E-Ink: история одной неперспективной технологии

Электронные чернила… В конце прошлого века, если конкретнее, то в 1997 году, ученые из Massachusetts Institute of Technology (Массачусетский технологический институт) создали уникальную и казавшуюся перспективной технологию формирования изображения…

Незамедлительно, в том же году, создается корпорация E-Ink (E-Ink Corporation) задачами которой являлось дальнейшее совершенствование разработанной технологии и ее коммерциализация (то есть получение прибыли от устройств (дисплеев), созданных с использованием принципов электронных чернил). Штаб-квартира E-Ink расположилась в Кембридже, штат Массачусетс. Компанией также был открыт офис в Японии, в Токио. Официальной целью работы вновь созданной компании, как заявляли ее представители, являлась разработка средств визуальной коммуникации следующего поколения.

И как ими пишут

«Средства визуальной коммуникации следующего поколения» - звучит многообещающе. На базе каких технологических достижений основывался столь амбициозный план?

Нужно отметить, что принцип работы дисплея на электронных чернилах чрезвычайно прост. Данное устройство формирования изображения работает следующим образом: активный слой экрана содержит миниатюрные прозрачные капсулы с черными и белыми частичками (пигментом). Черные и белые частицы по-разному реагируют на появление электрического потенциала: позитивно заряженные белые частицы притягиваются к отрицательно заряженным электродам, а негативно заряженные черные — к контактам, имеющим положительный заряд.

Используемые в электронных чернилах микрокапсулы с пигментом очень малы — их диаметр примерно равен диаметру человеческого волоса. В нейтральном состоянии позитивно заряженные белые и негативно заряженные черные частицы пигмента находятся внутри микрокапсул в произвольном положении. Но, например, когда некоторому тыльному участку активной области экрана с электронно-чернильным слоем придается положительный электрический заряд, во всех микрокапсулах на этом участке белые частицы пигмента перемещаются во фронтальную часть. В то же самое время электрическое поле тянет черные частицы на «заднюю» сторону микрокапсул, и они будут скрыты от взора пользователя. В результате действия такого процесса пользователь сможет наблюдать появление на экране электронно-чернильного дисплея белого пятна — точки, пикселя белого цвета. Поменяв полярность приложенного электрического потенциала, можно добиться того, чтобы черные частицы пигмента оказались на лицевой стороне капсул, а белые — на тыльной. Тогда на том же месте на экране дисплея сформируется черное пятно. Понятно, что, сформировав управляющую электродами матрицу (например, подобную используемой в ЖК-дисплеях, или просто символьную или сегментную) и расположив над ней активную область экрана с микрокапсулами, можно будет создавать на электронно-чернильном экране довольно большие и сложные изображения.  

Влей, влей, влей, не жалей...

Разумеется, развитие любой технологии невозможно без финансовых вливаний в НИОКР. Компания E-Ink своевременно заботилась о поиске партнеров и заключении стратегических соглашений для коммерческого продвижения дисплеев на электронных чернилах на массовый рынок.

Например, весной 2001 г в список стратегических партнеров компании E-Ink вошла TOPPAN Printing Company — мировой лидер по производству цветных фильтров для плоскопанельных мониторов. Компании заключили партнерское соглашение по разработке цветных дисплеев на электронных чернилах.

Согласно условиям этого соглашения, TOPPAN Printing Company вложила 5 миллионов долларов инвестиций в E-Ink. Заключенный контракт должен был дать TOPPAN Printing Company эксклюзивные права (в мировом масштабе) на разработку и производство цветных фильтров для дисплеев на электронных чернилах.

Нужно сказать, что сотрудничество компаний оказалось довольно успешным — прототип цветного электронно-чернильного дисплея, использующего цветовые фильтры, был представлен ИТ-общественности уже в том же 2001 году. А уже в феврале 2002 года E-Ink и TOPPAN Printing Company заключили новое инвестиционное соглашение.

Согласно его условиям компании становились стратегическими партнерами по коммерциализации совместно разрабатываемой технологии. В рамках соглашения TOPPAN Printing Company становился эксклюзивным производителем покрытия передних панелей (FPL) для дисплеев использующих электронные чернила. По условиям достигнутого соглашения TOPPAN Printing Company вложила еще 25 миллионов долларов в компанию E-Ink.

Еще одним ключевым партнером E-Ink стала корпорация Royal Philips Electronics. В самом начале 2001года E-Ink и Philips Components заявили о совместной разработке электронно-чернильных дисплеев высокого разрешения. Такие дисплеи посчитали тогда весьма перспективными для использования в таких устройствах как электронные книги (eBooks), КПК, устройства мобильной коммуникации, и др.

Согласно достигнутому обоюдному соглашению, Philips Venture Capital и Philips Components обязались осуществить инвестиции в E-Ink, а также помочь в развитии исследовательской программы, с целью довести технологические наработки до стадии коммерческой реализации.

Договором предусматривалось, что компания E-Ink займется собственно самими электронными чернилами, а в Philips сосредоточатся на разработке активно-матричных управляющих панелей и электронно-чернильных дисплеев в целом. По условиям соглашения подразделение Philips Components получало глобальные эксклюзивные права в мировом масштабе на производство модулей для создаваемых дисплеев.

Стоит признать, что работы у компаньонов продвигались довольно успешно. Менее чем через четыре месяца после заключения соглашения Philips Components и E-Ink Corporation продемонстрировали первый работающий прототип электронно-чернильного дисплея.

Весной 2002 года E-Ink и Royal Philips объявили об успешном завершении первой фазы их соглашения, и заявили о намерении начать совместное коммерческое продвижение разработанных технологий на рынок. Партнерами было дано обещание начать массовые коммерческие поставки дисплеев на электронных чернилах уже к середине 2003 г. То есть уже полтора года как мы должны были бы встречать электронно-чернильные экраны во всевозможных «наладонниках» и мобильных телефонах и т. п.

Однако этого не произошло. Далее мы попробуем разобраться, почему такого не случилось, а пока вернемся к сонму компаний, поддержавших E-Ink Corporation в ее благородном, в общем-то, начинании.

E-Ink заключила соглашение с Vossloh System-Technik GmbH (VST), по условиям которого базирующиеся на технологии электронных чернил информационные системы должны были стать доступными для европейской транспортной индустрии все в том же 2003 году.

E-Ink обещала разработать электронно-чернильные экраны сегментного и символьного типа, а VST, со своей стороны, взяла обязательство интегрировать эти элементы в свои информационные системы для пассажиров.

E-Ink удалось также договориться и с Air Products and Chemicals, Inc.: компании заявили об объединении усилий по разработке материалов следующего поколения для дисплеев на электронных чернилах.

Нашла E-Ink общий язык и с Lucent/Bell Labs. В рамках сотрудничества с этой компанией, E-Ink была лицензирована технология пластиковых транзисторов Bell Labs. В свою очередь Lucent's New Ventures Group осуществила многомиллионную инвестицию в E-Ink.

Компании начали активно сотрудничать в разработке электронной бумаги на основе технологии гибких пластиковых электронных дисплеев, создаваемых в процессе печати экранов, который очень похож на привычную технологию струйной печати чернилами на бумаге.

Вот такие именитые были у E-Ink партнеры, такие немалые инвестиции были вложены в разработку новых технологий, такие амбициозные планы по завоеванию рынка были поставлены партнерами. И мы вправе поинтересоваться, а где же нынче все эти разработки? От технологии, которая уже в 2003 году была призвана завоевать рынок, в 2005-м пока ни слуху, ни духу... В чем причина?

Немалые достоинства

Безусловно, дисплеи на электронных чернилах не были чисто «бумажным» проектом, призванным выкачать деньги из инвесторов. Технология электронных чернил действительно существует, ее развивали и совершенствовали. Давайте посмотрим, какие достоинства она сулила в результате своего внедрения.

Технология дисплеев на электронных чернилах была призвана обеспечить полноценное визуальное информационное общение пользователей с различными электронными устройствами, путем реализации условий чтения информации с экранов всевозможных устройств, словно с обычного бумажного листа.

Да-да, дисплей на электронных чернилах по своим «изобразительным» характеристикам схож с самым привычным для чтения носителем — бумажными страницами. Поэтому рассматриваемую технологию еще иногда называют технологией «электронной бумаги».

Исходя из этого, экраны мобильных устройств с такими дисплеями должны были бы быть удобочитаемыми, а еще их можно было выполнить не просто портативными, но и гибкими (помните привнесенные в разработку технологии Lucent/Bell Labs?).

Стало быть, пользователям электронных устройств собирались представить вариант экрана по визуальным характеристикам неотличимый от распечатки на листе бумаги, но при этом имелась возможность менять картинки на этом листе — блестяще, нечего сказать. Кроме того, изображение на электронно-чернильных экранах от E-Ink, без сомнения, гораздо более удобно для просмотра (уточню — в обычных условиях), чем на иных типах распространенных экранов.

Производитель утверждает, что картинка смотрится и впрямь как на бумаге (Superior Paper-Like Readability) — отсутствует мерцание, «плавание» изображения, нечеткость символов и линий. Цветопередача картинки, сформированной на E-Ink дисплеях, не зависит от угла зрения на экран — явное преимущество по сравнению с ЖК-дисплеями.

Значительным преимуществом дисплеев на электронных чернилах является и то, что состояние пигментных частиц в микрокапсулах очень стабильно. Созданное на электронно-чернильном экране изображение может устойчиво сохраняться весьма длительное время, вплоть до нескольких недель (!), не требуя при этом каких–либо затрат энергии. Дисплеи любых других типов на такое просто не способны. Из этого следует, что дисплеи на электронных чернилах отличаются крайне низким энергопотреблением, а потребляемая такими устройствами мощность во многом зависит именно от частоты изменения картинки на экране.

Конечно, гибкость таких дисплеев тоже можно посчитать немаловажным преимуществом — приятно взять с собой большой экран, свернув его в трубочку :).

Также, и это немаловажно, производителем было заявлено, что прототипы электронно-чернильных дисплеев от E-Ink ударопрочные и очень долговечные. Кроме того, немаловажным плюсом могло стать то, что массовое изготовление таких дисплеев обещало быть очень дешевым.

Как вы помните, благодаря привлечению разработок от Lucent/Bell Labs, по одному из вариантов реализации технологии дисплеев на электронных чернилах, эти самые «чернила» просто печатаются на поверхности экрана, формируя тонкую пленку активного слоя. Именно эта пленка затем «управляется» электрической схемой дисплея для формирования матрицы пикселей.

Важна и универсальность: технологию электронных чернил можно было использовать как для создания простейших символьных и сегментных дисплеев, так и для изготовления более «продвинутых» графических экранов, в том числе управляемых с помощью активной TFT матрицы. Значительным достоинством таких дисплеев могло бы оказаться то, что, благодаря использованию электронных чернил, можно добиться очень высокого разрешения экрана.

Поскольку размеры микрокапсул с пигментом невелики, предельное разрешение электронно-чернильного экрана фактически определяется разрешением используемой управляющей электронной матрицы, а здесь возможности для улучшения характеристик очень велики.

Достоинства технологии EID мы можем оценить, посмотрев на характеристики одного из прототипов дисплеев на электронных чернилах, о котором в свое время рассказал журнал Nature. Это 3-х дюймовый гибкий дисплей с разрешением 160 х 240 пикселей. Все устройство размещено на подложке из очень тонкого листа нержавеющей стали. Непосредственно над листом находится тонкий изолированный слой управляющих электродов, над которым, в свою очередь, уже нанесен слой электронных чернил с микрокапсулами.

Данный монохромный дисплей имеет толщину всего 0.3 мм — конкурирующим технологиям такое и не снилось. А если добавить к сказанному тот факт, что данный дисплей очень гибок — он в рабочем состоянии (!) может быть скручен в трубочку диаметром полтора сантиметра без малейшей потери качества изображения — то, казалось бы, конкурентам нечего делать на поприще, где присутствует столь революционная технология.

Но смотрим характеристики дальше. На экране устройства «новая» текстовая страничка формируется за четверть секунды. Маловато будет. 4 кадра в секунду — это, знаете ли, очень нехороший показатель даже для экранов мобильных устройств.

Ага, так может быть причина загадочного «не появления» на массовом рынке дисплеев с технологией EID кроется как раз в недостатках, свойственных этой самой технологии электронных чернил? Давайте попытаемся объективно посмотреть на присущие электронно-чернильным дисплеям «пороки».

И большие недостатки

Безусловно, по длительности показа единожды созданного изображения, сохраняемого без дополнительных затрат энергии, другим дисплеям с изделиями от E-Ink трудно потягаться. Однако на дисплеях современных «наладонников» или мобильников обычно демонстрируется вовсе не статичная картинка (а в экономичном режиме их дисплей и вовсе может быть отключен с целью энергосбережения, так что при «простое» устройства ощутимого выигрыша нет).

На экранах современных мобильных аппаратов почти постоянно происходят какие-то регулярные изменения изображения. Причем порой весьма динамичные, особенно если речь идет о дисплеях КПК и прочих «ручных» электронных устройств, куда было «нацелила» свои дисплеи E-Ink. И тут мы подобрались к первому, но большому но.

Многие наверняка не понаслышке знают (хотя бы исходя из личного опыта игр на старых мобильных телефонах), что такое слишком инерционный дисплей для динамичной графики — на таком дисплее движущиеся объекты порой и вовсе «исчезают из виду». Так вот, дисплеям на электронных чернилах в этой области как раз похвалиться, увы, нечем. По современным меркам инерционность электронно-чернильных экранов просто громадна.

Напоминаю, инерционность в общем случае определяет насколько быстро «старое» изображение на экране дисплея может быть сменено «новым»; чем меньше этот параметр у устройства, тем лучше.

У рассмотренной выше модели электронно-чернильного дисплея заявлена частота смены кадров примерно 4 в секунду, что соответствует инерционности в 250 мс. Это очень большая инерционность — например, у не самых лучших современных ЖК-дисплеев таковая находится на уровне около 25 миллисекунд, то есть в 10 раз лучше (речь в данном случае идет об одной и той же задержке при переключении пикселя с совершенно черного цвета абсолютно белым и наоборот).

Насколько мне известно, компания E-Ink обещала понизить инерционность своих электронно-чернильных экранов до 150 мс. Но все равно, этот показатель очень далек от оптимального — такая задержка соответствует частоте смены кадров около 7 за секунду. А этого явно недостаточно для современных мобильных устройств, все смелее демонстрирующих свои возможности по воспроизведению видеопотока. Усугубляет в целом не радужную картину с EID еще и то, что возможности цветопередачи у дисплеев на электронных чернилах, прямо скажем, слабоваты.

Еще один интересный момент. Созданные E-Ink дисплеи не нуждаются в подсветке, они работают в отраженном свете, прямо как настоящая бумага :) Это отнесено производителем к безусловным достоинствам данной технологии. Да, это чрезвычайно удачно с точки зрения энергосбережения — в мобильных устройствах отпадает необходимость расходовать заряд аккумуляторов на подсветку экрана. Однако здесь возникает и второе большое но. Получается что яркость, контраст и цветопередача дисплеев на электронных чернилах сильно зависят от условий внешнего освещения. А ведь оно для дисплеев, особенно в случае мобильных устройств, оптимально далеко не всегда. А об актуальности подсветки экрана в темное время суток или при работе в условиях плохо освещенных помещений и говорить не приходится.

Что касается гибкости дисплеев E-Ink, то это их преимущество и подавно нельзя назвать неоспоримым. Существуют, например, гибкие ЖК-экраны, хотя до гибкости дисплеев созданных по технологии EID они, конечно, не дотягивают. Однако, откровенно говоря, для дисплея умение изгибаться — не самая главная, а порой даже и вредная особенность. Ведь гибкий экран запросто может демонстрировать искаженные, искривленные изображения.

Представьте, вы смотрите на дисплей, чтобы насладится действительно плоским изображением, за которое еще недавно так активно боролись все производители мониторов :), а гибкий экран возьми, и искривись по какой-либо причине. Например, он был долго свернут или искривлен, и приобрел «память формы». Вы давай экран ровнять — а он снова изгибается... Скажите, разве приятно будет смотреть на «кривое» изображение? И просто страшно подумать, что будет, если гибкий экран ненароком помнется :)

Как видим, недостатки дисплеев на электронных чернилах весьма существенны. Именно по этой причине E-Ink, вероятно, так и не удалось найти ни одного производителя техники, которого удовлетворили бы характеристики предлагаемых компанией дисплеев созданных по EID технологии. А потому потребители так и не увидели электронных чернил в массово выпускаемых электронных устройствах.

Что касается больших информационных или рекламных щитов, на которые тоже нацеливалась E-Ink со своей технологией, то и здесь успехов компания не достигла.

Аккуратно выведенный вывод

Есть технологии, которые опережают свое время. Есть и такие, которые от него отстают. Вероятно, технология электронных чернил относится именно к последним — появись она на пяток лет раньше, возможно, у нее и были бы неплохие перспективы на рынке. А теперь...

Теперь на место под солнцем претендуют дисплеи создаваемые по технологии OLED (Organic Light Emitting Device, органические светоизлучающие устройства на основе полимеров. Они обещают быть очень экономичными, очень тонкими и не менее гибкими, чем электронно-чернильные дисплеи. А с учетом высокой яркости и контрастности, возможностей цветопередачи, обеспечиваемых широких углов обзора, а также готовности OLED дисплеев работать при любых условиях внешнего освещения, у дисплеев созданных по технологии EID просто не остается никаких шансов выстоять в конкурентной борьбе.