E-papier - technologia przyszłości w codziennych aplikacjach

Tabela. Przykładowe trzy rozwiązania wyświetlaczy e-paper w różnych wersjach matrycy

Jeszcze parę lat temu wyświetlacze EPD (Electronic Paper Display) można było spotkać niemal wyłącznie w czytnikach książek elektronicznych, gdzie przy przekątnej rzędu 6" miały gęstość upakowania pikseli na poziomie 150-170 ppi. Z czasem firma E Ink, światowy lider w tej technologii, stopniowo usprawniała swoje produkty, oferując modele o większym upakowaniu pikseli, większej liczbie prezentowanych odcieni i lepszym kontraście. W 2012 roku przejęła swojego głównego konkurenta - firmę SiPix, całkowicie dominując rynek.

Obecnie produkowane monochromatyczne wyświetlacze EPD oparte na technologii firmy E Ink cechują się gęstością upakowania pikseli na poziomie do ok. 300 ppi i pozwalają wyświetlać 16 odcieni szarości. W ofercie znajdują się również dwa rodzaje wersji kolorowej: wzbogacone o czerwone piksele albo wyświetlające 4096 barw. Co więcej, ich rozmiary zaczynają się już od około 1", a kończą na ponad 40 calach, dzięki czemu można je dosyć swobodnie dobrać do potrzeb konkretnej aplikacji.

Specyfika elektronicznego papieru

Fot. 1. Wyświetlacz ED312TT2 EPD 31 cali 2560×1440 z kontrolerem Visionect

Idea, jaką kierują się inżynierowie z firmy E Ink, to stworzenie elektronicznego odpowiednika zwykłego papieru, a więc medium, które będzie pozwalało prezentować dowolne treści, bez potrzeby ciągłego dostarczania zasilania. Wyświetlacze typu EPD pobierają prąd tylko w trakcie zmieniania wyświetlanej treści i same w sobie nie mają podświetlenia. Z punktu widzenia użytkownika przypominają nieco refleksywne wyświetlacze LCD, a więc wymagające zewnętrznego źródła światła, by były czytelne.

Różnią się natomiast tym, że nie ma potrzeby utrzymywania stałej polaryzacji ekranu, by stan poszczególnych pikseli pozostał niezmieniony. Na piksele składają się przezroczyste kapsułki zawierające najczęściej biały i czarny pigment.

Ponieważ oba rodzaje pigmentu mają odmienne ładunki elektrostatyczne, spolaryzowanie spodu kapsułki powoduje, że jeden z barwników przesuwa się ku dołowi, a drugi ku górze, zmieniając kolor piksela. Co ważne, odłączenie napięcia powoduje, że barwniki pozostają na swoim miejscu, a więc wyświetlony obraz się utrzymuje.

Obserwowany kolor piksela zależy od pigmentu, który znajduje się przy górnej stronie kapsułki i w gruncie rzeczy od koloru światła padającego z zewnątrz. Ponieważ wyświetlacze tego typu są przeznaczone raczej do stosowania przy świetle dziennym, dostępne kolory to niemal zawsze czarny i biały, a czasem też dodatkowo czerwony. Aby wyświetlić większą liczbę barw, stosuje się sztuczkę - na wyświetlacz nakładana jest warstwa filtru kolorowego, podobnie jak w wyświetlaczu LCD. Filtr ten sprawia, że odbijane światło zaczyna przyjmować kolor czerwony, zielony lub niebieski, a dzięki dużej gęstości upakowania pikseli jest odbierany jako jedna z kilku tysięcy barw.

Wyświetlacze EPD cechują się dobrą czytelnością i przede wszystkim nie powodują zmęczenia oczu. W praktyce robią wrażenie zadrukowanego papieru, a więc rewelacyjnie sprawdzają się w przypadku dużego nasłonecznienia i można na nie patrzeć z dowolnego kąta. Ostatnio dzięki spadkowi cen zaczęto je coraz częściej stosować zamiast klasycznych, papierowych etykiet.

Wyposażając je w odpowiednie kontrolery, można stworzyć etykiety, których treść da się błyskawicznie, bezprzewodowo zmienić, a które będą działały przez wiele lat na zasilaniu bateryjnym. W efekcie ich koszt szybko się zwraca, gdyż jednostki te pozwalają zaoszczędzić czas potrzebny na ręczne zmienianie etykietek oraz ich kosztów.

Wadą wyświetlaczy EPD jest długi czas odświeżania prezentowanej treści (kilkaset milisekund), w wyniku czego nie nadają się one do pokazywania animacji ani do tworzenia płynnych, interaktywnych interfejsów użytkownika.

Dostępne modele

Fot. 2. EC312TT2 - kolorowy wyświetlacz EPD 31 cali z kontrolerem Visionect

Praktycznie wszystkie oferowane na rynku modele wyświetlaczy EPD bazują na technologiach firmy E Ink. Producent ten dostarcza kilka różnych rodzajów matryc. Do najczęściej spotykanych należą Pearl, Carta i Triton, przy czym pojawiają się w różnych wersjach, różniących się nieco parametrami. Modele serii Triton mają wyraźnie mniejszą rozdzielczość, gdyż ze względu na zastosowanie filtrów kolorów, na jeden piksel składają się w praktyce trzy piksele klasycznego ekranu EPD.

Same matryce oraz wyświetlacze nie są wyposażane w żadne podświetlenie ani doświetlenie. Jeśli wyświetlacz ma być czytelny w nocy, projektant musi samodzielnie zadbać o dodatkowe źródło światła. Wyjątek stanowią trzy modele o przekątnej 6-6,8 cala, w których ramki wbudowano podświetlenie.

Większość wyświetlaczy E Ink może być podklejonych do szkła, dzięki czemu mają odpowiednią sztywność. Niektóre modele, w tym przede wszystkim te mniejsze, są też dostępne w wersji bez szkła, co sprawia, że są elastyczne. Zaletą tych ekranów jest bardzo mała grubość. Modele ze szkłem mają zazwyczaj nieco ponad milimetr grubości, a modele elastyczne - trochę ponad 0,5 mm.

Kontrolery do wyświetlaczy

Fot. 3. ED133UT2 - wyświetlacz EPD 13 cali z kontrolerem Visionect

Specyfika elektronicznego papieru i różnorodność jego zastosowań sprawiły, że na rynku pojawiły się dwa rodzaje kontrolerów do EPD. Różnice pomiędzy nimi można zaprezentować na podstawie produktów firm MpicoSys i Visionect.

Pierwsza z nich postarała się, by z wyświetlaczy marki E Ink można było korzystać podobnie jak z innych wyświetlaczy elektronicznych. W oparciu o energooszczędne mikrokontrolery opracowała sterowniki, które pozwalają precyzyjnie kontrolować ekran, zużywając przy tym jak najmniejszą moc. Komunikacja projektowanego urządzenia ze sterownikiem odbywa się najczęściej za pomocą interfejsu SPI. Takie podejście pozwoliło na zminimalizowanie kosztu sterownika, ale wymaga oprogramowania go, a więc zaawansowanych umiejętności inżynieryjnych.

Firma Visionect obrała zupełnie inną strategię, której celem jest maksymalne uproszczenie obsługi i konfiguracji wyświetlacza. Trudno nawet mówić o jego programowaniu, gdyż zdecydowaną większość pracy zamiast inżyniera wykonuje oprogramowanie dostarczone przez Visionect.

Kontrolery tej firmy bazują na układach scalonych ASIC firmy Epson, zaprojektowanych pod kątem wyświetlaczy E Ink. Kompletny sterownik marki Visionect zawiera też dodatkowy mikrokontroler, na którym pracuje system zarządzający wyświetlaczem i komunikacją. Wyświetlacz ze sterownikiem Visionecta to w praktyce kompletne urządzenie sieciowe. Może łączyć się z otoczeniem za pomocą sieci komórkowych, Wi-Fi, czy Ethernetu przewodowego.

Wyświetlaczem zarządza się poprzez oprogramowanie Visionect Software Suite, które można zainstalować na własnym serwerze, bądź korzystać z instalacji hostowanej przez producenta. Licencja na program jest udzielana przy zakupie modułu. Nabyte urządzenie najpierw podłącza się do komputera, by dokonać wstępnej konfiguracji z użyciem programu Visionect Configurator. W trakcie tej operacji należy m.in. podać adres serwera, za pomocą którego wyświetlacz będzie zarządzany.

Oprogramowanie VSS to kompletny, webowy interfejs graficzny, umożliwiający zmienianie treści wyświetlanej na ekranie i podgląd aktualnej treści, przeglądanie danych odnośnie do poboru mocy, pomiar siły sygnału radiowego odpowiadającego za łączność itd. Oznacza to, że wyświetlacz z kontrolerem VSS właściwie można dostarczać użytkownikowi końcowemu jako gotowe urządzenie. Oprócz tego VSS obejmuje też API, dzięki któremu w łatwy sposób można zaprojektować własny interfejs i mechanizm decydujący o tym, co będzie prezentowane na wyświetlaczu.

Zastosowania

Fot. 4. Visionect software suite

Jak dotąd elektroniczny papier stosowany był przede wszystkim w czytnikach e-booków oraz jako niewielkie etykietki - np. zawierające ceny produktów w dużych sklepach. Nowe rozwiązania w postaci ekranów o przekątnej na poziomie do kilkudziesięciu cali oraz łatwe w użyciu i energooszczędne kontrolery sprawiają, że wyświetlacze EPD polecane są do całego szeregu niespotykanych dotąd aplikacji.

Elektroniczny papier można stosować np. w szpitalach, zamiast kart pacjentów, po jego montażu na łóżkach, a także jako identyfikatory, plakietki oraz wszelkiego rodzaju ekrany i tabliczki informacyjne. Ich użycie podnosi prestiż firmy i pokazuje, że użytkownik dba o środowisko, stosując energooszczędne rozwiązanie, zastępujące papier produkowany z drzew.

Ogromne możliwości daje natomiast zastosowanie EPD na otwartej przestrzeni, np. jako tablic informujących o godzinach odjazdów autobusów czy nawet do prezentacji reklam. Pozwalają pokonać największe trudności związane z wykorzystaniem innych rodzajów wyświetlaczy podczas pracy w bardzo jasnym otoczeniu.

Ekrany LCD, aby były czytelne, wymagają stosowania niezwykle silnego podświetlenia, które nie tylko zużywa dużo energii, ale też mocno podnosi temperaturę ekranu, skracając jego żywotność. Technologia firmy E Ink jest natomiast tym bardziej czytelna, im jaśniejsze jest otoczenie, dzięki czemu nawet gdy słońce jest w zenicie, ekran pracuje bez problemów.

Podsumowanie

Rys. 5. Timing Controller Modules (TCM) firmy MpicoSys

Decydując się na wykorzystanie elektronicznego papieru jako wyświetlacza, należy zastanowić się, jak będzie obsługiwany i wybrać odpowiedni rodzaj kontrolera. Trzeba jednak mieć na uwadze, że kontroler powinien być nabywany od razu z wyświetlaczem. Technologia E Ink sprawia, że do poprawnego działa wyświetlacza konieczne bywa sparowanie z nim kontrolera poprzez wgranie adekwatnej wersji firmware, co może zrobić dostawca.

Taką obsługę zapewnia firma Unisystem, która w ostatnim czasie poszerzyła swoją ofertę o ekrany EPD. Warto dodać, że Unisystem specjalizuje się w wyświetlaczach, dzięki czemu jest w stanie doradzić optymalne rozwiązanie i ocenić, czy zastosowanie elektronicznego papieru będzie miało sens w projektowanej aplikacji.

Marcin Karbowniczek
Unisystem Sp. z o.o.
www.unisystem.pl