Historia e-papieru. Od czarnobiałego e-ink do kolorowego Mirasol

Czytniki ebooków mają wiele zalet. Należą do nich bez wątpienia możliwość przechowywania w jednym małym urządzeniu całej biblioteki w formie cyfrowej oraz fakt, że zastosowany w nich ekran nie męczy oczu. Postanowiłem przybliżyć czytelnikom zasadę działania użytego w e-papieru, a także wymienić jego zalety i wypunktować wady.

Aby czytnik ebooków był w stanie zastąpić prawdziwą książkę musi spełnić szereg warunków. Oczywiście musi być on lekki, poręczny i maksymalnie prosty w użyciu. Ale najważniejsze jest to, aby wrażenia z czytania za pośrednictwem takiego urządzenia były jak najbardziej zbliżone do tych odczuwanych podczas czytania z kart papierowej książki. Takie zadanie spełnia właśnie elektroniczny papier wyświetlający litery na jasnym, ale nieświecącym tle.

Podczas korzystania z urządzeń, w których ekran wykonany jest z elektronicznego papieru, wrażenia są diametralnie inne niż podczas używania sprzętów wyposażonych w klasyczny ekran LCD. Czytanie książek z ekranu komputera, tabletu i smartfona nie jest przyjemne i szybko może zniechęcić użytkowników do ebooków. Czytnik ebooków wręcz zachęca do tego, aby z niego korzystać. Nie męczy oczu i jest dobrze widoczny w słońcu i posiada bardzo dobre kąty widzenia.

Dużą zaletą e-papierowych ekranów jest to, że pobierają one prąd wyłącznie podczas zmiany strony. Po wyświetleniu karty z książki urządzenie nie pobiera energii. Niski pobór prądu skutkuje bardzo długim czasem pracy na jednym ładowaniu. Energia zgromadzona w akumulatorze potrafi wystarczyć nawet na kilka tygodni. Urządzenia mogą pozostać przy tym i tak możliwie cienkie i lekkie. Jednym słowem, same plusy.

Oczywiście e-papier nie jest w stanie zastąpić klasycznego LCD do innych celów niż czytanie z prostej przyczyny: nie wyświetla kolorów, tylko kilka odcieni skali szarości. Co prawda powstały już pierwsze prototypy kolorowego e-papieru, ale te projekty są jeszcze w powijakach. Co pół roku pojawia się nowa obiecująca technologia, ale potem znów jest tylko cisza. Na dziś trzeba się pogodzić z tym, że ekrany z czytników ebooków nie nadają się do zastosowania w smartfonach i tabletach.

Tak jak w przypadku klasycznych ekranów, tak i w przypadku e-papieru może być on wykonany w różnych technologiach. Klasyczne ekrany w smartfonach i tabletach rozróżnia się głównie na LCD i Amoledy. Najczęściej spotykany elektroniczny papier, ale nie jedyny dostępny, to taki, jaki stosowany jest w najpopularniejszych czytnikach ebooków firmy Amazon - Kindle.

Jego zasada działania jest względnie prosta. W wyświetlaczu umieszczone są bardzo małe kuleczki “atramentu”, które reagują na impuls elektryczny. W rezultacie tworzą piksele, a patrząc na czytnik z odległości kilkudziesięciu centymetrów zmieniają się one w litery. Przy każdorazowej zmianie strony czytnik wysyła informację do tych zbiorników z atramentem, jaki stan mają w danej chwili przybrać i renderuje tekst.

Oczywiście e-papierowe ekrany mogą mieć różną jakość, wielkość i rozdzielczość- dokładnie tak samo jak smartfony, tablety i klasyczne monitory. Lepsze modele czytników posiadają ekrany o lepszym kontraście i większej licznie pikseli, które tym samym wyświetlają ostrzejszy tekst. Lepsze ekrany mają też więcej odcieni szarości - czasem jest ich od czterech do ośmiu, ale coraz częściej już szesnaście.

Należy też pamiętać, że czytnik to nie książka i obchodzić się z nim ostrożnie. Co prawda e-papier nie jest jakoś szczególnie delikatny podatny na uszkodzenia, ale jeśli zostanie przyciśnięty z dużą siłą lub nienaturalnie wygięty, to może się uszkodzić. Zwykle nie ma problemu w takiej sytuacji z wymianą czytnika Kindle na nowy po skontaktowaniu się z obsługą klienta, ale w przypadku innych producentów nie musi być tak różowo. No i lepiej po prostu dmuchać na zimne.

Opisana wyżej technologia e-papieru nie jest ani pierwszą, która powstała, ani jedyną dostępną. Często zresztą błędnie e-papier nazywany jest E Ink, co można tłumaczyć jako elektroniczny atrament. Jest to błąd, ponieważ E Ink jest nazwą tylko jednej z technologii, w dodatku zastrzeżoną. Takie firmy jak między innymi Amazon, Nook, Sony, Onyx i eClicto po prostu korzystają z tej technologii. O historii rozwoju e-papieru można przeczytać na Wikipedii.

Za prekursora ekranu dzisiejszych czytników można uznać technologię o nazwie Gyricon, która została opracowana w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Wtedy to Nick Sheridon z Xerox’ Palo Alto Research Center opatentował swój wynalazek. Składał się on z mikroskopijnych magnetycznych kulek - z jednej strony białych, z drugiej czarnych. Umieszczone miedzy dwoma cienkimi foliami, z których jedna przewodziła prąd, zmieniały swoją orientację po przyłożeniu silnego pola elektrycznego.

Dwie dekady później został opracowany kolejny rodzaj epapieru, tym razem przez Josepha Jacobsona. Tutaj użyto po raz pierwszy mikroskopijnych kapsułek, które wypełniały naładowane elektrycznie białe drobiny zawieszone w oleju. W normalnych warunkach drobiny utrzymują się na jego powierzchni, a po przyłożeniu słabego pola elektrycznego od dołu odsłaniają one kolor oleju, w którym pływają. Technologia ta przyczyniła się do powstania współczesnego epapieru.

Tym rodzajem e-papieru jest właśnie E Ink. Ekrany składają się z milionów kapsułek, które zawierają białe i czarne pływające cząstki. Kapsułki te pozwalają tym samym na wyświetlanie białych lub czarnych pikseli. To, który kolor znajdzie się na górze zależy od tego, jaki zostanie użyty potencjał elektryczny - w zależności od polaryzacji elektrod dodatnio naładowane cząstki białe i ujemnie naładowane cząstki czarne mogą zmieniać pozycję z góry na dół.

W czytnikach ebooków może występować mruganie ekranu, które często powoduje niepokój początkujących użytkowników. Nie ma się jednak czym martwić, bo jest to normalne zjawisko wspólne dla każdego ekranu tego typu. Związane jest ono bezpośrednio ze zjawiskiem tzw. ghostingu, czyli pozostawaniu na ekranie pozostałości poprzednich stron. Niestety nie da się w pełni wyeliminować tego zjawiska, ale naprawdę nie ma się czego obawiać.

Jak wcześniej wspomniałem, e-papier pobiera energię jedynie podczas zmiany strony, a dokładniej zmiany koloru tych wszystkich mikroskopijnych kapsułek z “atramentem”. Aby oszczędzać energię domyślnie w nowszych czytnikach po przerzuceniu karty kuleczki zmieniają swój kolor jedynie w razie potrzeby, aby wyświetlić nowe litery. Może się jednak zdarzyć, że na ekranie pozostanie ledwie zauważalny ślad poprzedniej strony.

Aby ekran nie stał się po pewnym czasie nieczytelny, zapobiega się temu poprzez pełne odświeżenie ekranu co kilka stron. To właśnie wtedy ekran na chwilę błyska i wyświetla się w negatywie. To także zupełnie normalne zjawisko, którym nie trzeba się martwić. Po pewnym czasie przestaje się na to zupełnie zwracać uwagę. Z reguły zresztą ustawienia producenta są wystarczające do tego, aby pełne odświeżenie miało miejsce zanim ekran stanie się nieczytelny.

Są jednak osoby, którym zjawisko ghostingu po prostu przeszkadza. Może to mieć też miejsce, gdy czytana książka zawiera bardzo dużo ilustracji. Jeśli ghosting okaże się problemem i będzie sprawiał dyskomfort podczas lektury, najlepiej wejść do ustawień czytnika i wymusić odświeżanie się ekranu przy każdorazowym przerzuceniu wirtualnej kartki. Wtedy co stronę czytnik będzie renderował litery od nowa, ale różnica szybkości zmiany stron jeśli istnieje - to nie jest zauważalna gołym okiem.

Pierwsze czytniki obsługiwane były za pomocą zwykłych guzików. Niektóre z nich posiadały fizyczne klawiatury, jak na przykład świetny Kindle Keyboard. Inne, w tym kolejna generacja czytnika Amazonu Kindle o nazwie Classic, klawiatury już nie posiadała. Przyciski pozwalały w nim na zmianę stron, ale tekst wprowadzany był już poprzez naprowadzenie kursora na odpowiednią literę za pomocą kierunkowego d-pada.

Nie ma co ukrywać, nie jest to najwygodniejszy sposób wprowadzania treści. Sam wyznaję zasadę, że czytnik służy do czytania, a nie pisania. Wielu osobom przydaje się on jednak do przeglądania sieci w awaryjnych sytuacjach i sporządzania notatek podczas lektury. Przy tych zastosowaniach wygodna klawiatura jest nieoceniona. Są na szczęście na rynku modele wyposażone już w ekran dotykowy, który umożliwia pisanie na klawiaturze ekranowej.

Wygląda to wtedy podobnie jak na smartfonach i tabletach. Aby było to możliwe, czytniki muszą rejestrować dotyk. Jest kilka sposobów na osiągnięcie tego efektu. Przykładem jednego z rozwiązań może być pierwszy model Kindle z dotykowym ekranem o nazwie Touch. Nad ekranem przebiegają niewidoczne wiązki światła podczerwonego. Dotknięcie ekranu powoduje ich przerwanie, a czytnik rejestruje jego miejsce.

W nowszym Kindle Paperwhite znajduje się natomiast taka sama dotykowa warstwa, jak w telefonach komórkowych i tabletach. W tym wypadku czytnik reaguje na dotknięcie ludzkiej skóry lub specjalnego rysika i nie da się go obsłużyć w zwykłych rękawiczkach. Samo wprowadzanie tekstu jest tak samo komfortowe, niezależnie od zastosowanej technologii. Ekran co prawda odświeża się z widocznym opóźnieniem, ale nie potrzeba wiele czasu aby nabrać wprawy.

Podstawową zaletą czytników z e-papierem jest to, że nie męczą oczu. Nie wymagają stałego podświetlenia tak jak ekrany LCD i a renderowane na nich litery są bardzo dobrze widoczne w świetle słonecznym. Wiele osób może zdziwić fakt, że najnowsze czytniki firm Amazon (o nazwie Paperwhite) oraz Nook (model Simple Touch Glowlight) posiadają... świecące ekrany. Tylko tak naprawdę “podświetlenie” nie do końca oddaje naturę tego rodzaju e-papieru.

Znacznie lepszym określeniem byłoby tutaj “nadświetlenie”. Światło nie jest emitowane spod tekstu prosto do oczu użytkownika. Diody umieszczone są w ramce urządzenia. Nad ekranem znajduje się specjalna przezroczysta warstwa pełna malutkich kanalików, które rozprowadzają światło po całej powierzchni ekranu. Czytnik nie traci na widoczności w słońcu, a w jasnym pomieszczeniu diody wybielają nieco tło liter jeszcze bardziej upodobniając ją do papieru dobrej jakości - stąd zresztą nazwa nowego Kindle’a, Paperwhite.

Po zmroku czytnik umożliwia lekturę także wtedy, kiedy niemożliwe byłoby czytanie ze zwykłej książki. Moim zdaniem “nadświetlenie” jest jedną z najlepszych innowacji, jaka spotkała w ostatnich latach czytniki ebooków. Do tej pory ratowałem się zewnętrzną lampką, bądź w kiepskich warunkach przerzucałem się po prostu na smartfon. Teraz nie muszę pamiętać o wożeniu ze sobą dodatkowego gadżetu, a czytnik sprawdza się w każdej sytuacji.

Oczywiście czytanie w nocy przy zgaszonej lampce i świecącym ekranie w czytniku nie jest równie komfortowe jak przy świetle zewnętrznym, ale nieporównywalnie mniej męczy wzrok niż czytanie w łóżku z tabletu. O moich wrażeniach związanych ze zmianą klasycznego czytnika na model z podświetlanym ekranem możecie przeczytać w moim porównaniu Kindle Classic i Paperwhite. Z przesiadki nie jestem w pełni zadowolony, ale bynajmniej nie z powodu podświetlenia.

Za największe wady e-papieru uznaje się wyświetlanie jedynie kilku odcieni skali szarości, brak kolorów oraz wolne odświeżanie się ekranu. Z tego powodu nie ma co nawet myśleć o zastosowaniu e-papieru w takich urządzeniach jak smartfony i tablety, gdzie wyświetlane jest mnóstwo dynamicznie zmieniających się treści. Istnieją dziś prototypy smartofonów z czarnobiałym epapierem, ale traktuję je bardziej jako ciekawostki przyrodnicze, niźli realne alternatywy.

Pojawiają się też pierwsze modele czytników z kolorowym ekranem, ale są one piekielnie drogie i jeszcze niedopracowane. Zastosowanie jakiegoś nowego e-papieru w kosmicznej technologii mogłoby zażegnać problemy z czasem pracy smartfonów na akumulatorze, który dzisiaj jest bardzo mizerny. Natomiast kolorowy e-papier w tabletach raz na zawsze zażegnałby spór o to, które urządzenia elektroniczne najlepiej nadają się do czytania, i które w przyszłości będą dominować - tablety czy czytniki.

Kolorowy, “nadświetlany” e-papier mógłby w końcu połączyć czytnik ebooków i tablet w jedno uniwersalne urządzenie, łącząc zalety i eliminując wady każdego z osobna. Idealnie nadawałby się do czytania na jednym urządzeniu nie tylko książek, ale też cyfrowych wersji gazet, magazynów, a nawet komiksów. Innym kierunkiem rozwoju, w którym mógłby pójść e-papier jest elastyczność. Obecnie czytniki konstrukcją przypominają nadal bardziej tablety, niźli książki i magazyny.

Stworzenie czytnika, który można dowolnie wyginać, zwinąć w rulon i włożyć do kieszeni spodni nie martwiąc się o to, że się popsuje to byłoby coś. Wrażenie czytania na takim urządzeniu byłoby jeszcze lepsze, ale to jednak także jak na razie odległa przyszłość. Barierą jest teraz już nawet nie tyle sam -epapier, który może mieć elastyczne właściwości, co konieczne elementy elektroniczne i zasilający je akumulator.

Jednym z producentów pracujących nad kolorowym e-papierem jest Qualcomm. Już od kilku lat rozwija on technologię o nazwie Mirasol, która mogłaby być odpowiedzią na problemy trapiące tablety i czytniki ebooków. Wspominano o nim już w 2009 roku, a dwa lata później pojawił się pierwszy korzystający z tej technologii czytnik Kyobo eReader. Trafił do sprzedaży w Korei Południowej w cenie 310 dolarów, ale nie powalał jakością ani rozdzielczością. Od tego czasu temat trochę ucichł.

Przez pewien czas można było już pomyśleć, że prace nad tym typem ekranu zostały przez Qualcomma porzucone. Niespodziewanie jednak w zeszłym miesiącu pojawiły się informacje o kolejnych postępach w pracach nad kolorowym e-papierem. Dla przypomnienia tylko dodam, że Mirasol to technologia zbliżona do e-papieru E Ink, tylko wyświetlająca oprócz odcieni szarości również kolory. Każdy z pikseli składa się w tym wypadku z trzech subpikseli o kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim. Każdy składa się w dwóch warstw, między którymi znajduje się wolna przestrzeń. Po otwarciu szczeliny subpiksel odbija światło o konkretnej długości fali wyświetlając dany kolor. Po jej zamknięciu kolor przestaje być widoczny.

Na majowym SID Display Week w Vancouver pokazano zupełnie nowe ekrany o przekątnych od 1,5 cala (w domyśle dla zegarków typu smartwatch) do 5,1 cala (smartfony, czytniki). Zaskakujące są proponowane rozdzielczości, które mogą wynosić nawet 2560 na 1440 pikseli, co przy tak małej powierzchni daje zagęszczenie pikseli na poziomie 557 PPI. Wedle doniesień dziennikarzy Engadget, którzy widzieli ekrany na żywo ich jakość jeszcze nie jest oszałamiająca, ale obraz jest “ostry i wyraźny”.

Tak jak w klasycznym e-papierze energia potrzebna jest wyłącznie do zmiany stanu piksela z “jest kolor” na “brak koloru”, a nie jego podtrzymania. Takie ekrany mają być nawet sześciokrotnie mniej prądożerne niż zwykłe LCD i OLEDy. Więcej o tym jak dokładnie działa ekran Mirasol możecie przeczytać w tym dokumencie, a o nowościach przedstawionych w maju na SID Display Week na łamach Spider’s Web pisał Damian.

E-papier to świetny wynalazek. Sam byłem bardzo sceptyczny jeśli chodzi o czytniki ebooków, ale zakup takiego urządzenia okazał się strzałem w dziesiątkę. Ograniczeniem jest czarnobiały ekran, ale wierzę, że w ciągu najbliższych lat ten problem zostanie rozwiązany. Kolorowe e-papierowe wyświetlacze z pewnością okazałyby się hitem poszerzając spektrum możliwości tego typu urządzeń. Niekoniecznie sprawdziłyby się podczas oglądania wideo i grania w gry na tablecie, ale do przeglądania internetu, portali społecznościowych i cyfrowych magazynów już jak najbardziej.

Już teraz zresztą czarno-białe czytniki ebooków mają w niektórych aspektach przewagę nad klasycznymi książkami. Pomijając wagę, wymiary i możliwość zgrania na urządzenie kilkuset pozycji, nie bez znaczenia pozostają inne możliwości, na które pozwala e-papier. Za najważniejszą uznaję możliwość dopasowania wielkości tekstu do osobistych preferencji. Tekst jest w końcu renderowany, a nie wydrukowany w konkretnej wielkości. To bardzo przydatna funkcja dla osób starszych i posiadających problemy ze wzrokiem.

Ale oprócz eczytników widzę jeszcze jedno świetne zastosowanie dla e-papieru: zegarki typu smartwatch. E-papier w końcu może posiadać warstwę dotykową, a w przeciwieństwie do klasycznych wyświetlaczy jest bardzo dobrze widoczny w słońcu - w nocy można natomiast skorzystać z “nadświetlenia” takiego jak w Kindle Paperwhite. A co z kolorem? Moim zdaniem do wyświetlania godziny i podstawowych informacji e-papier bez kolorów też by się nadał.

Nie bez znaczenia jest też to, że smartwatch byłby kolejnym sprzętem, który walczyłby z telefonami, tabletami i całą gamą innych urządzeń elektronicznych o miejsce przy gniazdku. Zastosowanie e-papieru znacznie wydłużyłoby czas pracy takiego urządzenia na jednym ładowaniu. Cieszy, że Qualcomm tworząc Mirasol pomyślał już o takim zastosowaniu. Pytanie, kiedy zobaczymy efekty w postaci komercyjnych urządzeń jeszcze w tym roku?

Wedle odpowiedzi przedstawicieli Qualcomma trzeba poczekać jeszcze kilka lat. Ale tak czy inaczej śledzę z wypiekami na twarzy wszystkie doniesienia o postępach w pracach nad kolorowym, elastycznym e-papierem, bo taka technologia stworzy producentom ogromne możliwości.

I z pewnością jeszcze nie raz ten temat na łamach Spider’s Web poruszę.

Źródła zdjęć: Wikipedia 1, Wikipedia 2.

Wpis powstał we współpracy z partnerem merytorycznym Spider’s Web, firmą Qualcomm.