Jednorazowe e-czytniki

E-czytniki – niemęczące oczu czarnobiałe odpowiedniki tabletów. Ograniczone w funkcjach, jednak znacznie przyjaźniejsze dla przeciętnego czytacza – gdyż imitujące prawdziwy papier. Jak działa technologia E Ink, o którą opierają się te urządzenia? Pytanie warte odpowiedzi, tłumaczące jednocześnie, dlaczego tak trudno jest wyprodukować czytniki kolorowe oraz odpowiednio szybkie, aby móc na nich oglądać filmy (chociaż od kilku miesięcy na rynku dostępne są już takie).

Co można zrobić, aby e-czytniki stały się lepsze? Na przykład stworzyć e-czytniki, które łatwo wyprodukować, zużyć, a potem zrecyclingować (czy aby na pewno jest to ulepszenie, to kwestia dyskusyjna). Krok w tę stronę uczynił niedawno Andrew Steckl z Uniwerystetu Cincinnati, który badał zjawisko elektrozwilżalności¹ na papierze – i potencjał tego zjawiska w zastosowaniu do produkcji różnego rodzaju papierowych urządzeń – od medycznych począwszy (odsyłam do kiedyś przeze mnie publikowanej prezentacji George’a Whitesidesa), a na e-czytnikach właśnie skończywszy. Wyniki badań opublikowane zostały w październiku zeszłego roku w piśmie Applied Materials and Interfaces.

Zacznijmy jednak od początku: od tego, jak działa E Ink, czyli tw. elektroniczny atrament. Nazwa bowiem – wbrew ukutemu później pojęciu electronic ink, nie pochodzi od słowa elektroniczny, lecz elektroforetyczny. Po raz pierwszy wykorzystanie zjawiska elektroforezy – ruchu naładowanych cząsteczek w polu elektrycznym – do wyświetlaczy opisano w Proceedings of the IEEE w 1973 roku! Trzej japońscy badacze, Ota, Ohnishi oraz Yoshiyama, opisali zasady działania takiego wyświetlacza, a także zaprezentowali bardzo prosty prototyp podobny do wyświetlaczy w prostych kalkulatorach. Co najważniejsze jednak, opisali też znane nam dzisiaj zalety e-czytników opartych o technologię E Ink: możliwość czytania niemal niezależnie od kąta patrzenia na czytnik, a także w warunkach ostrego, jasnego światła (weźmy na to: na plaży). Skonstruowali też bardzo prosty kolorowy wyświetlacz – jednak w ich przypadku były to opcje dwukolorowe (czyli nie czarnobiały monochrom, ale np. czerwono-żółty – technicznie to nie monochrom, praktycznie jednak to to samo: dwa skrajne kolory i gama odcieni pomiędzy nimi).

Po Japończykach było długo, długo nic. Nie do końca oczywiście, niemniej na ponowny powiew świeżości czekaliśmy aż do późnych lat 90., kiedy to grupa badaczy z Media Laboratory na MIT opisała wyświetlacz oparty na technologii elektorforetycznego atramentu – tym razem o znacznie lepszej rozdzielczości. Dobrej na tyle, że dało to początek spin-outowi znanemu dzisiaj jako E Ink Corporation…

Wciąż jednak nie powiedziałem, co to, jak to, i z czym to się je. Otóż elektroniczny papier to olbrzymia matryca – sieć elektrod – pokryta mikrokapsułkami zawierającymi wewnątrz bezbarwny płyn, w którym zawieszone są dwa rodzaje cząsteczek: ujemnie naładowane białe cząsteczki oraz dodatnio naładowane czarne. Każdy obraz, w tym także stronice książek, można rozłożyć na pewną ilość pikseli oraz określić, które piksele muszą być białe, a które czarne. Każdy piksel odpowiada jednej elektrodzie w matrycy. Aby wyświetlić dany obraz trzeba do każdej z elektrod przykłada się odpowiedni potencjał elektryczny tak, aby piksel był odpowiednio biały lub czarny. Oczywiście im mniejsze elektrody, tym lepsza rozdzielczość obrazu. Zasadę tę ilustruje obrazek z oryginalnej pracy autorów z MIT:

Jak widać na ilustracji, mikrokapsułki mają średnicę ok. 200 mikronów. Cząsteczki barwników mogą mieć w zależności od metody produkcji od 1 do 5 mikronów średnicy./ Za zgodą Macmillan Publishers: Nature 394, 253-255 ©1998

E Ink szybko wdarł się na rynek elektroniczny, głównie w postaci e-czytników. Znalazł jednak także zastosowanie w wyświetlaczach telefonicznych (np. Motorola F3) oraz zegarkach (np. Seiko Spectrum SVRD001). W ostatniej dekadzie przeżył już kilka różnego rodzaju renesansów – poprzez elastyczny e-papier, po kolorowy E Ink, a wreszcie całkiem nową technologię, która światło dzienne ujrzała w zeszłym roku – e-papier, który nie opiera swe działanie na elektroforezie, ale na elektrozwilżaniu…

W lecie 2010 profesor Andrew Steckl opublikował w Applied Physics Letters artykuł o nowym urządzeniu  uzyskującym kolorowy obraz z użyciem elektronicznego atramentu. Metoda ta opiera się na wspomnianym (i opisywanych już kiedyś przeze mnie w innym kontekście) elektrozwilżaniu. Zjawisko to polega na zmianie właściwości powierzchni hydrofobowej po przyłożeniu do niej napięcia. Na takiej powierzchni krople cieczy polarnych, takich jak np. różnego rodzaju roztwory wodne, zachowują mniej więcej kształt kropli. Jeśli jednak przyłożymy napięcie pomiędzy powierzchnią, a elektrodą będącą w kontakcie z kroplą (np. zanużoną w niej), wówczas zwilżanie powierzchni zwiększa się znacznie (kropla ulega spłaszczeniu).

Jednak eksperyment, w którym pokazano zasadę działania kolorowego wyświetlacza opartego o elektrozwilżanie, opisało po raz pierwszy w 2003 roku dwóch innych badaczy. Technologia ta wykorzystywana jest obecnie w wyświetlaczach Liquavista. Działa to następująco: każdy piksel to kwadratowa studzienka podzielona na cztery mniejsze kwadratowe studzienki. Każdy taki subpiksel ma następującą strukturę: pierwsza warstwa to reflektor, który odbija światło wpadające do studzienki; następne są: ultracienka elektroda pokryta warstwą hydrofobową, kropla z jednym z barwników CMYK, niewielka przestrzeń wypełniona roztworem wodnym. Studzienka zamknięta jest kolejną warstwą, do której od góry przylega kolejna kropla z kolejnym barwnikiem. Wreszcie na samej górze tego stosu znajduje się filter optyczny o kolorze trzeciej barwy CMYK. Trzy subpiksele stanowią odpowiednik trzech różnych rodzajów luminoforów w wyświetlaczach CRT (nie do końca – CRT opierają się na modelu RGB, anie CMYK; vide komentarz Jiimy).

Trzy studzienki – trzy subpiksele, odpowiedzialne za generację całej gamy kolorów w wyświetlaczach opartych na elektrozwilżaniu. /Za zgodą Macmillan Publishers: Nature 425, 383-385 ©2003

W zależności od tego, jak przykładane jest napięcie w poszczególnych subpikselach, uzyskać można cały zakres różnych kolorów (światło przechodzi przez filter i albo dwie krople albo tylko jedną nich). Steckl w pracy z APL zastosował nieco inną geometrię studzienek w wyświetlaczach opartych na elektrozwilżaniu. Zmiany pozwoliły mu uzyskać wyświetlacze o znacznie krótszym czasie odświeżania (czas odświeżania to niestety jedna z bolączek klasycznych, monochromatycznych e-czytników).

Powoli docieramy jednak wreszcie do sedna sprawy – do pracy z października. Wiemy już, że możliwe są szybkie, kolorowe e-czytniki. Dramatycznych przełomów w tym kierunku już raczej nie będzie. Wciąż jednak szerokie jest pole do popisu jeśli chodzi o materiały, z których produkowane są te urządzenia.

W klasycznych dominujących na rynku e-czytnikach (np. Kindle, którego zadowolonym posiadaczem sam jestem) matryca elektrod jest nadrukowana na szklanej płytce. W wyświetlaczach elastycznych matrycę nanosi się na plastikowy substrat. Andrew Steckl postanowił sprawdzić, czy da się zastosować najtańszy z substratów – papier – do produkcji wyświetlaczy opartych na elektrozwilżaniu.

Test papieru jako materiału do produkcji e-czytników. a) Zachowanie kropli wody z barwnikiem; b) struktura urządzenia./ Za zgodą ACS: Appl. Mater. Interfaces 2 (11): 3318–3323 ©2010

Siłą rzeczy nie każdy papier się do tego nadaje, o czym wie każdy, kto kiedykolwiek próbował zetrzeć rozlany sok papierowym ręcznikiem. W końcu czytniki te opierają się na fakcie, że krople z barwnikami pozostają na powierzchni elektrod, a nie wsiąkają w nie. Dlatego też badaniu poddano trzy rodzaje papieru odpornego na wilgoć oraz tłuszcze: tzw. papier glassine (co, podejrzewam, oznacza po prostu papier pergaminowy) oraz papiery Kromekote™ i Sappi™. Na próbkach tych papierów naniesiono szablony miedzianych elektrod, elektrody zaś pokryto warstwą dielektryka – parylenu. Wreszcie ostatnią warstwą była warstwa hydrofobowego perfluoropolieteru (takiego ‘teflonu’).

Steckl wraz ze współautorem Dug Young Kimem sprawdzili zachowanie kropli wody z barwnikiem na powierzchni urządzeń opartych na tych trzech rodzajach papieru. Mierząc jak zmienia się kąt kontaktu kropli z powierzchnią przy zmianach napięcia, sprawdzili, czy kropla wraca zawsze do tego samego kształtu po spadku napięcia, jak bardzo powtarzalny jest ten powrót, tzn. po ilu cyklach kropla zaczyna się odkształcać (spłaszczać) nawet, gdy napięcie wynosi 0V (w ten sposób sprawdzili, jaki byłby czas życia urządzeń opartych na papierze). Porównali też, dla którego z papierów zmiany kąta kontaktu są największe – i tu najlepiej wypadł papier pergaminowy.

Publikacja jest z kategorii prac proof-of-principle – pokazuje, że owszem mechanizm, według którego działają czytniki oparte na elektrozwilżaniu, działa także całkiem nieźle na substratach papierowych. Najlepiej – średnio we wszsytkich testach – sprawdził się papier Sappi. Króciutki czas przełączania (dziesiątki milisekund) oznacza, że być może wyświetlacze papierowe mogłyby być zastosowane do wyświetlania filmów.

Steckl próbuje sprzedać ten pomysł, jako e-papier na papierze, bo przecież, jak twierdzi, papier jest najlepszą powierzchnią do czytania. Czy taki papier jednak rzeczywiście wyglądałby jak papier, to już całkiem inna sprawa. Co nie zmienia faktu, że takie urządzenia z pewnością byłyby znacznie tańsze w produkcji od klasycznych tabletów, czy e-czytników. Do tego stopnia, że mogłyby stać się czytnikami jednorazowymi – chociaż to akurat chyba mijałby się z celem e-czytnika… Co do recyclingu, to raczej nie należy oczekiwać tutaj cudów – jest jednak pewna różnica między odzyskiem papieru gazetowego a papieru pokrytego czterema warstwami o kompletnie różnych właściwościach.

Dodatkową kwestią pozostaje problem przechowywania danych – bo niezależnie od tego, jak cienki i jak tani jest sam wyświetlacz, od mojego e-czytnika oczekuję, że będzie tym, jako co jest reklamowany – moją biblioteczką w pigułce. Niemniej jestem pewien, że i do tego aspektu Andrew Steckl prędzej czy później się odniesie – zwłaszcza jeśli będzie chciał walczyć o rynkowe ochłapy z Liquavistą…

¹ Tak, wiem, że nadal nie ma dobrego słowa na zjawisko określane w języku angielskim jako electrowetting; będziecie musieli cierpieć z moją hybrydą.