Jste zde

Elektronický inkoust = EBD displeje bez trvalého napájení v praxi

Antonín Vojáček, 27. Duben 2006 - 21:55

O elektronickém inkoustu již toho bylo napsáno hodně, ale v tomto článku jsem se již zaměřil na jejich konkrétní použití ve výrobcích, tzn. EBD displeje. Na světový trh už byl uveden i vývojový kit, který je volně k prodeji. Stav této technologie na přelomu roku 2005/2006 hodnotí následující článek....

Článků o tzv. elektronickém inkoustu již bylo napsáno hodně a vyšly v různých periodikách o elektronice a vědě dostupných na českém trhu. Konečně se tato technologie pomalu dostává do sériové výroby a lze ji již spatřit zakomponovanou do komerčních produktů. Dokonce se testuje i barevná verze a je již možné si objednat i vývojový kit pro displej pracující na uvedeném principu, i když je zatím dost drahý (cca 3000 US dolarů). A tak zanedlouho se tyto displeje jistě stanou samozřejmostí v nabídkách dodavatelů a prodejců. V tomto článku proto zkusím shrnout technologii displejů s nízkou spotřebou založené na elektronickém inkoustu a ukázat s nimi již realizované nebo zkoušené aplikace.

Základní vlastnosti EPD displejů

Libovolný úhel pohledu - až 180 ° zorný úhel !!
Minimální nároky na napájení - vhodné pro napájení solárními články
Nulová spotřeba energie při neměnném zobrazení !!
Velmi slabý a velmi lehký
Povrch odolný proti poškrábání a otěru
Teoreticky možný jakýkoliv tvar provedení !!
Velmi ohebný a pružný - lze stočit do role !!
Potřeba předního osvětlení/přisvětlení
Kontrast: cca 8 až 10:1
Odraznost: typ. 30% až 40%
Doba překreslení obrazu: cca 500 ms
Není moc zatím vhodný pro film
V současnosti běžné jen černobílé provedení (barevné již v konečné fázi vývoje)
Napájení 5 až 15 V - obvykle 3 V s nábojovou pumpou
Spotřeba při přepisu obrazu: cca 5 µW / 1 cm2 zobrazené plochy (tj. cca 0.5 µA !!!)
Pracovní teplotní rozsah: 0 až 50 °C
Pracovní vlhkost: až 90 % při 40 °C

Možnosti použití EPD

Trvalé elektronické zobrazení libovolných informací bez potřeby napájení
Srolovatelné elektronické manuály & datasheety jednoduše změnitelné
Informační cedule - například na nádražích
Dálkově měnitelné jízdní řády na autobusových zastávkách
Samopřekreslovací reklamní billboardy napájené solárními články
Zobrazení pomalu se měnících dat na zařízeních MaR
Displeje ve tvaru libovolných značek, které mohou měnit svoje zobrazení
Zabudování (zašití, přilepení) do oblečení, tašek, na kancelářské desky
Digitální teploměry, vlhkoměry, tlakoměry
Hodiny s čísly nebo zobrazenými ručičkami s téměř libovolné velikosti
Elektronické hry
Zdravotnické přístroje
Lepící elektronické cenové etikety - možnost jednoduchého přecenění
Indikátory

Stručně princip funkce E-INK a EPD

Princip tzv. elektronického inkoustu E-INK tvoří hlavní složku dále popisovaných a dnes už i vyráběných EPD displejů (E Ink's Active Matrix Electronic Paper Display). E-INK (Electronic Ink) je složen z miliónů miniaturních mikrokapslí (Microcapsules) ) o průměru cca lidského vlasu. Každá obsahuje pozitivně nabité bílé částice a negativně nabité částice černé, které "plavou" v opticky průhledné tekutině (Clear fluid). Ty právě tvoří černou nebo bílou plochu určující barvu daného pixelu. Ta se ovládá pomocí elektrického pole mezi elektrodami (transparent electrodes), podobně jako klasické LCD. Dá se tedy k řízení využít TFT spínací matice, kde každý pixel je ovládán separátním tranzistorem.

Výhodou E-INK proti tekutým krystalům je jejich výrazně jednodušší implementace, tedy nanášení, na danou podložku, resp. spínací TFT matici. To se provádí metodou tisku kapalného nosného média, které se po nanesení na podložku (nejčastěji plastikovou podložku) fixuje mikrokapsle na konkrétním místě. Tak je možné teoreticky realizovat displej na libovolné podložce, například typu sklo, plastické hmoty i papír.

Při použití dvou nezávisle řízených elektrod pod každou mikrokapslí je navíc možné dosáhnout dvojnásobného rozlišení. Využívá se zde vlastnosti volného pohybu nabitých částic, tzn. že jedna polovina mikrokapsle může nabývat jiné barvy než druhá polovina. To umožňuje vytvářet levné displeje s vysokým rozlišením.

Princip ovládání barevných částeček v mikrokapslích

Další výhodou je jednoduchá příprava polotovaru továrnou na elektrický inkoust, který lze snadno v rolích dopravit až ke konečnému výrobci. Jeden z příkladů polotovaru, který je na následujícím obrázku, je označovaný jako E Ink Imagening Film. Zde je na substrát z plasické hmoty (PET) s nanesenou vrstvou ITO pokryt připravenými bloky elektronického inkoustu (Ink Layer). Ty jsou pak chráněny přepravní ochranou vrstvou (Release Sheet). Takový to film je možné stočit do rolí a jednoduše dopravovat. Konečný výrobce pak je metodou laminace provede nanesení na svojí připravenou strukturu, např. TFT budící matici. Proti výrobě TFT LCD displejů tedy odpadají některé složité výrobní kroky, přičemž naopak ty ostatní mohou zůstat relativně nezměněny.

Jedna z možných přepravních polotovarů pro výrobce displejů

Parametry displeje E Ink® Segmented EPD Cells

Mezi první displeje dostupné na světovém trhu s elektronikou patří tento E Ink® Segmented EPD Cell, který využívá všechny zajímavé vlastnosti elektronického inkoustu uvedené výše. Jde o univerzální černobílý displej bez budičů, vhodný již pro zabudování do libovolné aplikace. 1 mm tlustý displej je ohebný, odolný proti poškrábání, má velký zorný úhel i neodebírá žádnou energii při trvalém zobrazování statického obrazu. Bohužel zatím zvládne pouze plně černo-bílý obraz nebo max. 4 stupně šedi. Maximální rozměr displeje (aktivní plochy) je zatím 220 x 360 mm. Níže zobrazovaný EPD má však rozměry aktivní plochy 90.6 mm x 122.4 mm, tzn. úhlopříčku 6 palců.

Hlavní parametry uvedeného displeje:

Typ displeje: světlo odrážející elektronický displej typu elektronický papír - Reflective Electronic Paper Display (electrophoretic)
Zobrazovací látka: Elektronický inkoust (E Ink Imaging Film)
Barevné podání: černobílé (4 úrovně šedé)
Rozlišení: 800 x 600 SVGA
Kontrast: typ. 8:1
Odraznost ze předu dopadajícího světla: cca 38 %
Stabilita neměnného obrazu: minimálně několik měsíců
Zobrazovací úhel: 170 °
Překreslovací doba: 500 ms (1bitový mód - černá/bílá) až 1000 ms (4 úrovně šedi)
Napájení: 2.7 až 3.3 V (nábojová pumpa ho zvyšuje na 15 V)
Spotřeba: typ. 750 mW na celý displej při překreslování
Aktivní oblast displeje: 90.6 mm x 122.4 mm = 6 palců
Tloušťka: samotného displeje - 0.7 mm, včetně svorkovnice - 1.25 mm
Řízení: každého řádku zvlášť, použít lze speciální budiče nebo příp. STN budiče
Pracovní teplota: 0 až 50 °C
Teplotní odolnost displeje: -25 až 65 °C

Vývojový kit k E Ink® Segmented EPD Cells

Pro vývojáře aplikací pro uvedený 6” SVGA active-matrix EPD displej je již celosvětově k dispozici vývojový kit, obsahující všechny základní potřebné komponenty. Kit tedy obsahuje:

6” SVGA active-matrix EPD displej
Multifunkční řadič displeje
Řídící systém tvořený:
- Gumstix™ single-board computer, Intel XScale® PXA255 procesor
- Předinstalovaný OS Linux
- Komunikační rozhraní: Bluetooth, USB, sériové
- MMC čtečka karet
Li-ion akumulátor
Univerzální síťový adaptér
Software na CD: demonstrační eBook aplikace, ovladače displeje, gcc PC-to-XScale překladač a vývojové prostředí
Rozsáhlá dokumentace
Bližší informace na: www.eink.com/kits/index.html
Použití: upravená verze kitu již byl například využita firmou Sony v eBook Reader SONY Librié (viz níže)

Realizované aplikace

Sony eBook Reader - SONY LIBRIé - zařízení pro čtení elektronických knih a novin

Reklama - využívá se jevu blikání (změny černé barvy na bílou)

Displeje pro mobilní aplikace - hodinky, teploměry apod.

Srolovatelný displej Philips - pro elektronické návody a manuály

Závěr

Uvedené displeje na bázi elektronického inkoustu jsou zajímavým výrobkem a v budoucnu jistě dosáhnou širokého uplatnění. Dle mého názoru se však hlavně rozšíří až z prodejem jejich barevných verzí. Ty jsou již ve vývoji a byli již představeny první prototypy. Zvláště z výrazně nízké spotřeby, schopnosti ohýbání a různého tvarování displejů bude plynout jejich hlavní použití. Snad se v co nebližší dohledné době dostanou i na český trh a bude moct začít souboj s jinými druhy a typy displejů.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz