1. Koncepcja papieru elektronicznego
E-papier może utrzymać swój wyświetlacz nawet po wyłączeniu zasilania, posiadając pewną pojemność pamięci i większość funkcjonalności tradycyjnego papieru. Podstawowym materiałem e-papieru są przede wszystkim związki poliestrowe, pokryte obwodami na powierzchni. Zmiany w zewnętrznym polu elektrycznym kontrolują ruch kapsułek elektronicznych w obwodzie, aby zmieniać tekst i obrazy. E-papier charakteryzuje się niskim zużyciem energii i elastycznością, zapewniając delikatną jakość wyświetlania, szeroki kąt widzenia i doskonałą widoczność w świetle słonecznym bez żadnych martwych punktów.
W 1999 roku E Ink Corporation po raz pierwszy wprowadziła wyświetlacz wykorzystujący elektroniczny atrament. W 2007 roku Amazon wypuścił czytnik Kindle pierwszej generacji, wyposażony w 6-calowy, 4-poziomowy wyświetlacz e-ink. Od klasycznego czarno-białego wyświetlacza e-ink do dnia dzisiejszego, ewoluował, aby osiągnąć pełnokolorowe możliwości wyświetlania z ośmioma kolorami podstawowymi. W porównaniu do tradycyjnych wyświetlaczy, ekrany e-ink mają charakterystykę bistabilną, co oznacza, że zużywają energię tylko wtedy, gdy zmieniają się kolory pikseli. Ekran może zachowywać obrazy nawet po wyłączeniu zasilania. Ponadto, jako technologia wyświetlania, ekrany e-ink mogą naśladować wrażenia wizualne związane z drukowaniem i pisaniem na papierze.
2. Zasady wyświetlania e-papieru
Istnieje kilka podejść technologicznych do e-papieru, w tym Electrophoretic Display Technology (EPD), Cholesteric Liquid Crystal Display (Ch-LCD), Bistable Twisted Nematic Liquid Crystal Technology (Bi-TNLCD), Electro-Wetting Display Technology (EWD), Electrofluidic Display Technology (EFD) i Interferometric Modulator Technology (iMod). Spośród nich technologia wyświetlania elektroforetycznego jest najbardziej reprezentatywna, będąca w masowej produkcji od wielu lat z dojrzałymi procesami, niskim kosztem, wysoką wydajnością i największym podobieństwem do tradycyjnego papieru.
Technologia wyświetlania elektroforetycznego jest jedną z najwcześniej opracowanych technologii wyświetlania papieropodobnego. Jej podstawowa zasada polega na użyciu zewnętrznego pola elektrycznego do kontrolowania ruchu naładowanych cząstek w cieczy. Gdy te cząstki przemieszczają się do określonej pozycji, wyświetlają różne kolory.
Technologia atramentu elektroforetycznego, powszechnie znana jako atrament elektroniczny, polega na nałożeniu atramentu elektronicznego na warstwę folii plastikowej, a następnie nałożeniu na nią obwodu tranzystora cienkowarstwowego (TFT). Sterowany przez układ scalony sterujący, ten układ tworzy grafikę pikselową, tworząc wyświetlacze papierowe elektroniczne (EPD). W przeciwieństwie do typowych wyświetlaczy płaskich, które wykorzystują emisję światła do tworzenia obrazów, ekrany atramentu elektronicznego wykorzystują przede wszystkim technologię wyświetlania elektroforetycznego. Polegają one na odbijaniu światła otoczenia do wyświetlania obrazu, co sprawia, że czytanie jest wygodniejsze. Ponadto wyświetlane obrazy pozostają wyraźne nawet w bezpośrednim świetle słonecznym, z bardzo szerokim kątem widzenia, teoretycznie do 180 stopni.
3. Budowa papieru elektronicznego
Wyświetlacze na papierze elektronicznym (EPD) zazwyczaj składają się ze szkła antyrefleksyjnego, przedniego źródła światła, funkcji dotykowych, folii z tuszem elektronicznym, płyty tylnej TFT, kontrolera i menedżera zasilania, a także innych komponentów. Folia z tuszem elektronicznym zazwyczaj składa się z milionów mikrokapsułek. Te mikrokapsułki zawierają czarne i białe cząsteczki, które są naładowane dodatnio lub ujemnie. Poruszają się one w odpowiedzi na zmiany pola elektrycznego, dzięki czemu określone obszary wydają się czarne lub białe, tworząc w ten sposób odpowiednią grafikę pikselową.
Podstawową substancją opracowaną przez E Ink Holdings na potrzeby technologii elektronicznego atramentu w mikrokapsułkach jest atrament elektroniczny, który składa się głównie z dwóch części: czarnego barwnika i białych naładowanych cząstek elektroforetycznych dwutlenku tytanu.
Cząsteczki elektroniczne są zawieszone w barwniku, ułożone równomiernie i poruszają się losowo. Są zamknięte w przezroczystej powłoce. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego białe cząstki mogą wyczuwać ładunek i poruszać się w różnych kierunkach. Strona, na której gromadzą się białe cząstki, może wyświetlać biel, podczas gdy przeciwna strona pokazuje kolor barwnika, czyli czerń. E-papier wykorzystuje tę zasadę, aby uzyskać przejścia kolorów dla tekstu i obrazów.
4. Materiały e-papierowe
- Materiały podłoża:Podłoża e-papieru są zazwyczaj wykonane z plastiku (takiego jak folia poliestrowa) lub szkła. Podłoża plastikowe mają tę zaletę, że są lekkie i elastyczne, co sprawia, że nadają się do tworzenia giętkiego e-papieru. Podłoża szklane z kolei zapewniają lepszą ochronę i trwałość.
- Materiały mikrokapsułkowe: Mikrokapsułki są podstawowymi składnikami e-papieru i są zazwyczaj wykonane z materiałów polimerowych. Każda mikrokapsułka zawiera czarne i białe cząsteczki, które są zazwyczaj wykonane z materiałów takich jak sadza lub biały dwutlenek tytanu. Rozmiar mikrokapsułek waha się zazwyczaj od kilku mikronów do kilkudziesięciu mikronów.
- Materiały przewodzące: Przezroczyste elektrody e-papieru zazwyczaj wykorzystują tlenek indu i cyny (ITO) lub inne materiały przewodzące. Materiały te nie tylko mają dobrą przewodność, ale także wysoką przezroczystość, skutecznie przewodząc prąd elektryczny bez wpływu na jakość wyświetlania.
- Materiały atramentowe: Cząsteczki pigmentu stosowane w tuszach elektronicznych są zwykle wykonane z materiałów nieorganicznych lub organicznych, które zapewniają dobrą dyspersję i stabilność, co przekłada się na klarowność i trwałość wyświetlanych obrazów.
- Folia ochronna: Aby zwiększyć trwałość e-papieru, na powierzchnię często nakłada się folię ochronną. Folia ta pomaga zapobiegać zarysowaniom i uszkodzeniom zewnętrznym, wydłużając tym samym żywotność e-papieru.
5. Proces produkcji papieru elektronicznego
Technologia atramentu elektroforetycznego, powszechnie znanego jako atrament elektroniczny, jest kluczowa dla procesu produkcji e-papieru. Proces ten obejmuje nakładanie warstwy atramentu elektronicznego na folię plastikową. Następnie na tę powlekaną folię laminowany jest obwód tranzystora cienkowarstwowego (TFT). Sterowany przez układ scalony sterownika, ten układ ułatwia tworzenie grafiki pikselowej, która jest podstawą wyświetlaczy papieru elektronicznego (EPD). Ta metoda umożliwia precyzyjną kontrolę i manipulację cząsteczkami atramentu wewnątrz mikrokapsułek, umożliwiając wyświetlaczowi wyświetlanie obrazów i tekstu poprzez przegrupowanie tych cząsteczek pod wpływem prądu elektrycznego.
Aby kontrolować koszty produkcji i uwzględnić cechy elektroforetycznych materiałów wyświetlaczy, obecne mikrokapsułkowe elektroforetyczne folie wyświetlaczy są produkowane przy użyciu metody powlekania typu roll-to-roll. Proces ten umożliwia szybką produkcję materiałów wyświetlaczy, które spełniają wymagania zastosowań produktu. Wspomniany obraz zazwyczaj pokazuje rolkę materiału filmowego podczas przetwarzania w tej ciągłej metodzie produkcyjnej.
6. Zalety i wady papieru elektronicznego
· Zalety
-
- Niskie zużycie energii: Papier elektroniczny zużywa bardzo mało energii, zazwyczaj tylko podczas odświeżania ekranu, zatem w trybie czuwania nie zużywa prawie żadnej energii.
- Dobra czytelność: Ze względu na odblaskową naturę wyświetlacza, e-papier zachowuje dobrą czytelność przy silnym oświetleniu, podobnie jak tradycyjny papier.
- Lekki i elastyczny: Lekkość i elastyczność e-papieru sprawiają, że nadaje się on do stosowania w wielu urządzeniach przenośnych i wyświetlaczach.
- Komfort oczu: Papier elektroniczny redukuje odblaski i promieniowanie niebieskiego światła, dzięki czemu dłuższe czytanie staje się bardziej komfortowe.
· Wady
-
- Koszty: Koszt produkcji e-papieru jest stosunkowo wysoki, co ogranicza jego rozprzestrzenianie się na niektórych rynkach niskiej klasy. Jednak wydajność technologii wyświetlaczy elektroforetycznych, zwłaszcza technologii wyświetlaczy mikrokapsułkowych, ma się poprawiać corocznie ze względu na prosty proces produkcyjny i metodę powlekania typu roll-to-roll podobną do produkcji papieru. Wraz ze wzrostem wolumenów produkcji i wydajności, oczekuje się, że koszt wyświetlaczy e-papierowych będzie się corocznie zmniejszał. Podobnie jak w przypadku innych urządzeń elektronicznych, cena wyświetlaczy e-papierowych prawdopodobnie będzie nadal spadać, co doprowadzi do różnych pojawiających się zastosowań w miarę spadku kosztów.
- Niska częstotliwość odświeżania: E-papier ma stosunkowo niską częstotliwość odświeżania, co czyni go nieodpowiednim do wyświetlania dynamicznych filmów lub szybko zmieniającej się zawartości. Aby spełnić wymagania wydajnościowe bistabilności, technologia wyświetlania e-papieru poświęca szybkość reakcji, a czasy aktualizacji wynoszą kilkaset milisekund, co jest niewystarczające dla aplikacji wideo. Dzięki postępowi technologicznemu pojawiły się szybciej reagujące materiały e-papierowe, a czasy reakcji zostały skrócone do dziesiątek milisekund, z potencjałem dalszych ulepszeń w celu spełnienia wymagań klientów w przyszłości.
- Pełna koloryzacja: Większość technologii wyświetlania e-papieru jest przede wszystkim monochromatyczna, a kolorowy e-papier wiąże się z wyższymi kosztami i wyzwaniami technicznymi. Obecnie kolorowy e-papier elektroforetyczny można uzyskać na dwa sposoby: jeden przy użyciu filtra kolorów na czarno-białym e-papierze, a drugi przy użyciu kolorowych cząsteczek lub barwników, przy czym próbki są już wyprodukowane. Jednak ponieważ opiera się na odbitym świetle do obrazowania, ekrany e-papieru wydają się nieco przyciemnione w porównaniu z jasnością i dokładnością kolorów ekranów LCD. Tak więc koloryzacja jest rewolucyjnym przełomem w technologii e-papieru, a znaczne zasoby są przeznaczane na badania i rozwój, obiecując przyszłą dostępność kolorowych wyświetlaczy e-papieru.
- Trwałość: Chociaż e-papier jest stosunkowo trwały, jego wydajność może ulec pogorszeniu w ekstremalnych warunkach (takich jak wysoka temperatura i wilgotność). W przeciwieństwie do konwencjonalnych czytelników, którzy mogą nie spodziewać się zwijania książki, głównym celem stosowania elastycznych wyświetlaczy e-papierowych nie jest możliwość zwijania, ale przenośność i odporność na uderzenia. Elastyczne wyświetlacze e-papierowe mogą korzystać z plastikowych podłoży jako płyt tylnych. E-papier z plastikowymi podłożami jest o około 80% lżejszy od tych wykonanych z materiałów szklanych i ma tylko około 0.3 mm grubości, spełniając wymagania dotyczące lekkości, grubości i odporności na uderzenia. Jednak największym wyzwaniem dla podłoży plastikowych jest ich odporność na ciepło i stabilność chemiczna, co wymaga ciągłych udoskonaleń materiałów podłoża.
7. Zastosowania papieru elektronicznego
- Czytniki e-booków: E-papier jest najbardziej znanym zastosowaniem w czytnikach e-booków, takich jak Amazon Kindle. Ze względu na wrażenia z czytania przypominające czytanie na papierze, e-papier pozwala użytkownikom czytać przez długi czas bez znacznego zmęczenia oczu.
- Billboardy i tablice informacyjne: Wiele firm i przestrzeni publicznych zaczyna używać e-papieru do billboardów i systemów wyświetlania informacji. Przejrzystość e-papieru w świetle słonecznym i niskie zużycie energii sprawiają, że idealnie nadaje się do wyświetlania informacji przez dłuższy czas.
- Inteligentne etykiety: W handlu detalicznym i logistyce powszechnie stosuje się etykiety e-papierowe (takie jak elektroniczne etykiety półkowe). Mogą być aktualizowane w czasie rzeczywistym o informacje o cenie i produkcie, co zmniejsza koszty związane z ręcznymi aktualizacjami.
- Urządzenia do noszenia: Niektóre smartwatche i trackery fitness zaczęły stosować wyświetlacze wykonane w technologii e-papieru, aby wydłużyć czas pracy baterii i poprawić czytelność w różnych warunkach oświetleniowych.
- Urządzenia edukacyjne: Technologia e-papieru jest stopniowo wprowadzana w sektorze edukacji, na przykład w elektronicznych arkuszach egzaminacyjnych i tabletach edukacyjnych, oferując bardziej elastyczną i przyjazną dla środowiska metodę nauki.