Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
E-papier (e-paper) to wyjątkowy typ wyświetlaczy elektronicznych, które imitują papier i pobierają energię tylko podczas zmiany treści.
Wyświetlacze takie pojawiają się coraz częściej w rozwiązaniach DIY, dlatego warto wiedzieć czym jest e-papier, jak działa i jaka jest jego historia.
Z tego artykułu dowiesz się, jak działają popularne wyświetlacze e-papierowe, które znane są z tego, że prąd pobierają tylko podczas zmiany wyświetlanej treści. Co więcej, nie męczą one oczu – stąd ich popularność np. w czytnikach e-booków. Technologia ta posiada oczywiście również pewne wady, które również są wymienione w tym wpisie.
Artykuł ma za zadanie przedstawić historię e-papieru i jego współczesne wykorzystanie, ale także zachęcić elektroników do stosowania w swoich konstrukcjach, także w urządzeniach z Arduino i ESP, dostępnych dziś bez problemu gotowych modułów wyświetlaczy e-papierowych.
Historię e-papieru należałoby zacząć od lat 70. Tak, mniej więcej 50 lat temu Nicholas K. Sheridon, pracujący w laboratoriach badawczych potężnej firmy Xerox (Xerox PARC) przedstawił decydentom tej firmy pomysł elektronicznego rysowania obrazów. Swą ideę nazwał Gyricon i uzyskał patent. Nazwa Gyricon pochodzi od greckich słów oznaczających obracający się obraz. Jednak tutaj obraca się nie cały obraz, tylko punkty go tworzące.
Fragment patentu Sheridona z roku 1976
Podstawą są tu maleńkie, naładowane elektrycznie kulki o średnicy od 0,03 do 0,1 mm, zabarwione z jednej strony na kolor biały, z drugiej na czarny. Są one zatopione w przezroczystej, miękkiej gumie silikonowej, nasączonej dodatkowo olejem, przez co każda kuleczka może się swobodnie obracać pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.
Można tak uzyskać stan „czarny” lub „biały”, ale możliwe jest też uzyskanie stopni szarości.
Co istotne, po odłączeniu zasilania (zaniku pola elektrycznego), obraz pozostaje niezmieniony. Treść obrazu może być zmieniana za pomocą pola elektrycznego miliony razy, a rozdzielczość stworzonych modeli to ponad 200 punktów na cal, co jest wartością bardzo dobrą.
Gyricon w praktyce
Obraz można zmieniać elektrostatycznie wytwarzając lokalnie pole elektryczne czy to za pomocą spolaryzowanego napięciem rysika, czy podobnie jak w kserokopiarkach i drukarkach laserowych (zainteresowanym polecamy artykuł o tym jak działa drukarka laserowa).
Jednak powyższy rysunek z patentu N. Sheridona pokazuje, że już wtedy przewidział on realizację wyświetlacza matrycowego, zawierającego matrycę (przezroczystych) elektrod w formie pasków z których jedne byłyby umieszczone nad warstwą czynną, a paski prostopadłe – pod warstwą czynną. Niestety, w latach 70. potrafiono wprawdzie wytwarzać matryce przewodzących, przezroczystych elektrod, ale nie potrafiono jeszcze w sensowny sposób zrealizować zestawu mnóstwa potrzebnych do tego tranzystorów sterujących.
Wydaje się, że pierwszymi elementami czynnymi, czyli wzmacniającymi, były lampy elektronowe, które zastąpiono tranzystorami. Prawda jest jednak... Czytaj dalej »
Co ważne, w połowie lat 70. uwaga kierownictwa koncernu Xerox była skierowana na drukowanie na klasycznym papierze, więc tego pomysłu nie rozwijano. Xerox powrócił do tej idei po piętnastu latach, ale skończyło się na tablicach informacyjnych i reklamowych, a nie na wyświetlaczach. Gyricon był, a być może nadal jest wykorzystany do budowy wielkoformatowych tablic i znaków, których zawartość obrazu można okresowo zmieniać.
Gyricon nie stał się jednak podstawą nurtu dobrze znanych dziś wyświetlaczy e-papierowych.
Można powiedzieć, że historia współczesnych wyświetlaczy e-papierowych zaczęła się dwadzieścia lat po wynalazku Sheridona. W połowie lat 90. na słynnej uczelni MIT (ang. Massachusetts Institute of Technology). Badania profesora Joe Jacobsona oraz jego studentów (Jonathana Alberta i Barretta Comiskey’a) dały interesujące rezultaty.
W 1997 powstał pierwszy prototyp, uzyskano kilka patentów i z udziałem Russa Wilcoxa założono firmę E-Ink, której udziałowcami stało się kilka potężnych koncernów.
Mówimy o e-papierze, a pojawia się określenie e-ink (elektroniczny atrament), ale głównie jako nazwa firmy – firmy, która do dziś ma wiodącą pozycję w dziedzinie e-papieru. Pod koniec listopada 2000 r. jeden z szefów firmy poinformował o osiągnięciu przełomu w pracach nad elektronicznym papierem i zademonstrował prototyp.
Prototyp e-papieru firmy E-ink
Pierwotna technologia elektronicznego atramentu (e-ink) opiera się na warstewce mikrogranulek o średnicy rzędu 0,1 mm, zawierających ciemną ciecz z jasnym pigmentem w środku (biel tytanową). Jeśli pojawi się pole elektryczne odpowiedniej biegunowości, biały pigment tytanowy przesunie się na „górną” stronę granulek, tworząc jasną powierzchnię. Pole elektryczne o przeciwnej biegunowości przesunie pigment na „dolną” stronę, a wtedy patrzący „z góry” obserwator zobaczy ciemny płyn.
Schemat działania e-papieru
Należy podkreślić, że w przeciwieństwie do Gyricona, tu kulki się nie obracają – pod wpływem pola elektrycznego wewnątrz nich przemieszcza się tylko biały pigment. Ogólną zasadę działania e-atramentu pracującego na zasadzie elektroforezy (anaforezy i kataforezy) pokazuje kolejny rysunek, pokazujący odwzorowanie szarości.
Wyświetlanie koloru białego, szarego i czarnego
Opracowanie opisanego e-atramentu to co najwyżej połowa drogi do wyświetlaczy e-papierowych. Trzeba jeszcze opracować jakiś prosty sposób sterowania jasnością poszczególnych punktów arkusza, by na drodze elektronicznej można było zmieniać treść strony.
Podanie odpowiednich napięć na przezroczyste elektrody zmieni kolor poszczególnych punktów, do czego potrzebne jest wiele tranzystorów. Wykonanie praktycznie użytecznego wyświetlacza e-papierowego jest trudniejsze, niż wyświetlacza LCD, gdzie podłoże jest wykonane ze szkła i na powierzchni tego szkła można wykonać tranzystory krzemowe (np. z krzemu amorficznego).
Z e-papierem jest inaczej, bo podłoże powinno być elastyczne, a wtedy ujawnia się kłopot z wykonaniem „giętkich tranzystorów”. To był jeden z czynników opóźniających upowszechnienie wyświetlaczy e-papierowych.
Wybiórcze dołączenie pola elektrycznego do poszczególnych obszarów pozwoli uczynić wybrane fragmenty powierzchni jasnymi, a inne ciemnymi. Co bardzo ważne, jednorazowe przyłożenie pola elektrycznego powoduje trwałe ustawienie pigmentu. Po zaniku pola utworzony obraz będzie się utrzymywał dowolnie długo. Zmiana nastąpi dopiero po ponownym dołączeniu dość silnego pola elektrycznego. Fotografia poniżej pokazuje powiększony fragment ekranu czytnika Kindle 3.
Zbliżenie na wyświetlacz czytnika e-booków
Taki wyświetlacz w spoczynku nie pobiera prądu. Niewielka ilość energii potrzebna jest jedynie podczas zmiany wyświetlanej treści. Wytworzony obraz pozostanie niezmieniony także po wyłączeniu zasilania. Oznacza to, że taki wyświetlacz nie musi być zasilany ciągle.
Zasilanie jest potrzebne tylko w czasie, gdy następuje zmiana zawartości strony.
W międzyczasie także inne firmy oraz ośrodki badawcze prowadziły i prowadzą prace nad e-atramentami i e-papierem. Przedstawiono też inne koncepcje, między innymi Philips już w roku 2003 przedstawił propozycję szybkiego wyświetlacza opartego na technologii elektrozwilżania (electrowetting). Podstawą jest zachowanie maleńkich kropelek oleju umieszczonych między wodą a hydrofobowym (odpychającym wodę) podłożem.
Komórka wyświetlacza umieszczona jest na białym podłożu. W spoczynku zabarwiony olej rozlewa się równomiernie po powierzchni elektrody i całkowicie zasłania białe podłoże. Komórka jest ciemna. Włączenie napięcia stałego pomiędzy elektrodę a wodę powoduje zmianę zwilżalności i kropelka oleju stara się przybrać kształt zbliżony do kuli. Oznacza to, że komórka staje się w dużej części przezroczysta i odsłania większą część białego podłoża – piksel obrazu staje się jasny.
Działanie wyświetlacza wykorzystującego electrowetting
W tym przypadku można łatwo uzyskać różne odcienie pośrednie. Występują one przy pośrednich wartościach przyłożonego napięcia sterującego – zależnie od napięcia ciemny olej odsłania mniejszy lub większy fragment białego podłoża. Po zaniku napięcia sterującego układ szybko wraca do „ciemnego” stanu wyjściowego.
Powyżej przedstawione są trzy wczesne koncepcję e-atramentu i e-papieru. We wszystkich występują podobne problemy i ograniczenia. Przede wszystkim obraz jest monochromatyczny, ale niekoniecznie czarno-biały, bowiem drugim kolorem może być dowolny. Ogólnie biorąc, dziś dominuje technologia e-papieru oparta na wynalazkach z MIT, wykorzystywana w różnych wyświetlaczach firmy E-Ink. Podstawą jest przemieszczanie pigmentu wewnątrz kapsułek z cieczą.
Jest udoskonalana już ponad 20 lat i trzeba przyznać, że wyświetlacze monochromatyczne, głównie dwukolorowe czarno-białe, dają dobry efekt w postaci czytelnego, dość kontrastowego obrazu, o czym przekonujemy się w większości czytników e-booków. Gorzej jest z wersjami kolorowymi, chociaż i na tym polu w ostatnich latach obserwujemy zauważalne postępy.
Z kilku powodów bardzo trudno jest zrealizować wyświetlacz pełnokolorowy. Rysunki poniżej pochodzą ze strony producenta – firmy E-Ink i przedstawiają kolejne wersje wyświetlaczy e-papierowych, w tym pełnokolorowych. Wszystkie bazują na pierwotnym pomyśle kolorowego pigmentu, który wskutek zjawiska elektroforezy pod wpływem pola elektrycznego przemieszcza się w kapsułce z cieczą.
Inna technologia wyświetlaczy kolorowych firmy Eink
Sprytne sposoby sterowania pozwalają uzyskać także wyświetlacze wielokolorowe. Wielokolorowe nie znaczy, że pełnokolorowe, czyli potrafiące wyświetlić (prawie) wszystkie kolory i odcienie. Tu należy podkreślić, że klasyczne wyświetlacze i monitory mają punkty ekranu świecące w kolorach RGB (ang. Red, Green, Blue), co przez dobranie jasności poszczególnych składowych pozwala odwzorować prawie wszystkie kolory i odcienie.
To jest tak zwany model addytywny, polegający na dodawaniu składników światła o poszczególnych kolorach podstawowych.
Inaczej jest w klasycznym druku na papierze. Nie wykorzystuje się metody addytywnej, tylko subtraktywną, polegającą na odejmowaniu od mieszanki, od światła białego, składowych o barwach podstawowych, ale nie RGB. W druku wykorzystuje się farby w trzech innych kolorach podstawowych: CMY (Cyjan, Magenta, Yellow), a do tego obowiązkowo także kolor czarny (blacK), stąd skrót CMYK. W przypadku e-papieru też należałoby wykorzystać sposób subtraktywny i kolory CMYK. I podejmowane są próby realizacji tego rodzaju wyświetlaczy.
Przykład działania kolorowego wyświetlacza CMYK firmy Eink
Najkrócej mówiąc, próby są, ale niestety jak na razie nie ma jeszcze sposobu na zbudowanie wyświetlaczy CMYK o parametrach porównywalnych z klasycznym drukiem na papierze. W ostatnich latach obserwujemy jednak coraz więcej wyświetlaczy, które mogą zaoferować więcej kolorów.
Przykład kolorowego wyświetlacza firmy E-ink, obraz wyświetlany jest nawet po odłączeniu zasilania
E-papier ma ogromne zalety. Można powiedzieć, że jest to rodzaj wyświetlacza, ale e-papier nie świeci. Jest to ekran, wykorzystujący światło odbite. To istotna zaleta. Natomiast klasyczne wyświetlacze LCD i OLED zawierają mnóstwo świecących punkcików. Dlatego wyświetlacz, czy może raczej ekran e-papierowy potrzebuje nieporównanie mniej energii.
Mała ilość energii jest potrzebna tylko do zmiany zawartości. Dlatego też czytniki e-booków nie wymagają częstego ładowania.
W wyświetlaczach e-papierowych nie ma problemu kąta patrzenia – są czytelne w szerokim zakresie nachylenia. Długotrwałe korzystanie z ekranu e-papierowego, który wykorzystuje odbicie światła, jest zdecydowanie przyjemniejsze dla człowieka, niż korzystanie z klasycznych świecących ekranów różnego typu, co może potwierdzić mnóstwo osób. Nieprzypadkowo tak wiele osób wykorzystuje czytniki e-booków, a nie pod wieloma względami atrakcyjniejsze klasyczne świecące wyświetlacze RGB.
Wyświetlacze tego rodzaju są wprawdzie bardzo energooszczędne, ale niestety są też powolne z uwagi na wykorzystywany mechanizm zmian (elektroforeza czy elektrozwilżanie). Jak na razie nie ma mowy o na tyle dobrych e-papierowych ekranach, żeby mogły one wyświetlać filmy.
Nadal jedną z głównych wad większości ekranów e-papierowych jest mały kontrast, znacząco mniejszy, niż w przypadku klasycznego zadrukowanego papieru.
Ograniczona jest możliwa do zobrazowania liczba pośrednich stopni szarości. I co istotne, dostępność kolorowych wyświetlaczy jest ograniczona, a modele te są droższe od standardowych wyświetlaczy.
Od ponad 20 lat wyświetlacze e-papierowe są stosowane w roli większych i mniejszych tablic informacyjnych i tablic reklamowych. Mogą to być wyświetlacze monochromatyczne, trzy- lub kilkukolorowe, a ostatnio nawet pełnokolorowe.
Często takich wyświetlaczy e-papierowych po prostu nie zauważamy, sądząc, że to zwykły papier. Jest też sporo małych wyświetlaczy pokazujących rzadko zmieniane informacje, np. w supermarketach. Oszczędne wyświetlacze e-papierowe próbowano stosować w przenośnym sprzęcie, m.in. w telefonach (np. Motorola FONE F3).
Przykładowa informacja o cenie produktu, która wyświetlana jest na ekranie e-papierowym
Dla przeciętnego odbiorcy większe znaczenie ma fakt, że wyświetlacze e-papierowe są powszechnie wykorzystywane w czytnikach e-booków. Przede wszystkim są to wyświetlacze monochromatyczne, które oprócz koloru białego i czarnego (ciemnego), mogą wyświetlić tylko kilka a najwyżej kilkadziesiąt poziomów szarości. Oczywiście, pojawiają się również już czytniki, które mają więcej kolorów – nie są one jednak aktualnie najpopularniejsze.
Kindle to jeden z produktów, który sprawił, że ekrany e-papierowe znalazły się w milionach domów
Takie wyświetlacze stosowane są powszechnie w przytłaczającej większości współczesnych czytników. Trzeba jednak podkreślić, że pojawiają się też kolejne czytniki z ekranami kolorowymi. Ze względów wspomnianych wcześniej występują ogromne kłopoty techniczne z realizacją kolorowych wyświetlaczy o dużym kontraście i o czystych kolorach z szerokiego zakresu.
Dostępnym obecnie (pełno)kolorowym wyświetlaczom daleko jeszcze do jakości druku na klasycznym papierze. Niemniej na pewno sytuacja będzie się poprawiać.
Dla elektroników i hobbystów ważne jest, że od dość dawna dostępne są wyświetlacze „trzykolorowe”. Przykład poniżej to moduł wyświetlacza Waveshare, który obsługuje kolor biały, czarny i czerwony.
Warto pamiętać, że wyświetlacze, a właściwie ekrany e-papierowe nie wytwarzają światła, tylko selektywnie odbijają światło, co zresztą jest ich istotną zaletą, a nie wadą. Kluczową zaletą jest też małe zużycie energii, która jest potrzebna tylko do zmiany zawartości ekranu.
Sprawdź się! Quiz: wyświetlacze e-papierowe »
Dla elektroników hobbystów istotna jest informacja, że mogą oni wykorzystywać energooszczędne wyświetlacze e-papierowe w swoich konstrukcjach. Wprawdzie wykorzystanie ekranów odzyskanych z czytników e-book nie jest takie łatwe, ale dostępne są mniejsze, niedrogie moduły wyświetlaczy lub gotowe płytki np. z ESP32 i wyświetlaczem w jednym.
Piotr Górecki
Elektromagnes wytwarza pole magnetyczne, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny. Ma to wiele praktycznych zastosowań, np. w zamkach czy... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
e-papier, elektronika, jtd, wyświetlacz
Dołącz do 30 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...