Elektronisch papier – ook e-paper of soms smart paper genoemd – is een elektronische display die hetzelfde leescomfort biedt als traditioneel papier. Dergelijk papier moet daarom ultradun en licht zijn, sterke contrasten opleveren, zeer helder zijn en zich onderscheiden door een brede gezichtshoek, precies zoals klassiek papier. Het is gemakkelijk leesbaar bij zonnelicht en verbruikt weinig energie want die is vereist om van display te veranderen, niet om die te behouden (bistabiele technologieën). Het wordt ontwikkeld op stijve, soepele en zelfs oprolbare dragers.

E-paper zal ongetwijfeld nooit volledig het gewone papier vervangen, alleen al omdat het zo duur is, noch – op korte termijn – LCD- of OLED-displays, omdat het beperkingen vertoont op het vlak van kleuren en geen video kan ondersteunen. Maar er zijn heel wat segmenten die wel toegankelijk zijn, met name signalisatie en reclamepanelen, waarbij het interessant is te beschikken over een gemakkelijke manier om de informatie te veranderen. Ook mobiele communicatie is een potentieel toepassingsgebied dankzij het leesgemak dat e-paper biedt bij daglicht. Andere toepassingen moeten nog worden verkend. Onder de nieuwe producten vindt de e-book ingang. Dat is oorspronkelijk een product van Sony, maar wordt nu al door meer dan 10 bedrijven aangeboden, die nagenoeg allemaal gebruikmaken van de E-inktechniek.

Er wordt al 30 jaar research gedaan op het gebied van elektronisch papier, maar er is pas sinds kort echt sprake van commerciële toepassingen. De technologie heeft zoveel vooruitgang geboekt dat ze momenteel (ruimschoots) voldoet aan industriële eisen inzake e-paper in zwart en wit. Om te kunnen concurreren met papier vroeg de industrie bijvoorbeeld een resolutie van 100 dpi; welnu, het dubbele wordt gehaald, zelfs 400 dpi. De contrasten moesten beter scoren dan 6:1, Kent Displays bereikt 25:1.

E-paper bevindt zich niet langer in de laboratoriumfase. Die evolutie komt met name tot uiting in de belangstelling vanwege grote bedrijven, die licenties nemen bij ontwikkelaars (die over het algemeen kleiner zijn) en in de sector investeren. Zo investeerden in E-ink bedrijven zoals Air Products, Gannett, Degussa, The Hearst Corporation, Intel Capital, Motorola, Philips Components of Toppan Printing Company.

E-paper in kleur

Terwijl elektronisch zwart-witpapier sinds kort massaal wordt gecommercialiseerd, heeft het kleurenpapier nog een lange weg af te leggen.

De vijf belangrijkste ontwikkelaars van e-paper zijn Kent Displays (USA), E-Ink (USA), Bridgestone (JP), SIPIX (CN-USA), Nemoptic (FR). Ze hebben tal van licentiehouders, zoals Fujitsu, Hitachi, LG Philips LCD, Magink, Samsung, PVI…

Twee grote technologieën verdelen de markt onder elkaar : de elektronische inkt, ontwikkeld door E-Ink, Bridgestone, Sipix, en de vloeibare kristallen aangeboden door Kent Displays en Nemoptic.
De E-inktechnologie is gebaseerd op een procédé waarbij de beelden worden gecreëerd door elektrische beheersing van de beweging van zwarte en witte deeltjes waarmee de microcapsules zijn gevuld.
Nemoptic en Kent Displays gebruiken de torsie van nematische, vloeibare kristallen.

Al die firma’s hebben al hun eerste kleurenrealisaties voorgesteld.
Kent Displays stelde als eerste in 2000 gekleurd e-paper voor, Nemoptic volgde in 2004, maar het ging voornamelijk om demonstratiemateriaal. Vandaag hebben de producten een behoorlijk technologisch niveau bereikt en zijn ze haalbaar vanuit economisch oogpunt.

De vaakst gebruikte werkwijze bestaat uit het creëren van de kleur met kleurenfilters. Elke pixel van het beeld in zwart en wit wordt vervangen door 3 punten (rood, groen, blauw) plus eventueel een vierde (wit). De verandering van de sterkte van elk trio levert verschillende kleuren op.
De kleurenmatrix wordt aangebracht door fotolithografie op het substraat van het beeldscherm.
Die techniek leidt tot een verlies van resolutie en helderheid, dat met name moet worden gecompenseerd door een verhoging van de lichtefficiëntie van de pixels, een ingewikkelde en dure techniek.

Bij de techniek van Kent Displays, die wordt aangewend door haar licentiehouders (Fujitsu, Magink, Matsushita…), bestaat e-paper uit 3 lagen op elkaar gestapelde en op een rij geplaatste vloeibare kristallen: cyaan, geel, magenta; de klassieke, primaire kleuren van het digitaal drukken. Elke laag weerkaatst haar eigen kleur en de combinatie levert de weergegeven eindkleur op. Ook die techniek geeft problemen : uitlijning van de lagen, optische verliezen, beschaduwing… De uiteindelijke helderheid is per slot van rekening niet beter dan met de techniek van de kleurenfilters.

De eerste kleurenbeeldschermen zouden over 1 à 2 jaar op de markt moeten komen, ongeacht de technologie, vermoedelijk eerst in de vorm van reclameschermen. Men zal komen tot een kwaliteit die toereikend is om geïllustreerde teksten te lezen. Voor de video is het nog even wachten. De huidige schakelsnelheid bedraagt 1 seconde.

 

Enkele verwezenlijkingen

Fujitsu commercialiseerde in Japan al binnendisplayborden 12 x 48 duim in 4096 kleuren. Bridgestone legt zich toe op reclamedisplays in handelszaken, stations enz.

E-Ink verbeterde haar inkten teneinde ze helderder te maken en Toppan Filters (JP) levert de daarop aan te brengen kleurenfilters. Uit de jongste experimenten blijkt dat de lichtsterkte en het contrast zijn verbeterd. Technische verbeteringen aan deeltjes en hun coatings en aan de chemie van de oplossingen in de capsules zouden moeten resulteren in een hogere kleurschakelsnelheid. Prototypes halen al 30 x/s.

E-Ink werkt samen met grote schermfabrikanten met het oog op de ontwikkeling van flexibele transistors die oprolbare schermen zullen opleveren. LG Philips kondigde de eerste, flexibele kleurendisplay van 14.1 duim aan en Samsung een scherm van 14.3 duim met de hoge resolutie van 1 500 x 2 120-pixels.

Magink, licenciehouder van de Kent Displays-technologie richt zich op de markt van de reclamedisplay, met schermen van 18 m². Mitsubishi gebruikt hetzelfde type van display op de Japanse treinen.

De spin-off van Philips Liquavista, een nieuwe speler op de markt, ontwikkelde een technologie van elektrobevochtiging die weliswaar meer energie verbruikt maar ook onmiskenbare voordelen biedt, zoals een snellere schakeling (voldoende voor video), en de mogelijkheid om de fabricage ervan te integreren op bestaande ketens voor LCD’s. Liquavista beoogt vóór alles de display van MP3-spelers, horloges, GSM’s, DVD-lezers enz.

Elk scherm bestaat uit duizenden kleine capsules waarin een kleine elektrische weerstand, water en met een of meer pigmenten gekleurde olie zijn aangebracht. Wanneer men een elektrische stroom in de capsule brengt, duwt het water dat zich bevindt in die capsule, retroverlicht, de getinte olie tegen het scherm, wat een kleurenpixel oplevert. Omgekeerd, wanneer het water tegen het scherm wordt geduwd, neemt de pixel een witte kleur aan.

In vergelijking met wat de concurrenten aanbieden, zou het met deze nieuwe technologie mogelijk zijn te komen tot een contrastverhouding die 15% groter is, een reflectiecoëfficiënt die 40% hoger is en reactietijden van minder dan 10 ms.

E-paper in zwart en wit evolueert eveneens. Seiko Epson stelde onlangs een zeer dunne lezer voor, formaat 18×12 cm, met een resolutie van 1200×1600 pixels, een dikte van 3 mm en een gewicht van 57g. De contrastverhouding bedraagt 8:1, de reflectiecoëfficiënt 43%, en de verversingssnelheid van de pagina 0,7 seconde.

Nog op het gebied van elektronisch zwart-witpapier is een interessante toepassing die van de Finse onderneming UPM, gebaseerd op E-Ink. Door elektronische bekendmaking van de prijzen in de winkels kunnen de gegevens snel en draadloos worden veranderd. De kwaliteit van de etikettering is verbeterd, er worden minder fouten gemaakt en het personeel wint tijd. De naar voren gebrachte voordelen zijn de leesbaarheid van de display vanuit een schuine hoek, de schokbestendigheid van de structuur en het zeer geringe elektriciteitsverbruik in vergelijking met de courante LCD-display.

Een nieuw principe : de P-Ink

De firma Opalux, ontstaan uit de universiteit van Toronto, ontwikkelt een display met fotonische kristallen waarvan de kleur van de pixels individueel kan worden geregeld, in om het even welke tint en zonder gebruik te maken van filters, wat niet mogelijk is met de andere technologieën. Indien men met behulp van courantere technologieën, zoals E-Ink, waarbij wel de filtermethode wordt aangewend, een volledig rode display wenst, zal slechts 1/3 van de pixels die kleur hebben, wat een verlies aan luminantie tot gevolg heeft. Met de nieuwe technologie, die wordt gecommercialiseerd onder de naam P-Ink, zal 100% rode pixels worden gehaald, wat overeenstemt met een 3 maal hogere lichtsterkte.
P-Ink is gebaseerd op het gebruik van weerkaatsende fotonische kristallen waarvan de lichtbrekingseigenschappen schommelen afhankelijk van de aangebrachte elektrische stroom.

Elke pixel bestaat uit honderden sferen van siliciumdioxide. Elk van die fotonische kristallen heeft een diameter van 200 nm en is ingekapseld in een elektroactief polymeer dat werkt als een spons. Die laag wordt tussen twee transparante elektroden gevoegd en bevat een elektrolytisch fluïdum. Wanneer een potentiaalverschil wordt aangebracht aan de elektroden, dan wordt de elektrolyt in het polymeer gezogen waardoor dat gaat opzwellen.
Die opzwelling wijzigt de afstand tussen de siliciumdioxidekogels en verandert zo de brekingsindexen en de weerkaatste golflengte.

Zoals concurrerende elektronische inkten is P-Ink bistabiel, en wanneer bijgevolg een pixel de gewenste kleur heeft bereikt, behoudt hij die zonder energietoevoer.
Het materiaal zelf is intrinsiek soepel.

De demonstratie van de haalbaarheid werd uitgevoerd op pixels van 0.3 mm, een courante grootte in schermen, maar indien de kristallen een beetje groter zijn, is het mogelijk de golflengte in het IR aan te passen. Het effect is onzichtbaar voor het menselijk oog, maar kan worden benut in intelligente vensters ter controle van de de warmtestroom.

Ook te raadplegen op techniline:

 

• “E-paper: krant op nieuw digitaal papier “ (19-01-2007)
• “Digitale inkt voor reclameborden” (15-12-2006)
• “Een stap vooruit in flexibele elektronica” (15-12-2006)
• “Oprolbaar beeldscherm van Philips” (05-03-2004)
• “Gekleurd elektronisch papier” (01-11-2003)
• “Elektronisch papier, het beeldscherm van de toekomst?” (01-08-2003)
• “Innoverende platte schermen – Deel II” (01-02-2003)

Contactpersoon : Sirris, Fabienne Windels
E-mail fabienne.windels@sirris.be
Tel. +32 (0)4 361 87 57
Fax +32 (0)4 361 87 02

Dit artikel is reeds verschenen op Agoria Online (members only) en Techniline, de portaalsite van de technologische innovatie van Sirris. Abonneer u op Techniline indien u alle artikels wenst te volgen.