Несмотря на обилие экранов, люди по‑прежнему предпочитают читать с бумаги. Сможет ли «электронная бумага» вытеснить настоящую?

Несколько крупных компаний (IBM, Philips, HP и Fujitsu) работают над бистабильными индикаторами на базе так называемых холестерических жидких кристаллов (ChLCD). Эта технология позволяет производить очень тонкие, гибкие и относительно недорогие цветные дисплеи.
В настоящее время наиболее распространенная технология «электронной бумаги», используемая в серийных портативных устройствах, основана на электрофорезе.
На рисунке показана схема, разработанная компанией E Ink

Разработки в этой области насчитывают уже три с половиной десятка лет, тем не менее с выходом на массовый рынок долгожданное новшество должно полностью изменить наши привычки, связанные с чтением, письмом и обучением. Вполне возможно, что мы стоим на пороге такой революции, которую можно сравнить лишь с аналогичным техническим чудом XV века — изобретением печатного станка. Электронная бумага гибка, потребляет ничтожные количества энергии, дешева и технологична, а главное — проста и удобна в использовании. Еще не успеет подойти к концу следующее десятилетие, а мы уже привыкнем и к библиотекам, умещающимся на микрочипах, и к исчезновению большей части печатающихся на бумаге газет. Грядет «вторая бумажная революция».

Инкубатор идей

В 1970-х годах исследовательский центр компании Xerox в Пало-Альто (PARC) выступал в роли локомотива технического прогресса. Именно там были выношены и нашли свое воплощение такие атрибуты будущего компьютерного мира, как компьютерная «мышка», лазерный принтер, сеть Ethernet, графический пользовательский интерфейс, цветная графика и множество перспективных языков программирования. В 1974 году один из сотрудников PARC Николас Шеридон разработал еще одну новинку, которая едва не потерялась в этом бурном потоке революционных изобретений, — Gyricon (от греческого — «вращающееся изображение»). В конце концов именно эта идея и легла в основу электронной бумаги.

В конце 1960-х в PARC разрабатывали персональный компьютер Alto. Это был первый в мире офисный компьютер для работы с текстами, но у изумительного аппарата был один серьезный недостаток — его дисплей на основе электронно-лучевой трубки хотя и был лучшим по тем временам, все равно был недостаточно ярким и контрастным, и работать с ним можно было только в затемненном помещении. Нескольким исследователям поручили найти более удачное решение, которое позволило бы работать при нормальном освещении. Ник Шеридон разработал Gyricon, дисплей на основе двухцветных микрошариков, и дисплей, основанный на электрокапиллярном эффекте. Остальные сотрудники работали над принципом электрофореза (в дальнейшем разработка таких дисплеев была прекращена из-за очень малого ресурса этих устройств).

От дисплеев к принтерам

В течение полутора лет Шеридон работал параллельно и над электрокапиллярностью, и над технологией Gyricon, но потом решил остановиться на последней и довести ее до ума. Полагая в дальнейшем вернуться и к электрокапиллярному дисплею, он отложил подачу патентной заявки до начала 1990-х годов. Когда же эти заявки были опубликованы в Европе, одна из университетских исследовательских групп возобновила работы, предложив новый термин — «электроувлажнение» (electro-wetting). Сейчас этот принцип интенсивно изучается и его считают многообещающим кандидатом на роль «электронной бумаги». Каждый пиксель такого дисплея состоит из белой подложки, поверх которой расположен прозрачный электрод

и (снизу вверх) слои гидрофобного изолятора, окрашенного масла и воды. В свободном состоянии масло тонким слоем распределяется по всей поверхности ячейки, образуя черный пиксель. При подаче напряжения между электродом и водой последняя вытесняет масло с поверхности гидрофобного покрытия и заставляет его принять компактную выпуклую форму. При этом капля масла занимает очень малую поверхность всей ячейки, так что пользователь видит белую подложку (белый пиксель).

Руководство исследовательского отдела Xerox похвалило работы Шеридона над технологией Gyricon, однако указало ему, что производство дисплеев не входит в сферу интересов корпорации. Исследователю посоветовали заняться новыми технологиями в сфере печати, чтобы корпорация могла успешнее противостоять японскому натиску на рынке копиров и принтеров. Шеридон разработал новую технологию электронной печати на основе ионографии, в которую компания вложила около $150 млн. Однако буквально на пороге опытного производства первого в мире многофункционального офисного аппарата — принтера, копира, сканера и факса — и эту программу закрыли. «С моей точки зрения, это была фантастическая недальновидность, — говорит Шеридон. — У компании было множество возможностей радикально расширить сферу влияния. У Xerox нашлось достаточно денег, чтобы построить фантастические исследовательские лаборатории, собрать талантливейших людей, но руководство корпорации не смогло выйти за рамки мышления, связанного только с рынком копировальной техники».

Рождение электронной бумаги

«Потребность в подобной технологии я осознал еще в конце 1980-х, — вспоминает Шеридон. — Беседуя в лаборатории, мы неоднократно обсуждали безбумажные технологии, которые должны были появиться с массовым внедрением персональных компьютеров. Но «офис без бумаги» так и остался мечтой. Даже наоборот — персональный компьютер сам оказался жадным потребителем бумаги. В основном это объяснялось стремлением к комфорту — читать документы на бумаге было куда приятнее, чем рассматривать их на мерцающем экране. Всякий документ, который занимал больше половины странички, люди предпочитали распечатать, затем прочитать и в течение того же дня выбросить в корзину. Наблюдалась явная потребность в электронном дисплее, который обладал бы свойствами бумаги, — то есть в электронной бумаге! И вот тут я понял, что Gyricon, который я изобрел еще в начале 1970-х, может выступить кандидатом на роль электронной бумаги. Я занялся вопросами производства таких дисплеев и устранением некоторых ранних недостатков. В ту пору я работал один, не считая очень хорошего лаборанта, который был выделен мне в помощники».

Как устроена электронная бумага

Технология Gyricon, разработанная в 1970-х годах Ником Шеридоном в корпорации Xerox, — это тонкая пластинка гибкого пластика, внутри которой находятся полости, наполненные маслом. Внутри каждой полости свободно плавает пластиковая бусинка, одна полусфера которой окрашена в белый цвет и имеет, скажем, положительный заряд, а вторая полусфера — в черный цвет и несет отрицательный заряд. Если к задней плоскости, снабженной системой электродов, приложить электрическое напряжение, бусинки повернутся так, что из них сложится двухцветное изображение.

Другая технология, широко распространенная в настоящее время в мобильных устройствах для чтения, разработана компанией E Ink, основанной в 1997 году. Компания взяла за основу исследования электрофореза, начатые в Media Lab Массачусетского технологического института. Такая конструкция содержит миллионы крошечных микрокапсул диаметром примерно по 100 мкм. В каждой капсуле содержится прозрачная жидкость, в которой плавают положительно заряженные белые частицы и отрицательно заряженные черные. При подаче на прозрачные электроды напряжения частицы соответствующего цвета всплывают к верхушке микрокапсулы, так что для наблюдателя эта зона будет выглядеть как белая или черная точка. Яркость и разрешение «электронной бумаги», изготовленной на принципах электрофореза, оказались выше, чем у Gyricon, однако оба метода обеспечивают монохромное изображение. Для создания цветного дисплея компания E Ink объединила усилия с японской компанией Toppan Printing, которая занимается выпуском цветных фильтров. Основной недостаток электрофорезной бумаги — низкая скорость обновления рисунка. Поэтому такие дисплеи не подходят для демонстрации, скажем, видео: чтобы частицы переместились внутри микрокапсулы, требуется определенное время. Но зато при отсутствии электрического поля изображение сохраняется (как и в случае с Gyricon).

Абсолютно другой принцип положен в основу электронной бумаги такими компаниями, как IBM, Philips, HP и Fujitsu, — последние уже продемонстрировали публике готовые устройства. Это модифицированные холестерические жидкие кристаллы (ChLCD), стабилизированные добавлением полимерных цепочек. Они работают точно так же, как обычные жидкокристаллические дисплеи, но при выключении питания последнее изображение остается видимым. Этот принцип считается одним из фаворитов, так как ЖК-дисплеи производятся массово, а следовательно, технология эта дешевая и отработанная. Кроме того, дисплеи на основе ChLCD тонкие (0,8 мм), их можно не только скручивать, но даже и складывать, для поддержания картинки не требуется энергии вообще, а для ее смены энергия расходуется в минимальных количествах. Изображение цветное, имеет высокие яркость, контраст, разрешение, а скорость обновления может быть достаточно высока для воспроизведения анимации. Так что вполне вероятно, что в ближайшем будущем возможность увидеть «движущиеся картинки» в книге будет не только у героев книг Джоан Роулинг, но и у обычных людей.

Долгий путь

С момента изобретения «электронной бумаги» прошло уже 35 лет, однако изделия, использующие эту технологию, все еще не слишком распространены. «Пока ни одно из технических решений не приблизилось к идеалу, который представляет собой настоящая бумага, — считает Шеридон. — Дисплей должен быть тонким, гибким, сохранять изображение без потребления энергии, легко читаться при обычном освещении, иметь высокое разрешение, контраст и белизну подложки. Кроме того, он должен быть дешевым. Одна из основных проблем электронной бумаги, независимо от принципа и технологии самих дисплеев, — это система адресации и управления. Мне кажется, что наибольшие шансы завоевать свое место в тонких и гибких экранах на сегодняшний день имеются у органических тонкопленочных транзисторов (OTFT). В отличие от тонкопленочных транзисторов на базе традиционных неорганических полупроводников типа кремния, OTFT работают значительно медленнее, но в случае с электронной бумагой это не слишком существенно. Зато они дешевы, мало нагреваются и позволяют изготавливать гибкие дисплеи больших размеров. Так что эта технология выглядит наиболее привлекательно».

Над разработкой «электронной бумаги» работают сейчас больше десятка известных компаний, не считая множества более мелких. После того как корпорация Xerox закрыла направление по разработке дисплеев Gyricon в декабре 2005 года (по чисто финансовым причинам), Николас Шеридон ведет независимые разработки и консультирует другие компании: «Разумеется, мои усилия сейчас направлены именно на создание идеальной электронной бумаги. Для меня это выглядит как трубочка диаметром 1 см и длиной 15−20 см. Внутри находится «свиток», который легко разматывается через прорезь в трубке и расправляется в плоский прямоугольный лист, который удобно читать, — новости из интернета, книги из встроенной памяти. Так же легко лист сворачивается — просто нажимаете на кнопку. Стоить он должен меньше $100, и такая игрушка будет в кармане у каждого!»

Звучит как фантастика. Однако примерно так же звучало бы описание возможностей современного мобильного телефона лет десять назад…

По материалам интернет-журнала The Future Of Things, http://www.tfot.info/

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2008).