Masarykova univerzita v Brně, Fakulta informatiky

Kolokviální práce z předmětu PV 109 Historie a vývojové trendy ve výpočetní technice

Technologie elektronického inkoustu - historie a vývoj

V dubnu roku 2003 zpracoval Vojtěch Krybus, učo 68303, e-mail xkrybus@fi.muni.cz


Obsah


1. Úvod

V několika posledních letech se poměrně často hovoří o tzv. elektronickém inkoustu a s tímto výrazem souvisejícími pojmy jako jsou např. elektronický papír, elektronická kniha apod. Protože se jedná o tak nové technologie, že jejich nasazení v praxi ještě není zcela běžné a většina těchto technických novinek je stále ještě ve fázi vývoje, rozhodl jsem se zpracovat tato témata formou eseje a rozšířit tak archiv prací z předmětu Historie a vývojové trendy ve výpočetní technice.

2. Jak to začalo - počátky vývoje

Objevy nových technologií v posledních desetiletích většinou pokaždé radikálně změnily do té doby známé a zaběhnuté postupy v jakémkoli oboru lidské činnosti. Konec 20. století sebou z tohoto hlediska přinesl mohutný rozmach elektroniky a její využití oblasti v informačních technologií, což ovlivnilo také oblast publikování a šíření tradičních dokumentů. Ovšem nejrozšířenější a nejuniverzálnější médium pro přenos informací, jakým je papír a inkoust, dosud elektronika nahradit nedokázala, byť se o to od 80. let minulého století pokoušelo již mnoho výzkumných týmů. Důvod je prostý: hlavním přednostem papíru totiž žádné elektronické médium donedávna nemohlo konkurovat. Papír je skladný, lehce přenosný, je výborně čitelný, má nízké výrobní náklady, dostatečný kontrast i odrazivost. Položíte-li například noviny či časopis na polici, najdete je tam i po několika letech a budou stále dobře čitelné - papír totiž nepotřebuje žádnou energii k udržení zobrazených informací. Jeho největší nevýhodou je ovšem nemožnost opakovaného použití, tj., že informace, které jednou vytiskneme, nelze již smazat.

Běžná katodová či LCD obrazovka počítače sice tento nedostatek odstraňuje, neboť umožňuje zobrazovat kromě textu také obrázky, videa apod., ale k tomuto účelu potřebuje neustálý přísun energie a kromě toho na přímém slunečním světle jsou všechny informace prakticky nečitelné. Snahou vynálezců tedy bylo skloubit výhody elektronických a papírových médií a vytvořit tak produkt, který by poskytoval stejné podmínky pro uchovávání informací jako papír klasický a navíc umožňoval maximální využití výhod elektronické prezentace informací.

2.1. Firma Xerox a Gyricon Media Inc.

Historicky první technologii, která odstartovala vývoj elektronického papíru a inkoustu, vyvinul v roce 1975 Nicholas N. Sheridon ve výzkumném centru PARC (Palo Alto Research Centrum) firmy Xerox. Jednalo se o pružné gumové pouzdro tvořené velkým množstvím (řádově milionů) malých plastových vodivých kuliček, jejichž průměr byl menší než 100 mikronů, vložených do dutin naplněných olejem. Jedna polovina kuličky byla pokryta bílou barvou, druhá černou. Pod tento arch byla přiložena deska s elektronickými obvody, která pomocí elektrického náboje vyvolávala rotaci vybraných kuliček a vytvářela z nich na archu požadované vzory. Energie byla dodávána pouze ve chvíli, kdy se měla změnit zobrazovaná informace. Technologie dostala název Gyricon podle anglického slova "gyrate", které znamená kroužit nebo otočit.

Přestože tato technologie, v současnosti označovaná jako SmartPaper, pochází již z roku 1975, teprve v roce 2000 vytvořila firma Xerox samostatnou dceřinou společnost Gyricon Media Inc., ve které Nick Sheridon pracuje jako ředitel výzkumu, a která si klade za cíl komerční rozšíření Gyricon technologií. První praktické použití SmartPaperu proto bylo (a stále je) zaměřeno na obchodní sektor a obchodníci např. v supermarketech mohou nyní místo běžných papírových cenovek používat tzv. elektronické vývěsky, jejichž hlavní předností je především snadná aktualizace obsahu pomocí počítače a speciálního softwaru.

V porovnání s klasickými displeji se sice Gyricon více blíží papíru, ovšem zase ne natolik, aby jej mohl v plném rozsahu nahradit. Hustota "tisku" se zatím pohybuje v rozmezí 200 až 300 bodů na palec. Mimo to se zde nejedná o použití elektronického inkoustu tak, jak jej dnes známe, tzn. který je nanesen přímo na papír, ale je uzavřen v plastové schránce, tj. jde spíše o novou koncepci displeje.

Odkazy na související informační zdroje:

  • Papíru podobní displeje /PARC/
  • Popis technologie SmartPaper /Gyricon Media Inc./
  • Logo Gyricon Media Inc.

    2.2. E Ink Corporation

    Zatímco většina dosavadních pokusů o náhradu papíru se opírala o postupy již běžně používané, Joseph Jacobson z americké MIT (Massachusetts Institute of Technology) spolu se dvěma studenty šel v polovině 90. let 20. století jinou cestou. Použili princip, který vyžaduje přísun energie nikoli pro udržení textu, jak je to běžné u většiny zobrazovacích zařízení, ale pouze pro jeho změnu, tedy podobně jako před nimi Nick Sheridon v Gyriconu. Tento zobrazovací systém byl navíc dostatečně tenký a odolný na to, aby se přiblížil klasickému papíru. Tak koncem roku 1997 založil J. Jacobson firmu E Ink, která získala potřebné patenty spojené s touto technologií (zejména od firmy Xerox) a za vydatné podpory investorů (Motorola, The Hearst Corporation) mohla zahájit výzkum a vývoj v oblasti elektronického inkoustu.

    První výsledky tohoto výzkumu se dostavily již v říjnu roku 2000 v podobě výrobku s názvem Immedia. Jednalo se o velké informační tabule z plastické hmoty využitelné hlavně v interiérech (supermarkety, nádraží apod.). Nápisy a obrázky na těchto tabulích mohly být snadno a rychle pozměňovány dálkově prostřednictvím sítě Internet. Důvodem, proč se E Ink stejně jako předtím Gyricon Media představil "pouze" těmito informačními tabulemi a nikoli nějakým lákavějším produktem z pohledu zákazníka, byly vlastnosti použitých elektronických obvodů (viz. kapitola Elektronický papír).

    V současnosti firma E Ink pracuje na mnoha dalších projektech rozšiřujících možnosti jeho pilotní technologie, především na vývoji displejů určených například pro mobilní telefony. Všechna tato zařízení mají ale jedno společné - jsou založena na principu elektronického inkoustu.

    Odkazy na související informační zdroje:

  • Informace o elektronickém papíru /MIT/
  • Logo E Ink Corporation

    3. Co je to tedy e-ink a jak pracuje?

    Elektronický inkoust (zkráceně e-ink) je speciální tekutina, která může být nanesena na jakýkoliv povrch, nejen papírový. Od běžné tiskařské barvy se však podstatně liší. Původní koncept byl tento: v modrém roztoku nalitém do průhledných dutinek o průměru menším než lidský vlas, tzv. mikrokapslí, plavaly miliony bílých pigmentových mikročástic. Ty se působením elektrického náboje, přivedeného - podobně jako u Gyricon technologie - buď na vrchol nebo na spodek mikrokapsle, přemisťovaly z její jedné poloviny na druhou. Tak na jednoduchém principu střídání kladného a záporného elektrického náboje vznikal bílý nebo modrý bod a skládáním bodů pak i výsledný obraz. Zde je také rozdíl oproti řešení Xeroxu, který používá mikrokapsle složené z různě barevných polovin. Původní myšlenka byla později pozměněna v tom smyslu, že nyní se používají dva typy barevných mikročástic (např. bílá v kombinaci s modrou, černou, červenou nebo zelenou), které mají opačný elektrický náboj a roztok, ve kterém jsou umístěny, je bezbarvý.

    Ke změně stavu jednoho bodu (jedné mikrokapsle) je potřeba el. proud o velikosti asi 20 nA, tj. necelý 1 mikroampér na centimetr čtvereční. Tedy zhruba jen tisícina energie, než kolik jí potřebují monitory nebo displeje. K "tisku" dokonce není potřeba ani vlastní zdroj energie, protože stav mikročástic lze měnit i působením elektromagnetických vln. Díky malému rozměru mikrokapslí dosahuje výsledná kvalita "tisku" hustoty až 600 bodů na palec, což je zhruba třikrát více než v případě výše zmíněné technologie od Gyriconu.

    Díky tomu, že mikrokapsle jsou velmi malé a lze jimi pokrýt libovolný materiál, od umělých hmot přes kovy až po papír, je možné jimi vytvářet i geometricky velmi náročné zobrazovací plochy zobrazující text a grafiku ve vysokém rozlišení. Ty se přitom kontrastem a odrazivostí už vyrovnají dnešním tiskovinám a jsou dobře čitelné ze všech úhlů. Tato technologie ale ještě nedokáže nahradit běžné televizní obrazovky, neboť ke změně stavu mikročástic v kapslích může docházet nejvýše desetkrát za vteřinu, což je oproti frekvenci vhodné pro plynulé střídání obrazů ve filmu a v televizi přece jen ještě málo (televize v normách PAL/SECAM a film se obměňují pětadvacetkrát za vteřinu). Pro nenáročné animace či pohybující se text je to ale dostačující.

    Odkazy na související informační zdroje:

  • Popis technologie výroby e-inku /E Ink/
  • Popisy dalších technologií firmy E Ink ve formátu *.pdf /E Ink/
  • Obrázek displeje využívajícího e-ink /E Ink/
  • Obrázek elektronických novin /E Ink, Bell Labs/

    4. Elektronický papír

    Od vynálezu e-inku byl již jen krůček k jeho použití v praxi a vzniku tzv. elektronického papíru (zkráceně e-paper). Přestože předcházející kapitoly dávají už tušit, co se pod tímto pojmem skrývá, přesná definice nám to objasní nejlépe: jedná se o tenké, pružné a lehké digitální čtecí zařízení, které v sobě spojuje výhody klasického papíru a moderních digitálních technologií, tj. přepisovatelnost a dynamickou změnu dat, podobně jako obrazovka počítače. Dále toto čtecí zařízení musí být dostatečně levné, aby jej bylo možné prodávat, stejně jako dnešní kancelářský papír, v balících po stovkách kusů nebo ve formě sešitů a zápisníků a pomocí něj vytvářet elektronické knihy, noviny, časopisy atd. Zjednodušeně řečeno, elektronický papír je aplikací elektronického inkoustu s cílem vytvořit obrazovku co nejvíce podobnou papíru, jejíž výroba by se později podobala běžnému tisku v tiskárně. Není to však tak jednoduché, jak by se mohlo zdát.

    Hlavním problémem, s kterým se vývojáři v současné době stále potýkají, jsou obvody použité k vedení elektrického proudu. Běžné LCD displeje, technologie SmartPaper od Gyriconu i nové displeje od E Inku zatím používají konvenční křemíkové tranzistory na epoxidových deskách. S jejich správnou funkcí výraznější problémy nejsou, ale tyto materiály jsou drahé, těžké, a co je jejich hlavní nevýhodou - naprosto neohebné. Proto byl v Bellových laboratořích, které nyní spadají pod firmu Lucent Technologies (Lucent's Bell Labs), vyvinut tzv. organický tenkostěnný tranzistor, též označovaný také jako "plastic transistor" (plastický tranzistor).

    4.1. Plastický tranzistor

    První tranzistor tohoto typu byl vyroben v roce 1997 a byl tehdy natištěn na transparentní fólii technikou sítotisku, podobně jako se tisknou obrázky na trička. Jedná se o lehké, tenké a extrémně ohebné vodivé desky na bázi plastu z nichž lze nanesením zlata či jiného kujného kovu vytvářet obvodové desky, které jsou výrazně lehčí a mnohem ohebnější než současné desky epoxidové založené na křemíkových polovodičích.

    Přestože tloušťka těchto tranzistorů je menší, než průměr lidského vlasu (obvykle 100 mikronů), od představení prvního prototypu vědci stále pracují na zmenšení jeho velikosti a zejména se soustřeďují na vzdálenost mezi dvěmi vrchními elektrodami. Pokud se zmenší, rychlost tranzistoru vzroste a zároveň klesne i spotřeba energie pro jeho řízení. Nejmenší vzdálenost elektrod jakou se podařilo u plastických tranzistorů zatím dosáhnout je 75 mikronů. Ovšem ve srovnání s nejrychlejším typem silikonového tranzistoru, kde činí tato vzdálenost pouze 0.25 mikronů, je ještě stále co zlepšovat.

    Právě již zmíněná flexibilita, tisknutelnost a v neposlední řadě i příznivá cena zvyšuje univerzálnost tohoto materiálu, neboť výrobní náklady jsou údajně o jeden až dva řády nižší než u polovodičů křemíkových. Všechny tyto výhody plastových polovodičů měly ten příznivý následek, že na konci roku 1999 uzavřela E Ink Corporation dohodu s Lucent Technologies o vývoji zařízení, které by kombinovalo elektronický inkoust a plastové obvody. Už za několik týdnů, od tohoto strategického spojení, vznikl první prototyp displeje, který se váhou, ohebností i kvalitou zobrazení opravdu podobá klasickému papíru.

    Odkazy na související informační zdroje:

  • Informace o plastických tranzistorech /Bell Labs/
  • Tisknutelné plastické tranzistory /Bell Labs/
  • Logo Lucent Technologies

    4.2. Inovace elektronického papíru

    Spojení e-inku a plastických tranzistorů přineslo i další podstatné zlepšení v rychlosti zobrazování informací. Hlavně díky neustálému zlepšování tenkostěnných polovodičů dnes umožňuje e-paper, byť zatím pouze v laboratorních podmínkách, zobrazení videozáznamu v reálném čase. S tím úzce souvisí i možnost barevného výstupu, protože dosavadní typy elektronických inkoustů a tedy i papírů byly pouze monochromatické. Proto počátkem února 2002 začala E Ink Corporation spolupracovat s další společností Toppan Printing Company, Ltd., která je předním světovým výrobcem barevných filtrů používaných v plochých displejích. Výrobek, který by z tohoto spojení měl vzejít bude, co se tloušťky týče, někde na hranici mezi černobílými displeji založenými na el. inkoustu a zobrazovacími LCD jednotkami.

    Na závěr této kapitoly můžeme říci, že elektronický papír a jeho neustále se zlepšující vlastnosti nám otvírají cestu k další převratné novince na poli informačních technologií v oblasti knihovnictví - k elektronické knize.

    5. Elektronická kniha

    Tento termín není v literatuře ani na Webu používán zcela jednoznačně. Jedná se buď o jakýkoliv elektronický text (vytvořený například v textovém editoru nebo digitalizováním tradičního dokumentu) nebo o elektronické zařízení, které umožňuje uchovávat a číst elektronické texty. V případě elektronické knihy tvořené e-paperem je ale možné přiklonit se k oběma definicím současně, neboť tyto poměrně přesně vystihují vlastnosti tohoto nového média. Jeho cílem je usnadnit čtenářům přístup k textovým dokumentům v elektronické podobě, která se co nejvíce snaží napodobit vlastnosti a způsob četby papírových knih.

    Elektronické knihy s listy tvořenými e-paperem, schopné velmi rychlého záznamu informace, se v budoucnosti pravděpodobně stanou silným konkurentem knih z klasického papíru. Data obsažená v jediné takové knize totiž mohou odpovídat stovkám tištěných knih a navíc je bude možné aktualizovat a doplňovat pomocí Internetu. Už dnes je možné si na něm najít a za určitý poplatek "stáhnout" některé knižní novinky v elektronické podobě. A protože elektronický inkoust se opotřebí po zhruba 300 milionech cyklů, vystačí vám jedna kniha na celý život. Další výhodou tohoto principu je, že si čtenář může nastavit vlastní vzhled knihy, včetně velikosti písma, rozložení jednotlivých kapitol apod.

    Mít v knihovně pouze jedinou elektronickou knihu nebo časopis, jejichž obsah můžeme kdykoli dle libosti měnit, je představa jistě lákavá. Za jak dlouho se stane skutečností to záleží především na rychlosti vývoje elektronického papíru a v neposlední řadě samozřejmě na jeho ceně.

    Odkazy na související informační zdroje:

  • Popis elektronické knihy /The New York Times/

    6. Další vývojové směry

    Všechny výše popsané výrobní postupy a technologie si byly svým způsobem podobné - pracovaly na principu natáčení mikročástic v elektrickém poli. Ovšem ne všechny výzkumné týmy, pracující na vývoji elektronického papíru či inkoustu, jdou stejnou cestou.

    Například vědci z Bellových laboratoří již zmíněné firmy Lucent Technologies, se zaměřili na bakterii Halobacterium salinarium, která pod vlivem elektrického impulsu mění střídavě barvu mezi purpurovou a žlutou. Výsledný "tisk" je dostatečně kontrastní a zobrazovaná informace může být obměňována až 5-krát za vteřinu. Vývoj je ovšem zatím pouze ve fázi laboratorního použití, protože ke změně stavu této bakterie je potřeba elektrické pole o napětí kolem 4 000 voltů.

    A jakoby zajímavých technologií na tomto poli nebylo stále dost, objevil se ještě jiný projekt, který dává znovu šanci klasickému papíru. Švédská společnost Anoto Group vyvinula speciální pero a papír. Pero je vybavené mikroprocesorem, elektronickou pamětí, čipem pro bezdrátový přenos informací, infračerveným snímačem, napájecí baterií a zásobníkem s klasickým inkoustem. Papír je potištěn neviditelným speciálním vzorem, složeným z velmi malých bodů s odstupem asi 0.3 milimetru, přičemž pero při psaní na tomto papíře zaznamenává (s frekvencí jedné setiny sekundy) infračerveným snímačem svůj pohyb do paměti. Shromážděné informace pak na základě předem stanovené akce (zaškrtnutí určitého políčka apod.) odešle do zvoleného elektronického zařízení (počítač, mobilní telefon apod.), které je s perem bezdrátově spojeno. Podstatnou výhodou přitom je, že pero při psaní na papír nanáší obyčejný inkoust a uživateli tak zůstává nejen analogový záznam na papíře ale také digitální informace o tomto záznamu v paměti příslušného elektronického zařízení.

    Odkazy na související informační zdroje:

  • Popis technologie firmy Anoto /Anoto Group/
  • Digitální pera firmy Anoto /Anoto Group/
  • Digitální papír firmy Anoto /Anoto Group/
  • Logo Anoto Group

    7. Závěr

    Přes všechny zde uvedené pokusy a výrobní principy, vedoucí k nahrazení klasického papíru a inkoustu jejich digitálními ekvivalenty se v blízké budoucnosti ještě nemusíme obávat toho, že by tento nástup nových technologií byl nějak zvlášť prudký. Dříve než s elektronickou knihou se pravděpodobně setkáme s využitím elektronického inkoustu například v nových typech obrazovek či na reklamních billboardech. Nicméně vývoj jde stále vpřed a nové poznatky v této oblasti se objevují nikoli po letech ale doslova po týdnech.

    8. Použité informační zdroje

    Zahraniční:

  • http://www.parc.com - Palo Alto Research Centrum (PARC)
  • http://www.xerox.com - Xerox Company
  • http://www.gyriconmedia.com - Gyricon Media Inc.
  • http://www.eink.com - E Ink
  • http://www.lucent.com - Lucent Technologies
  • http://www.bell-labs.com - Lucent's Bell Labs
  • http://www.anoto.com - Anoto Group
  • http://www.nytimes.com - The New York Times

    Tuzemské:

  • http://www.hamoun.cz
  • http://www.scienceworld.cz
  • http://www.rozhlas.cz
  • http://www.grafika.cz
  • http://www.svethardware.cz
  • http://knihovny.cvut.cz


    Příloha A

    Porovnání základních vlastností elektronického inkoustu a dnešních LCD displejů

     
    Vlastnost Elektronický inkoust LCD displej
    Zobrazovací úhel Široký Nejlepší zobrazení pouze v jedné pozici
    Barva Modrá, černá, červená nebo zelená na bílé Šedá na šedé
    Čitelnost na slunečním světle Velmi dobrá Špatná
    Čitelnost pří špatných světelných podmínkách Dobrá Vyžaduje podsvícení
    Udržení zobrazených informací Bez nutnosti napájení Vyžaduje trvalé napájení
    Použitelné materiály Plast, kovy, papír, sklo atd. Sklo
    Hmotnost Lehký Poměrně těžký (díky napájení a sklu)
    Tloušťka Tenký (cca 1 mm) Silný (cca 7 mm)
    Rozměrové limity Snadno vyrobitelný ve velkých rozměrech Při větších rozměrech narůstá významně cena
    Flexibilita Ohebný Neohebný

    Příloha B

    Výhody a nevýhody klasického tisku v porovnání s digitálními technologiemi

    Výhody:

  • Maximální kvalita zobrazení textu, obrázků, grafiky a barev.
  • Možnost použití "off-line", tj. bez jakýchkoliv technických pomůcek.
  • Snadná orientace v tištěné publikaci (záložky, štítky, apod.)
  • Knihy, noviny a časopisy dosahují bezkonkurenční hodnoty, vzhledu i vlastností.

    Nevýhody:

  • Časově a finančně náročný výrobní proces.
  • Z hlediska poměru cena/výkon se vyplatí jen jako masmédium.
  • Jednorázové produkty bez možnosti aktualizace.
  • Náročná přeprava, skladování a archivace.