время отклика, при котором вполне допустимо говорить о воспроизведении видео. Так, уже на экспериментальной стадии снятие электрического потенциала инициировало "втягивание" пигментной дисперсии до начальных размеров за рекордные сроки – порядка миллисекунд - десятков миллисекунд. На графике ниже схематически показан принцип перемещения пигментной дисперсии по поверхностному каналу, а также представлены графики взаимодействия в зависимости от приложенного потенциала, а также временной график, который с некоторой натяжкой их даже можно назвать графиком "времени отклика пикселя".

Что касается яркости такого дисплея, разработчики говорят об уровне сравнимом – ни много ни мало, с уровнем яркости пигментных чернил при печати на бумаге. К примеру, на снимке ниже – дисплей с плотностью размещения пикселей порядка 170 dpi, состоящий примерно из 35 тысяч пикселей.

На снимке ниже – временной процесс закрашивания квадратного пикселя с длиной стороны порядка 500 мкм. Под ним - гексагональные пиксели: слева - с двумя объёмными каналами, отдельно для резервуара и отдельно для границы пикселя; справа – с резервуарами, занимающими всего 5% видимой площади. Размеры каждого пикселя при этом могут составлять всего десятки микрон, а лабораторные эксперименты позволили добиться реверсивного переключения с поверхностным каналом длиной до 100 см. Исследователи также говорят о разработке ряда прототипов диагональю 1 дюйм с размером пикселя несколько миллиметров, 500 мкм, 300 мкм и 150 мкм. Наибольший выход годных пикселей – более 98%, был достигнут у дисплея с пикселями размером 300 мкм.

Также был испытан ряд комбинаций с белой рассеивающей, цветными (C, M, Y или R) и непрозрачной чёрной (K) жидкостями. Прототипы с 300-мкм размером пикселя уже достигли отражательной способности белый/чёрный на уровне 55%/8%, что даёт контраст 7:1, а сейчас идёт работа над достижением уровня белого порядка 80% и контрастности порядка 20:1. Такой уровень не является теоретическим измышлением, ибо в отдельных экспериментах уже удалось достичь уровня 90%.

Полноцветная работа дисплея, разумеется, требует более сложной архитектуры, хотя, по заверениям разработчиков, все 1-дюймовые образцы должны без проблем масштабироваться на более крупные размеры, над чем, собственно, сейчас и работают в Gamma Dynamics.

Что касается процесса массового производства дисплеев, разработчики уверяют, что для этого достаточно применения традиционных и относительно простых процессов – вакуумного напыления, фотолитографии и технологии жидкостной обработки. Более того: производство подложки дисплея по композиции и количеству шагов практически идентично процессу производства недорогих отражающих дисплеев, работающих на принципе "электроувлажнения", разве что геометрия и последовательность обработки материалов будут несколько другими.

Итак, компания Gamma Dynamics для внедрения идеи в массовое производство уже создана; технология, похоже, разработана, что называется, в первом прикладном приближении. На каком этапе находится собственно процесс коммерциализации?

Сейчас, пожалуй, самая интересная цифра из вчерашнего пресс-релиза Gamma Dynamics: в настоящее время в компании сфокусировали внимание на разработке EFD-устройств себестоимостью производства менее $10 за квадратный фут – это примерно $107,6 за квадратный метр дисплея! И, судя по всему, разработчики уже достаточно близки к этому.

Как вы думаете, есть будущее у такой технологии? Честно говоря, не видя в глаза рабочего прототипа, трудно говорить о перспективах практического её применения, но если всё обстоит так, как рассказывается в статье… ждать коммерческих образцов EFD-устройств, похоже, осталось недолго. Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения:

- Обсудить материал в конференции