Papier Liquavista i zjawisko elektrozwilżania


Papier oparty na zjawisku elektro-zwilżania został opracowany w 2003 roku w laboratoriach firmy Philips przez Johana Finstra i Roberta Hayesa. Pierwsze wzmianki o tej technologii pojawiły się w artykule Video-speed electronic paper based on electrowetting (Nature Vol. 425, wrzesień 2003) autorstwa obu tych naukowców. Produkcja i promocja papieru zajmuje się firma Liquavista, będąca częścią koncernu Samsung. Technologia ta jest przez nich nazywana LCD 2.0. Papier ten nie jest bistabilny (wymaga energii do podtrzymania efektu), mimo to konsumuje tylko ułamek energii jaka potrzeba LCD. Spełnia też pozostałe postulaty papieru elektronicznego, dlatego i jego postanowiłem włożyć do tego zestawienia. Materiał poza czytnikami ebooków może znaleźć zastosowanie w netbookach, telefonach komórkowych i wszędzie tam gdzie potrzeba małych wyświetlaczy do użytku na świeżym powietrzu.
Zasada Działania

            Zasada działania jest prosta i można ją przeanalizować korzystając z powyższego rysunku. Piksel elektronicznego atramentu umieszczony jest na białym podłożu. W spoczynku kolorowy olej pokrywa równomiernie całą powierzchnie piksela. Dzieje się tak dlatego, że warstwa hydrofobowa „woli” oddzielić się od wody warstwą oleju. Gdy przyłożymy stałe napięcie elektryczne, pomiędzy wodę a elektrodę dochodzi do zmiany zwilżalności, warstwa hydrofobowa zmuszona zostaje do kontaktu z wodą odpychając olej i kropelka oleju formuje kształt kulki odsłaniając większość (między 70 a 90%) białego podłoża. Zachowanie oleju powodowane jest równoważeniem sił elektrycznej (związanej z przyłożonym napięciem i pojemnością między woda a elektrodą) i sił związanych ze zjawiskami napięcia powierzchniowego i włosowatości.  Oczywiście nie można usunąć oleju z komórkiwięc nie jest możliwe ukazanie całego białego podłoża, jednakże piksele są tak małe, że ludzkie oko uśrednia obraz przez co osiągnięte efekty są bardzo dobre. Na papierze elektro-zwilżanym można uzyskać odcienie pośrednie, w zależności od przyłożonego napięcia olej odsłania mniejsze lub większe fragmenty piksela. Dobry kontrast i jakość obrazu uzyskujemy dzięki małej utracie światła na bardzo cienkich, przezroczystych warstwach hydrofobowej (1 μm) i elektrodowej (około 15 nm) oraz małej ilości oleju. Dodatkowo mała ilość oleju zmniejsza potrzebne napięcie sterujące. Warstwa hydrofobowa wykonana jest z fluoropolimerów, a elektrodowa z tlenków indu i cyny (tak zwane ITO).
            Poważną wadą papieru elektrozwilżanego jest to, że obraz tworzy się tylko gdy przyłożone zostaje napięcie. Gdy je odejmiemy wszystko wraca do stanu wyjściowego. Oznacza to, że wyświetlacz w tej technologii wymaga stałego zasilania do pracy.

Wykres zależności współczynnika odbicia i kontrastu od napięcia sterującego

W przypadku papieru elektrozwilżanego zarówno kontrast jak i współczynnik odbicia (refleksyjności) zależy w dużym stopniu od napięcia sterującego. Na powyższym rysunku widać krzywą reprezentującą tę zależność dla światła monochromatycznego o długości 550nm. Przy małych napięciach komórka prawie nie reaguje. Po przekroczeniu 5V charakterystyka staje się prawie liniowa. Niewielka tylko histereza wskazuje na to że będzie w tej technologii można uzyskać dobrą kontrolę nad obrazem.
Czas reakcji zależy w dużej mierze od wielkości komórki i ilości oleju. W laboratoriach w komórce o wymiarach 0,25 x 0 25 mm udało się uzyskać czas reakcji rzędu 12-13ms. 

Do wyświetlenia koloru na papierze elektrozwilżalnym wykorzystuje się układ trzech subpikseli. Jednak w przeciwieństwie do klasycznego układu RGB tu projektanci postanowili wykorzystać paletę CMY. Subpiksele są w budowie identyczne i każdy składa się z dwóch kolorów z triady i filtru w kolorze trzecim. Każdy z kolorów „zwijany” jest przy użyciu odpowiednio przyłożonego napięcia. W ten sposób możemy doskonale zarządzać kolorem. Dodatkowo jak łatwo zauważyć barwnik danego koloru występuje nie na 1/3 powierzchni, tylko na 2/3 powierzchni, co pozwala uzyskać lepsze nasycenie koloru i kontrast. Pomysł z dwoma barwnikami i dodatkowym filtrem zdecydowanie poprawia właściwości takiego wyświetlacza, wykorzystującego światło odbite, podobnie jak druk na papierze.
Za klika lat zobaczymy jak ta technologia się przyjmie. Jako ze Liquavista jest częścią koncerny Samsunga możemy spodziewać się nowych rozwiązań z dziedziny displejów.

Następnym razem papier oparty na efekcie elektrochromowym.

Rysunki w teksie pochodzą albo ze strony producenta albo z artykułu Piotra Góreckiego "Elektrozwilżalny e-papier, czyli nadchodzi era papierowych telewizorów" z Elektroniki dla wszystkich z grudnia 2003
Poprzednia wersje artykułu opublikowałem w serwsie e-tekst.pl (a wcześniej w pracy magisterskiej)

Komentarze