Akademia Morska

Katedra Elektroniki Morskiej

Optoelektronika

Wykonał student: Wojciech Sirocki, Piotr Stefański

Gdynia 2009r

E-papier

Być może za pięć lat wystarczy jedna książka w domu. Po podłączeniu jej specjalnym złączem do domowego komputera, w ciągu kilku minut pojawia się w niej treści i ilustrację. Po podłączeniu i przeczytaniu książki zostanie niejako skasowana, wyczyszczona, i w ciągu kilku minut zaprogramowana jako zupełnie inne pozycja. Dla osób starszych książka ,,wyświetlona’’ zostanie większa czcionką, natomiast dla młodszych mniejsza…

Podobnie może być z czasopismami…

Cala zawartość domowej biblioteczki możemy mieć nie w jednej książce lecz na jednej stronie !

Taka elektroniczna książka czy czasopismo było by rodzajem ekranu czy wyświetlacza, wyposażonego w pamięć i układy sterujące. Różnica w stosunku do ekranów komputerowych polegałaby na tym, że obraz tu nie musi być ruchomy. Załadowana treść pozostała by na min przez dłuższy czas. Oczywiście nie będzie trzeba przechowywać w domowym komputerze niezbędnych danych-tekst oraz ilustracje potrzebnej książki lub czasopisma zostaną ściągnięte z Internetu. Kupować się wiec będzie nie sama książkę, tylko jej treść i wtedy faktycznie wystarczy w domu jedna strona…

Wizja wielokrotnie propagowanej elektronicznej książki(e-book)nie jest wcale tak odległa jak by się mogło wydawać. Od pewnego czasu prezentowane są wyświetlacze które mogłyby pełnić tak funkcje. Niektóre, a właściwie większość z nich to klasyczne wyświetlacze oparte na ciekłych kryształach (LCD).W roku 2000 jeden z szefów E-Ink Paul Drzaic poinformował o osiągniętym przełomie w pracach nad elektronicznym papierem.

Historia tego wynalazku zaczęła się w połowie lat dziewięćdziesiątych w MIT (Massachusetts Institute of Technology). Obiecujące badania profesora Joe Jacobsona oraz studentów Jonathana Alberta i Berretta Comiskeysa w dziedzinie nowego rodzaju wyświetlaczy dały silne podstawy oczekiwaniom komercyjnego sukcesu w tej dziedzinie. W 1997 powstał pierwszy prototyp, uzyskano kilka patentów i z udziałem Russa Wilcoxa założono firmę E-Ink, której udziałowcami stało się kilku potężnych koncernów i firm, miedzy innymi Motorola. Wtedy koncentrowano się głównie na technologii, nazywanym elektronicznym atramentem. W roku 1999 firmy E-Ink i Lucent podjęły współprace w zakresie stworzenia użytecznego e-papieru z wykorzystaniem plastikowych tranzystorów opracowanych właśnie w Laboratorium Bella Labs. Dopiero połączenie elektronicznego atramentu i plastikowych tranzystorów zwiastuje wielki przełom. Prawdziwie elektroniczny papier może faktycznie wywołać niewyobrażalna rewolucje i spowodować przemiany na miarę wynalazku Gutenberga. Aby poznać zasadę działania e-papieru warto przyjrzeć się bliżej jego poszczególnym elementom.

e-ink(e-atrament)

Technologie elektronicznego atramentu bazuje na warstewce mikrokapsułek o średnicy rzędu 0,1mm, zawierających w swym wnętrzu jasny pigment(biały proszek) fot.3.Najogólniej biorąc , e-atrament to masa zawierająca miliony takich mikrokapsułek. Cieniutką warstwę tej masy można nanosić na niemal dowolne podłoże metodami zbliżonymi do drukarskich. Jeśli później pojawi się pole elektryczne odpowiedniej biegunowości , biały pigment tytanowy przesunie się na górną stronę granulki , tworząc jasna powierzchnie. Pole elektryczne o przeciwnej biegunowości przesunie pigment na dolna stronę kapsułek, a wtedy z góry obserwator zobaczy ciemny płyn. Należy podkreślić ze kulki się nie obracają-pod wpływem pola elektrycznego wewnątrz nich przemieszcza się tylko biały pigment. Ogólna zasadę e-atramentu pracującego na zasadzie elektrofazy pokazuje uproszczony przekrój z fot.3 (obserwator patrzy na granulki od górnej strony rysunku)

fot.3

Wybiórcze dołączenie pola elektrycznego do poszczególnych obszarów pozwoli uczynić wybrane fragmenty powierzchni jasnymi inne ciemnymi tak jak przedstawia to rys.1

Co bardzo ważne, jednorazowe przyłożenie pola elektrycznego powoduje trwale ustawienie pigmentu. Po zaniku pola utworzony obraz będzie się utrzymywał dowolnie długo. Zmiana nastąpi dopiero po ponownym dołączeniu dość silnego pola elektrycznego.

Opracowanie e-atramentu to dopiero początek drogi do nowoczesnego e-papieru. Nanoszenie obrazu przez poddawaniu arkusza wybiorczemu działaniu zewnętrznego pola elektrycznego nie jest wygodne. Aby zwielokrotnić atrakcyjność wynalazku, trzeba było opracować jakiś prosty sposób sterowania jasnością poszczególnych punktów arkusza, by na drodze elektronicznej można było zmieścić treść strony. Inaczej mówiąc , chodziło o skonstruowanie nowego typy wyświetlacza. Generalna idea jest oczywista: zamiast wykorzystywać zewnętrzne pole elektryczne, pole będzie trzeba wytworzyć ,,na miejscu’’. Uzyska się to, umieszczając aktywne mikrokapsułki miedzy elektrodami, do których będzie przykładana napięcie o odpowiedniej biegunowości i wartości. Generalna ideę można zobaczyć na uproszczonym przekroju, pokazanym na rysunku 1

rys.1

Z jednej strony warstewki czynnej zostanie nałożona przezroczysta warstwa przewodząca, tworząca jedna elektrodę, wspólna dla wszystkich mikrokapsułek. Z drugiej strony, od podłoża Male elektrody punktowe, które pozwalają sterować stanem poszczególnych mikrokapsułek. Podanie odpowiednich napięć na poszczególne małe elektrody zmienia kolor poszczególnych punktów. Choć ogólna idea jest prosta, praktyczne wykonanie sieci elektrod i układów sterujących wcale nie jest łatwe. Sytuacja jest tu podobna, jak w matrycach wyświetlaczy ciepłokrystalicznych (LCD), gdzie do skutecznego sterowania pracą każdego punktu ekrany potrzebny jest przynajmniej jeden tranzystor. W przypadku ekranów LCD sprawa jest prostsza, ponieważ podłoże wykonane jest ze szkła i na powierzchni tego szkła można wykonać tranzystory krzemowe(np. z krzemu amorficznego). Z e-papierem jest inaczej. Z założenia podłoże powinno być elastyczne. Choć podłożem nie musi być papier celulozowy, wytworzenie krzemowego tranzystora sterującego poszczególnymi punktami tego wyświetlacza na jakimkolwiek elastycznym tworzywie sztucznym jest niezmiernie trudne wręcz nierealne. Tymczasem tranzystorowe sterowanie wyświetlaczem jest wręcz nie możliwe. I właśnie tu rozwiązaniem okazały się ,,drukowane plastikowe tranzystory ’’opracowane w Bella Labs.

Myślący plastik…

Naukowcy znają wiele różnych materiałów półprzewodnikowych, które teoretycznie mogłyby być wykorzystane do produkcji tranzystorów. Choć może się to wydawać dziwne, nadają się do tego niektóre tworzywa sztuczne. Półprzewodniki takie oparte są na węglu, a nie krzemie czy germanie.

Badania nad polimerami i polimerowymi tranzystorami prowadzone są od dość dawna. Możliwe jest wytworzenie plastikowych półprzewodników typy N i typu P. Wielką przeszkoda do wytworzenia pierwszych plastikowych tranzystorów okazała się mała ruchliwość nośników(elektronów i dziur). Ruchliwość ta jest znikoma nie tylko w porównaniu ze zwykłymi tranzystorami z krystalicznego krzemu. Jest dużo gorsza, niż najgorszych tranzystorach z krzemu amorficznego.

Problem polegał na znalezieniu a raczej wytworzeniu tworzywa sztucznego, charakteryzującego się ruchliwości nośników, porównywalna przynajmniej do tranzystorów z krzemu amorficznego wytwarzanych na podłożu szklanym.

Intensywne badania i eksperymenty w Bella Labs doprowadziły do wykonania użytecznych tranzystorów już w roku 2001. Krzemowe tranzystory produkuje się w komorach próżniowych z wykorzystaniem kosztownych metod takich jak litografia, trawienie i nanoszenie warstw.

Nowo opracowane tranzystory wytwarzane są za pomocą precyzyjnych stempli gumowych metoda podobna nieco do sitodruku. Pamięci zbudowane z nich będą miały pojemność rzędu kilobajtów a nie megabajtów. Także szybkość przełączania jest mniejsza i trzeba wyrażać w kilohercach, a nie w megahercach. Nie są to więc elementy mogące wyprzeć tranzystory krzemowe. Nie chodzi tu jednak o zastąpienie krzemowych półprzewodników, tylko ich uzupełnienie wyjście poza granice, stawiane dziś przez podobna technologie wytwarzająca krzem amorficzny na szkle.

Jedną najważniejsza zaleta takich tranzystorów jest stosunkowo prosty sposób produkcji, podobny do sitodruku. Drugą kluczowa cecha jest elastyczność i możliwość wytworzenia tranzystorowych struktur na podobnym elastycznym podłożu. Plastikowe tranzystory i układy scalone znajdą szerokie zastosowanie w nowych generacjach kart kredytowych, zabawek, biletów, przepustek, etykiet informacyjnych, wyświetlaczy i innych urządzeń. Możliwości są niemal nieograniczone, a istotną zaletą będzie niski koszt wytwarzania, wynikający z prostej ,,gumowej’’ technologii produkcji.

e-papier

Właśnie drukowane plastikowe tranzystory w połączeniu z e-atramentem otwierają drogę do stworzenia e-papieru, czyli mówiąc inaczej, zupełnie nowych wyświetlaczy. Pierwsze, niebiesko-białe arkusze e-papieru, z serii zwanej Immedia, firma E-Ink zaprezentowała prawie pięć lat temu. Wiele uwagi poświęcono wyświetlaczom, wykonanych w sieci sklepów jako zdalne aktualizowane plansze informacyjne .

Paul Drzaic szef firmy E-Ink zaprezentował elastyczny wyświetlacz, pokazany na fotografii 4

fot.4

Zaprezentowany prototyp jest e-atramentowym wyświetlaczem z aktywna matrycą z plastikowych tranzystorów drukowanych na plastikowym podłożu za pomocą precyzyjnych gumowych stempli. Jak widać, rozdzielczość prezentowanego arkusza e-papieru jest śmiesznie mała. Wyświetlacz jest wprawdzie dość duży, zawiera tylko kilkaset punktów. Rzeczywiście , nowe wyświetlacze mają bardzo istotne zalety. Są bardzo lekkie, cienkie i elastyczne. Grubość nie przekracza 1mm, co jest ogromnym krokiem naprzód w stosunku do wyświetlaczy LCD, które są wielokrotnie grubsze i cięższe. E-papier w spoczynku nie pobiera prądu. Niewielka ilość energii potrzebna jest jedynie do zmiany wyświetlanej treści. Wytworzony obraz będzie utrzymywał długi czas. Pozostanie niezmieniony także po wyłączeniu zasilania. Oznacza to, że taki wyświetlacz nie musi być ciągle zasilany, a tylko w czasie gdy następuje zmiana zawartości strony.

Uzyskiwany kontrast (10:1) jest nawet lepszy, niż w przypadku klasycznego druku na papierze (8:1).W przeciwieństwie do większości wyświetlaczy LCD, e-papier nie wymaga podświetlania i jest bardzo dobrze czytelny zarówno w silnym, jaki słabym świetle. Kąt widzenia jest bardzo szeroki, taki jak zwykłego papieru. Nie jest problemem uzyskanie dużych napisów czy znaków lecz uzyskanie dobrej rozdzielczości, niż dzisiejszych LCD ale jest to jedynie kwestia czasu. Wzrost rozdzielczości umożliwi uzyskanie lepszej palety kolorów. Nie znaczy to, że e-papier od razu będzie wykorzystany w monitorach komputerowych czy telewizorach. Na razie szybkość zmian barw poszczególnych punktów jest żałośnie mała (ok. pól sekundy)w porównaniu z wymaganą w telewizji częstotliwością obrazów równa 25Hz. E-papier bobrze nadaje się natomiast na wyświetlacze ,,stale’’ znaki drogowe, plansze reklamowe i informacyjne a w przyszłości e-książki i e-czasopisma itp.

Pomimo wspomnianych ograniczeń, perspektywy otwierające się przed e-papierem są ogromne. Wielką zaletą e-papierowych znaków i tablic informacyjnych umieszczonych w sklepach, przy drogach itp., jest możliwość łatwej i stosunkowo szybkiej zmiany wyświetlanej informacji. Przykładowo , wykorzystując Internet , treść tablic reklamacyjnych można zmienić jednocześnie w całym kraju.