Technikalia

E-papier

E-książki można czytać na komputerach, smartfonach, tabletach, odtwarzaczach multimedialnych i innych podobnych urządzeniach, jednakowoż zastosowana w nich technologia wyświetlania ma pewne wady. Obecnie stosowane popularne ekrany LCD działają dzięki światłu emitowanemu i wymagają ciągłego odświeżania przez co mogą być męczące dla oczu. Zużywają też dużo energii potrzebnej by podświetlać, zmieniać i podtrzymywać obraz. 
W związku z rozwojem e-czytelnictwa zaczęto produkować rozwiązania przeznaczone specjalnie do tego celu. 
Ekrany e-papierowe pod wieloma względami przypominają zwyczajny papier. Działają dzięki światłu odbitemu od powierzchni, a nie przez nią emitowanemu i mają kontrast zbliżony do tradycyjnego druku, dzięki czemu są przyjazne dla oczu. Nie wymagają ciągłego odświeżania a obraz pozostaje stabilny nawet po odłączeniu zasilania, pobierają moc tylko przy zmienianiu zawartości, więc zużywają niewiele energii. Ponadto treść pozostaje czytelna nawet pod dużymi kątami i w jaskrawym świetle słońca. Wspomniane niewielkie zużycie energii pozwala wykorzystywać te wyświetlacze w wielu nowych miejscach, na przykład na pendrive'ach, lub akumulatorach. Jeżeli chodzi o wady należy wymienić niewielką szybkość odświeżania uniemożliwiającą wyświetlanie filmów, animacji itp. oraz fakt iż większość modeli dostępnych na rynku jest czarno-biała.
Wszystkie wyżej wymienione cechy wynikają wprost z ich budowy i zasady działania opisanych poniżej.

Zasada działania

Istnieje kilka typów ekranów e-papierowych poniżej zamieszczę opisy najważniejszych z nich:

Gyricon

Jest to historycznie pierwsza technologia papieru elektronicznego. 
Ekrany tego typu składają się z przezroczystego arkusza silikonu, w którym w niewielkich pęcherzykach wypełnionych olejem (by mogły się swobodnie obracać), znajdują się maleńkie sfery. Każda taka sfera składa się z dwóch połówek o różnych kolorach (np. czarny i biały, czerwony i biały etc.) i przeciwnych ładunkach elektrycznych. Polaryzacja napięcia przyłożonego na zewnętrznych elektrodach decyduje o tym, który kolor znajdzie się po widocznej stronie ekranu. 
Obecnie ta technologia pozostaje bez większego znaczenia.

E-ink

Te ekrany produkowane przez E-ink corporation są obecnie wykorzystywane w większości czytników, np. Kindle od Amazonu. 
Obecne linie tych wyświetlaczy to: E-ink Viziplex, E-ink Pearl i E-ink Triton. Viziplexy są obecnie powoli wycofywane z użytku i właściwie nie spotyka się ich w lepszych czytnikach, choć istnieją plany wykorzystania ich w tanim czytniku Txtr Beagle. Pearle z kolei są jednymi z najpopularniejszych wyświetlaczy stosowanych w e-czytnikach, m.in. Kindle 3 i 4 generacji. Mają poprawiony względem poprzednika kontrast (o 20%) i szybkość odświeżania. Ostatni z wymienionych typów natomiast jest jednym z niewielu ekranów e-papierowych zdolnych wyświetlać kolory, choć niestety są one ciemne i słabo nasycone. Jak dotąd zastosowano go tylko w jednym czytniku - Ectaco JetBook Color. 
Ekrany E-ink składają się ze specjalnego tuszu, którym pokrywa się obwód sterujący. W owym tuszu znajdują się miliony mikrokapsułek wypełnionych płynem. W płynie unoszą się naładowane dodatnio białe cząsteczki i czarne naładowane ujemnie. Pole elektryczne wytwarzane przez obwód sterujący powoduje ruch drobin o przeciwnych ładunkach w różne strony. Rozdzielając mieszaninę w ten sposób można sterować barwą uzyskując różne odcienie szarości. W wersji kolorowej dodano na wierzchu dodatkową warstwę filtrów dzielących każdy piksle na cztery subpiksele (biały, czerwony, zielony i niebieski) o różnych kolorach. Wykorzystując zasady mieszania barw można uzyskać ponad 4000 kolorów. 
Elektroniczny tusz można nałożyć właściwie na dowolną powierzchnię (szkło, plastik, papier, tkaninę), dzięki czemu można produkować elastyczne ekrany, a więc i całe urządzenia, co jest niemożliwe w przypadku matryc LCD.

E-papier Jacobsona

Działa na podobnej zasadzie jak e-ink, ale w kapsułkach zamiast przezroczystego płynu i dwóch rodzajów barwnika, mamy kolorowy olej i białe naładowane cząsteczki. W normalnych warunkach białe cząsteczki wypływają na powierzchnię i zasłaniają kolorowy olej, jednak po przyłożeniu napięcia opadają na dno. Ten rodzaj ekranu cechuje się niską odpornością na wstrząsy mechaniczne. Ekrany wykonane zarówno w tej technologii jak i w technologii e-ink to tak zwane ekrany elektroforetyczne wykorzystujące pole elektryczne do rozdzielania mieszaniny drobin barwnika. 
Twórca tej technologii, Joseph Jacobson współtworzył E-ink Corporation.

Mirasol

Wyświetlacze tego typu nosząceo techniczną nazwę IMOD (interferometric modulator displays) działają na odmiennej zasadzie niż wyżej wymienione i tak naprawdę nie zaliczają się do e-papieru mogę się też różnić niektórymi cechami. Opiszę je jednak tutaj ze względu na spore podobieństwa i możliwość podobnego zastosowania. 
Najprościej rzecz ujmując ekran składa się z niewielkich lusterek zdolnych odbijać tylko jeden kolor w stanie "włączonym", lub wygaszających całe padające światło w stanie "wyłączonym". Na każdy piksel przypada wiele takich lusterek co umożliwia regulację jasności (pojedyncze lusterko nie umożliwia regulacji natężenia odbijanego światła), w odmianie kolorowej piksel podzielony jest na trzy subpiksele zbudowane z lusterek odbijających różne kolory. 
Jednak jak naprawdę działają owe lusterka? Otóż tak naprawdę składają się one z dwóch warstw. Światła częściowo odbija się od pierwszej, a częściowo przechodzi dalej i odbija się od drugiej. W wyniku tego pomiędzy dwoma częściami fali pojawia się różnica faz powodująca w zależności od szerokości szczeliny interferencję konstruktywną jednej częstotliwości (koloru) i destruktywną wszystkich innych, dzięki czemu jedna barwa ulega wzmocnieniu w stosunku do reszty. Tak wygląda sytuacja w stanie "włączonym". W stanie wyłączonym dolna błona pod wpływem pola elektrycznego zapada się przenosząc maksimum interferencji konstruktywnej do pasma ultrafioletowego, niewidzialnego dla człowieka. 
Obecnie zaprzestano produkcji tych wyświetlaczy, ale warto o nich pamiętać gdyż umożliwiając wyświetlanie ruchomego obrazu, mają szansę zastąpić ekrany LCD.

Podświetlenie do ekranów e-papierowych

W nowym czytniku Kindle Paperwhite wprowadzono wbudowane podświetlenie ekranu. W kilku słowach postanowiłem scharakteryzować technologię za nim stojącą, gdyż znacząco różni się podświetlenia w ekranach LCD (poniżej) i jest znacznie bardziej energooszczędna a jednocześnie umożliwia czytanie w ciemności i nadaje ekranowi przyjemny biały kolor. 
Zasada jest prosta, w jednej z krawędzi zamontowane są diody. Światło przez nie emitowane jest następnie równomiernie rozprowadzane po ekranie dzięki specjalnej warstwie z mikrosiateczką zagęszczającą się wraz ze wzrostem odległości od diod.

LCD

Obecnie ekrany ciekłokrystaliczne opanowały tablety, telefony komórkowe, komputery, odtwarzacze multimedialne itd. Przez pewien czas próbowały się również wedrzeć się do e-czytników. Postanowiłem opisać tą technologię ponieważ typowy czytnik w ekranem e-papierowym nie zawsze jest najlepszym rozwiązaniem i z niektórych publikacji po prostu wygodniej jest korzystać na tabletach.

Zasada Działania

Ekran LCD ma dosyć złożoną budowę, ponadto by omówić jego działanie trzeba wprowadzić pojęcie ciekłych kryształów. Tak więc bez zbędnego lania wody przejdźmy dalej.

Ciekłe kryształy

Ciało stałe o budowie krystalicznej ma regularną strukturę, wszystkie budujące ją cząstki nie wykonuj ruchu postępowego i mogą jedynie oscylować wokół położenia równowagi. W cieczy natomiast cząsteczki mogą się swobodnie poruszać i obracać. Typowy ciekły kryształ jest fazą pośrednią pomiędzy stanem stałym a ciekłym, występującą zwykle w przypadku substancji, których cząsteczki mają podłużny bądź spłaszczony kształt. Cząsteczki w tym stanie najprościej mówiąc mogą się poruszać ale nie mogą obracać. Z punktu widzenia wyświetlaczy najbardziej interesują nas ciekłe kryształy w tak zwanej fazie nematycznej,tj. gdy wszystkie cząsteczki są ustawione równolegle.

Budowa wyświetlacza

Typowy ekran LCD składa się patrząc od tylnej jego części z: panelu LED emitującego światło, polaryzatora, przezroczystej elektrody, warstwy ciekłych kryształów w fazie nematycznej, drugiej elektrody, i polaryzatora obróconego względem poprzedniego. Światło emitowane przez diody zostaje spolaryzowane i po przejściu przez elektrody i ciekły kryształ zostaje pochłonięte przez drugi polaryzator. Jednak przykładając napięcie na elektrodach, dzięki ciekłym kryształom można wymusić obrót polaryzacji światła. O im większy kąt zostanie obrócona polaryzacja, tym więcej światła przejdzie przez drugi polaryzator, co umożliwia regulację natężenia światła. W ekranach kolorowych każdy piksel składa się z trzech oddzielnych subpikseli w różnych kolorach, z osobno regulowaną jasnością dla każdego.

Źródła:

• www.wikipedia.pl 
• www.wikipedia.en 
• www.eink.com 
• www.qualcomm.com

Grafiki:

• www.eink.com
• www.wikipedia.pl
• www.robaid.com
• www.qualcomm.com

Niniejszym autor zaznacza iż nie gwarantuje poprawności treści tu zawartych i nie ponosi odpowiedzialności za szkody spowodowane ewentualnymi błędami w powyższym tekście.