Электронные чернила: принцип работы, история и будущие применения

---

Электронные чернила — часто называемые е-инк — передовая пигментная система, меняющая цвет под воздействием электрического поля. Технология опирается на заряженные двухтонные полимерные частицы, инкапсулированные в прозрачную оболочку, взвешенные в растворителе до нанесения на поверхность. Первоначально разработанные в начале 1990-х, е-инк предлагают привычный вид и тактильность бумаги, добавляя способность обновлять контент по требованию.

Общие сведения

Чернила веками были надежным носителем, ценным за переносимость, низкие энергопотребление и долговечность. Их главное ограничение — после печати контент нельзя изменить. Электронные чернила замыкают этот разрыв, сохраняя тактильные качества традиционной бумаги и чернил, предоставляя динамическое высокоемкое хранение данных, обновляемое с минимальной энергией.

Как обычные чернила, е-инк — жидкость, которую можно покрывать на почти любой субстрат. Внутри жидкости миллионы микрокапсул содержат крошечные двухтонные полимерные частицы. Одна сторона каждой частицы темная, другая — светлая, и две стороны несут противоположные электрические заряды. Когда применяется электрическое поле, частицы вращаются так, что либо темная, либо светлая сторона обращается к поверхности, делая область черной или белой.

Высокое разрешение дисплеев возможно, потому что е-инк может достигать более 1200 пикселей на квадратный дюйм — далеко за пределами 300 пикселей на квадратный дюйм в типичной газете. Эта плотность делает его подходящим для почти любого печатного носителя.

На практике компьютер может управлять каждым пикселем чернил, включая или выключая группы смежных пикселей для формирования текста, чисел или изображений. Хотя это было бы сложно на обычной бумаге, исследователи разрабатывают специальные «бумагоподобные» субстраты со встроенной микроэлектроникой, адресующими каждый пиксель, или альтернативно сканеры, интерпретирующие электрическое поле.

Одной из самых убедительных особенностей е-инк является сохранение конфигурации после удаления электрического поля. Только крошечное количество энергии нужно для переконфигурации чернил, позволяя устройствам вроде электронных книг отображать тысячи разных текстов, потребляя меньше энергии, чем обычные дисплеи.

История

Хотя печатное слово датируется веками, концепция электронных чернил возникла в конце 1970-х в Xerox PARC. Команда построила прототип, использующий миллионы крошечных магнитных частиц с противоположными черными и белыми гранями на гибкой резиновой поверхности. Частицы переворачивались в ответ на электрический заряд, имитируя пиксели видеэкрана. Устройство никогда не вышло на рынок из-за громоздкости и сложности.

В следующем десятилетии исследователи уточняли идею, в конечном счете приведя к первой коммерчески жизнеспособной электронной книге. В 1993 г. исследователь МИТ Джо Джейкобсон изучил версию с обратимыми полимерными частицами. К 1996 г. он подал патент, выданный в 2000 г., и в 2002 г. основал E Ink Corporation для вывода технологии на рынок.

Первый продукт E Ink, дисплей Immedia, — бумагоподобный знак, программируемый для смены сообщения. Компания видит будущее, где е-инк используется на газетах, книгах, журналах, одежде и далее.

Сырьё

Производство е-инк опирается на ряд материалов, включая полимеры, реактивные агенты, растворители и красители.

Полимеры вроде полиэтилена или поливинилиденфторида выбирают за способность плавиться, затем затвердевать, сохраняя стабильные диполя. Эти полимеры формируют заряженные окрашенные сегменты чернил.

Наполнители корректируют физические свойства полимеров. Поскольку полимеры обычно бесцветны, красители или пигменты добавляют для создания необходимого контраста. Диоксид титана дает белый, оксиды железа — желтый, красный или коричневый, а органические красители вроде пиразолоновых красных или квинакридонового фиолетового дают дополнительные оттенки. Пластификаторы модифицируют электрические характеристики, стабилизаторы — такие как ненасыщенные масла (например, соевое масло) — предотвращают деградацию полимеров при нагреве.

Защитные добавки включают УФ- поглотители (например, бензофеноны) и антиоксиданты (например, алифатические тиолы) для защиты от УФ-повреждений и оксидации.

При инкапсуляции вода формирует эмульсию, переносящую мономеры, агенты перекрестного связывания и силиконовое масло — гидрофобную бесцветную среду, удерживающую частицы взвешенными. Гелевые или полимерные добавки могут вводиться для усиления стабильности системы.

Эти заряженные наночастицы могут ориентироваться электрическим полем, позволяя поверхности переключаться из белого в черное — или наоборот — по воле.

Процесс производства

Е-инк производится через методичный пошаговый подход. Сначала двум контрастным чернилам присваивают противоположные заряды, затем инкапсулируют в проводящие микросферы перед нанесением на целевую поверхность.

Производство заряженных чернил

• 1. Две жидкие полимеры подают в отдельные контейнеры с атомизирующими насадками. Пока полимеры остаются нагретыми, одна насадка несет положительный потенциал, другая — отрицательный. Прессоверенный поток атомизирует жидкости в мелкие капли, приобретающие назначенные заряды. Капли встречаются в смесительной камере, где их противоположные заряды притягиваются и формируют более крупные электрически нейтральные частицы.
• 2. Только что образованные частицы остывают и затвердевают в маленькие двухтонные сферы с одной положительно заряженной стороной и одной отрицательно заряженной. Они затем проходят через нагревательный элемент, снижающий поверхностное натяжение, производя почти идеальные сферы.
• 3. Электроды скринируют частицы, удаляя те, что неправильно заряжены. Оставшиеся, хорошо заряженные частицы передают на стадию инкапсуляции.

Инкапсуляция чернил

• 4. Заряженные частицы взвешивают в баке с раствором мономера, диспергированным в силиконовом масле. Водная фаза добавляется, создавая стабильную масло-водную эмульсию. Частицы остаются в силиконовом масле, пока вода окружает их.
• 5. Агент перекрестного связывания инициирует полимеризацию, формируя крошечные полимерные оболочки, обрамляющие частицы и любой остаточный силиконовый масел. После реакции частицы отделяют от водной фазы испарением и растворительной промывкой.
• 6. Готовые частицы е-инк хранят в жидком растворителе до готовности к нанесению. В зависимости от конечного продукта, чернила могут наноситься на специализированную бумагу, ткань или другие волокна.

Контроль качества

Поскольку е-инк все еще нишевая технология, производственные объемы умеренные, позволяя каждому шагу проходить строгое тестирование. Качественное обеспечение начинается с входного контроля сырья — проверки pH, вязкости, удельного веса, цвета и внешнего вида. Готовые чернила затем тестируют на отзывчивость к электрическим полям: образец наносят на тонкую поверхность, применяют поле и верифицируют смену цвета. Размер частиц также измеряют с помощью сит для обеспечения постоянства.

Будущее

Ранние устройства е-инк — простые двухтонные дисплеи, сравнимые с плоско-панельной электроникой. Однако последующие поколения обещают более широкие применения и могут переформировать то, как мы потребляем информацию. Изначально е-инк предназначен для наружных билбордов, портативных устройств, книг и газет. В конечном счете, он может быть применен практически к любой поверхности — одежде, стенам, этикеткам продуктов, бампер-стикерам — делая динамические сообщения повсеместными.

Текущие формулировки е-инк ограничены черным и белым, что ограничивает цветовую точность. Исследования ведутся для внесения дополнительных цветов и их независимого управления. После достижения е-инк-покрытые поверхности могут соперничать с визуальной богатостью обычных дисплеев, сохраняя низкое энергопотребление и высокую читаемость бумаги.