Elektronisch papier

Een flexibel, helder beeldscherm met de mogelijkheid er video op af te spelen: Philips Research in Eindhoven ontwikkelde een nieuwe technologie voor elektronisch papier.

KLEINE GEKLEURDE oliedruppeltjes, die zich onder invloed van een elektrische spanning over een oppervlak uitspreiden en weer terugtrekken, vormen de sleutel tot een flexibel beeldscherm dat niet veel dikker is dan een velletje papier. Daarmee wordt het mogelijk om de afzonderlijke pagina's van een boek of krant één voor één af te beelden. Het elektronische papier is ontwikkeld door Robert Hayes en Johan Feenstra van Philips Research in Eindhoven. In vergelijking met eerder ontwikkelde technieken op dit gebied biedt de nieuwe techniek niet alleen een veel helderder beeldscherm, ook is hij zo snel dat er videobeelden in kleur op kunnen worden afgespeeld. Dat lukte tot nu toe met geen enkele andere vergelijkbare technologie (Nature, 25 september).

De eerste stappen op weg naar elektronisch papier werden al in de jaren zeventig gezet. Onderzoekers van het Xerox Palo Alto Research Center (PARC) in Californië maakten een dunne laag plastic met daarin een heleboel fijn verdeelde bolletjes waarvan de twee helften een tegengestelde lading én een contrasterende kleur hebben. Afhankelijk van de spanning die van buitenaf op het plastic wordt aangelegd, draaien de bolletjes en tonen ze hun witte of zwarte kant.

Hoewel dit systeem in principe goed werkte, bleek het niet eenvoudig om er grote beeldschermen van te maken. Het idee verdween daarom in een la, om er pas weer uit te komen toen aan de andere kant van de Verenigde Staten een soortgelijk idee opdook. Twee studenten van het Media Lab van MIT maakten eveneens gebruik van kleine bolletjes (microcapsules van ongeveer een tiende millimeter) alleen waren deze gevuld met een kleurstofoplossing, waarin negatief geladen, witte pigmentdeeljes zweefden. Deze inkt wordt als een dunne laag opgebracht en tussen deels doorzichtige elektroden geplaatst. Door een positieve lading aan te brengen op de bovenste elektrode worden de pigmentdeeltjes naar de bovenkant van de bolletjes getrokken, waardoor die er wit uit gaan zien. Een negatieve lading geeft de bolletjes de kleur van de vloeistof terug.

Pigmentdeeltjes

Gebaseerd op dit principe brengt de E-Ink Corporation uit Massachusetts inmiddels flexibele displays op de markt. Daarmee kunnen echter geen videobeelden worden afgespeeld, omdat de witte pigmentdeeltjes zich te traag door de oplossing voortbewegen. De technologie is echter wel geschikt voor meer statische toepassingen: eind dit jaar brengt E-Ink – samen met Philips! – het eerste E-book op de markt.

De technologie die Hayes en Feenstra ontwikkelden is gebaseerd op een heel ander principe. Zij maken gebruik van een effect (electrowetting) waarbij een normaal gesproken waterafstotend oppervlak (van een speciaal fluorpolymeer, vergelijkbaar met Teflon) door het aanleggen van een elektrische spanning opeens water gaat aantrekken. Elk beeldpunt of pixel van hun beeldscherm bestaat uit een celletje van 250 bij 80 micrometer met daarin een beetje gekleurde olie (de inkt) en water.

In de uitgangstoestand verspreidt de olie zich gelijkmatig over de witte bodem, waardoor deze aan het zicht onttrokken wordt: het beeldpunt ziet er gekleurd uit. Door de spanning op te voeren, wordt het oppervlak aantrekkelijker voor water en hoopt de olie zich op tot een klein druppeltje. Zolang het celletje maar klein genoeg is, is het niet mogelijk met het blote oog onderscheid te maken tussen inktdruppeltje en witte bodem: afhankelijk van de grootte van het druppeltje, die afneemt naarmate de aangelegde spanning groter is, wordt het beeldpunt steeds helderder. Zo is het in principe zelfs mogelijk om elke pixel een eigen `grijswaarde' te geven, en niet alleen wit of zwart zoals bij de andere elektronische inkten. Omdat de olie zich in ongeveer een honderdste seconde terugtrekt of weer verspreidt, is het mogelijk om de beeldpunten snel `aan' en `uit' te zetten en zo videobeelden te laten zien.

De sleutel achter het succes van deze technologie is de lage schakelspanning, van rond de twintig volt, waarvoor maar een kleine spanningsbron nodig is. Het laagje plastic dat zich tussen de olie en de elektrode bevindt moet daarvoor wél heel dun zijn, minder dan een duizendste millimeter. Feenstra: ``Het is nog een hele uitdaging om dat straks ook voor grotere displays van bijvoorbeeld 15 bij 15 centimeter gelijkmatig en zonder gaatjes voor elkaar te krijgen. Voorlopig gaan we eerst werken aan een één inch display, bestaande uit honderd bij driehonderd beeldpunten.''

Omgevingslicht

Bijna alle displays in elektronische apparatuur zijn gebaseerd op een interne lichtbron. Dat is een nadeel, omdat die veel energie opslurpt. Feenstra: ``Zo'n 80 procent van het vermogen van een mobiele telefoon gaat op deze manier in het display zitten. Als je dezelfde helderheid zou kunnen krijgen door uitsluitend het omgevingslicht te gebruiken, dat door het display gereflecteerd wordt en zo zichtbaar maakt wat er op is afgebeeld, doe je dus vijf keer zo lang met je batterijen.'' Er bestaan nu al reflectieve beeldschermen op basis van vloeibare kristallen (LCDs), maar de helderheid daarvan laat te wensen over.

De Philips-onderzoekers wisten met hun aanpak de helderheid van hun kleurendisplay aanzienlijk te vergroten. Eerst splitsen ze elk beeldpunt op in drie afzonderlijke, kleinere beeldpunten (sub-pixels). Naast water bevindt zich daarin niet alleen op de bodem een beetje inkt van een primaire kleur (cyaan, magenta of geel), maar ook, hangend aan de bovenkant, wat inkt van een andere primaire kleur. Beide kunnen onafhankelijk van elkaar `aan' en `uit' gezet worden. Bovenop elk celletje ligt aan de buitenkant een kleurenfilter in de derde, nog resterende primaire kleur.

wanneer beide inktdruppeltjes zich hebben uitgespreid worden alle kleuren geabsorbeerd en is het beeldpunt donker (zwart). Door een spanning aan te leggen op de boven- of onderkant, trekt de gekleurde inkt zich daar terug. Omdat die betreffende kleur niet langer geabsorbeerd wordt, krijgt het beeldpunt die kleur. Hetzelfde principe wordt toegepast in inkjet-printers. Feenstra: ``Op deze manier kunnen we twee van de drie subpixels gebruiken om elke gewenste kleur te maken. Daardoor is ons display twee keer zo helder als elk ander reflectief display en zelfs vier keer zo helder als een LCD, omdat daar ook nog eens een polarisator nodig is die de helft van het licht tegenhoudt.''