«Электронные» чернила

Безбумажный мир может наступить уже в нынешнем веке

Андрей Борзенко

Как утверждают историки, примерно за 4 тыс. лет до нашей эры египтяне изготовили нечто вроде бумажного листа, склеивая полоски из листьев папируса (английское paper происходит от слова "папирус"). До уровня искусства возвели бумажное производство китайцы. Приблизительно в 105 г. н. э. некто Цай Лун начал измельчать коноплю и кору тутового дерева, получая из них кашицу, которая, высыхая, превращалась в тонкие листы. Так родилась бумага. Несмотря на поразительные успехи современной техники в создании электронных средств отображения текста и графики (дисплеев), бумага по-прежнему остается важнейшим и незаменимым носителем информации. Это объясняется ее дешевизной, долговечностью, гибкостью, а также совместимостью с разными инструментами письма (ручки, карандаши, принтеры и т. д.).

По некоторым данным, потребление бумаги составляет сегодня свыше ста миллиардов килограмм в год. Безбумажный мир может показаться идеалом, до осуществления которого еще ой как далеко. Не секрет, что безбумажный офис часто становится предметом насмешек, а появившиеся несколько лет назад первые электронные книги (если их можно назвать книгами) были встречены без особого энтузиазма. Несмотря на безрадостную статистику (90% всех документов существуют на бумажных носителях), дело уже сдвинулось с мертвой точки.

Первое производство

Первые образцы "электронных чернил"

В конце сентября корпорация E Ink (http://www.eink.com) официально ввела в эксплуатацию первое в мире производство, специализирующееся на выпуске микроэлектроники для гибких дисплеев. Новый центр площадью 800 кв. м в Вобурне (шт. Массачусетс, США) станет научно-исследовательским полигоном для подразделения микроэлектроники компании E Ink (Microelectronics Technology Group). Инженеры будут работать не только с традиционными кремниевыми тонкопленочными транзисторами, но и с альтернативными вариантами проводников и полупроводников как из органических материалов, так и из пластмассы. Они займутся созданием микроэлектронных компонентов, в том числе гибких транзисторов, необходимых для изготовления сверхтонкого дисплея, который можно сгибать и сворачивать в трубку, как обычный лист бумаги. Предполагаемый размер дисплеев - до 18 дюймов (примерно 45 см по диагонали). Первый действующий прототип такого устройства E Ink предполагает представить в следующем году. Он станет важным этапом на пути к реализации основной программы компании - созданию RadioPaper - беспроводного дисплея, по механическим и оптическим характеристикам напоминающего печатную страницу.

По мнению ряда экспертов, уже в ближайшем будущем новые "бумага" и "чернила" смогут найти применение в уличных информационных системах (дорожные знаки, рекламные щиты и т. п.). В дальнейшем возможно создание телевизионных экранов и даже электронных книг - обычных по виду, но с содержанием той реальной книги, которую читатель желает прочитать. Такая замена содержания, как предполагают разработчики, будет производиться чисто электронным способом.

Финансирование проекта поставлено на серьезную основу. Среди инвесторов молодой компании (E Ink была основана в 1997 г.) такие известные корпорации, как Applied Technology Ventures, Gruppo Espresso, Hearst Corporation, Lucent Technologies, Motorola, Philips Components.

Рождение

Практически до конца XX века все попытки создать электронный аналог пары бумага плюс чернила на основе электрофореза мелких частиц или жидких кристаллов не приводили к удовлетворительному результату: либо изображение было недолговечно без внешнего питания, либо системы получались громоздкими, дорогостоящими и малоконтрастными.

И вот в 1998 г. группа американских исследователей из Массачусетского технологического института, в которую входили Комиски, Алберт, Иошизава и Якобсон (Comiskey, Albert, Yoshizawa, Jacobson), предложила новый подход к созданию "электронных" чернил. Суспензией из черных и белых микрочастиц размером 1-5 мкм заполняли объем сферической микрокапсулы диаметром 40 мкм. Каждая белая микрочастица представляла собой застывшую каплю взвеси диоксида титана в расплавленном полиэтилене. Черные частицы получались подобным методом, но с добавлением черного красителя. Оба сорта частиц были взвешены в неэлектропроводной смеси органических жидкостей с плотностью 1,5 г/см³, равной плотности частиц, и вязкостью 800 мкП, что примерно соответствует вязкости воды при температуре 30°С. Образование на границах раздела жидкость - твердая частица двойного электрического слоя заставляла эти частицы двигаться в приложенном внешнем поле (явление электрофореза). В силу различия в электрохимических свойствах поверхностей белых и черных частиц (в частности, из-за электропроводности черного красителя) их движение в электрическом поле происходило в противоположных направлениях: белые частицы смещались к аноду, черные - к катоду. Таким образом, включение внешнего электрического поля приводило к быстрому окрашиванию одного полушария капсулы в белый цвет, а другого - в черный. Для предотвращения коагуляции частиц с "присоединенными" зарядами противоположного знака их покрывали специальным полимером, который усиливал отталкивание частиц при сближении.

Для создания носителя изображения пленка, состоящая из капсул, напылялась на поверхность тонкого прозрачного полимерного листа, предварительно покрытого прозрачным проводящим слоем на основе оксидов индия и олова. С тыльной стороны на пленке формировалась система электродов для избирательной подачи напряжения к требуемым участкам поверхности. Полярность напряжения определяла цвет "бумаги" непосредственно над электродом, именно это позволяло создавать на ней черно-белый рисунок или текст. Такая система способна обеспечить разрешение 600 точек на дюйм (типичное разрешение современных струйных принтеров), а за счет усовершенствования переднего прозрачного электрода эту характеристику можно улучшить примерно вдвое.

После выключения управляющего поля изображение хранится по крайней мере несколько месяцев без заметного изменения. Поместив подобную "бумагу" с записью в однородное электрическое поле, рисунок можно стереть, а затем нанести новый. Скорость обновления изображения в опытных образцах - до десяти кадров в секунду.

Всего через год после начала работ инженеры из лаборатории Bell Labs (Lucent Technologies) сделали значительный шаг в направлении создания дисплея типа цифровой бумаги. Команда под руководством Джона Роджера использовала транзисторы на основе органического пластика. Разработчики воспользовались сведениями, приведенными в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Science in the US. В ней описан процесс создания активной матрицы из органического материала. На базе этой работы была доказана возможность создания широкоформатных и высококачественных пластических электронных систем на дешевой и механически гибкой полимерной субстанции. В результате были созданы панели на основе процессов пластификации и методов создания органических транзисторов. Электрические свойства транзисторов в пластиковых печатных схемах аналогичны свойствам обычных тонкопленочных кремниевых транзисторов, но они обладают механической гибкостью, высокой прочностью и малой массой.

Разработанный дисплей был приблизительно в четыре раза тоньше и легче панели экрана на жидких кристаллах: на площади около 160 кв. см содержалось несколько сот пикселов. Толщина гибкого дисплея составляла всего 1 мм, передняя панель была изготовлена из оксида индия, "электронные" чернила - из микрокапсул диоксида титана с частицами красителя. Напряжение подавалось на заднюю панель, таким образом, соответствующая ячейка в определенном столбце и строке под воздействием электрического поля между оксидом индия и точечным электродом на задней панели, поднималась или опускалась, тем самым изменяя свой цвет. Помимо непосредственной разработки органических полупроводников были созданы изоляторы, идеально совместимые с данной технологией. Изолятор имел толщину в 1 мкм и обладал малым растеканием тока.

Чуть позже E Ink в содружестве с IBM продемонстрировала прототип дисплея с диагональю 12,1 дюйма, в котором применялись "электронные" чернила. Дисплей имел типичное для портативных компьютеров разрешение и позволял создавать качественное текстовое и графическое изображения. По сравнению с предыдущей моделью, где применялись "синие" чернила, в новой улучшилась контрастность за счет перехода к черному цвету чернил. Также впервые была использована активная матрица, полученная от IBM. Дисплей с "электронными" чернилами имеет множество преимуществ по сравнению с катодно-лучевыми трубками, ЖК-дисплеями и органическими светоизлучающими диодами (OLED). Они в три-шесть раз ярче и в три раза тоньше ЖК-дисплеев, потребляют примерно в тысячу раз меньше энергии в сравнении с обычным ноутбуком и могут сохранять изображение при отключении питания. К тому же изображение на них можно рассматривать под любым углом и в любых условиях внешнего освещения, поскольку само изображение становится видимым при освещении снаружи (как при чтении текста на бумаге), а не изнутри, как в дисплеях традиционных типов.

Проект Gyricon

Разработкой "электронных" чернил активно занимается не только E Ink, но и Xerox в партнерстве с ЗМ. Разумеется, эти команды стараются опередить друг друга. В лабораториях исследовательского центра Xerox (Palo Alto Research Center, PARC; http://www.parc.xerox.com) уже давно бьются над созданием материала Gyricon, который должен прийти на смену традиционной бумаге и чернилам. Идея заключается в следующем. В тонкую полоску пластикового материала встраиваются миллионы маленьких двухцветных шариков, способных вращаться и поворачиваться к наблюдателю то окрашенной, то неокрашенной стороной. Это происходит за счет того, что лист состоит из микрокапсул, находящихся во взвешенном состоянии в масляной среде. Если при помощи специального пера подать на шарики электрическое поле, то их ориентация в пространстве изменится, а на подложке появится изображение. Оно оставанется неизменным до тех пор, пока новое электрическое поле не повернет шарики другой стороной. Поместив электронные перья в небольшой принтер, можно создать из них целый массив и ускорить получение образов. Если мощность электрического поля позволит обойтись без электронного пера, то аналогичные методы можно будет применять для отображения информации, в частности, в компьютерах. Не секрет, что в ноутбуках в настоящее время приблизительно две трети общего расхода электроэнергии уходит на подсветку жидкокристаллического экрана. Замена этого экрана "электронными" чернилами принесет небывалую экономию. В настоящее время в PARC работают над уменьшением размеров шариков с целью повышения разрешения, а также над улучшением других характеристик, что позволит получать не только черно-белые, но и полутоновые изображения.

Издатели тоже готовятся

На первый взгляд, создание дружественного новостного формата, который совмещал бы в себе портативность старых добрых газет и сиюминутность высоких цифровых технологий, кажется невероятным. Но IBM уже разрабатывает eNewspaper (электронная газета), вызвавший немалый интерес издателей.

Представленный прототип электронной газеты с виду напоминает трехкольцовый скоросшиватель, к алюминиевому корешку которого прикреплены восемь гибких двусторонних страниц. Устройство оборудовано платой, батарейкой, USB-портом и 300-мегабайтовым микродиском размером со спичечный коробок. Главным рабочим элементом прибора являются цифровые "электронные" чернила. Популярность концепции электронной газеты столь велика, что ряд медиакомпаний, в том числе Wall Street Journal, Time Inc., Havas и Gruppo Espresso, всерьез готовятся к ее реализации. Немалую роль в разработке концепции электронной газеты IBM играют исследования того, каким именно образом люди используют газеты: как их читают и что с ними потом делают. По мнению экспертов, преимущество, выделяющее прототип IBM из ряда аналогичных предложений, зачастую заставляющих читателя листать статьи постранично, заключается в том, что он "показывает" читателю несколько статей одновременно, сохраняя за ним право "неожиданно" наткнуться на интересные материалы. Газетная индустрия только в США ежегодно поглощает несколько десятков миллиардов долларов. При этом около 20 млрд. долл. уходит на расходные материалы. Если удастся снизить затраты на бумагу и печать, то рентабельность резко возрастет.

В заключение стоит также отметить, что E Ink подписала соглашение с корпорацией Philips Components о выводе своих дисплеев на рынок в 2003 г. В 2004 г. предполагается выпустить цветные дисплеи, а в 2005 г. - дисплеи с толщиной обычной бумаги.

Статья опубликована в PC Week/RE №46, 2001 г., стр. 39.
Перепечатывается с разрешения автора.