محدودیت ۷۰ ولتی: چرا نمایشگرهای جوهر الکترونیکی نمی‌توانند نرخ نوسازی ۶۰ هرتز داشته باشند

درون صفحه نمایش یک کتابخوان الکترونیکی استاندارد، میلیون‌ها کپسول پلیمری شفاف—که هر کدام دقیقاً ۴۰ میکرومتر قطر دارند—حاوی سوسپانسیونی از دی‌اکسید تیتانیوم و کربن سیاه هستند. هنگامی که کاربر صفحه‌ای را ورق می‌زند، یک ترانزیستور لایه نازک یک میدان الکتریکی را در سراسر این کپسول‌ها اعمال می‌کند و ذرات سفید را به صورت فیزیکی به سطح می‌کشد و ذرات سیاه را به پایین هل می‌دهد.[1]

این فرآیند الکتروفورتیک اساس کاغذ الکترونیکی است و نمایشگری را ارائه می‌دهد که نور محیط را منعکس می‌کند و پس از تنظیم تصویر، هیچ توانی مصرف نمی‌کند. از آنجا که تصویر توسط رنگدانه‌های فیزیکی و نه نور ساطع شده تشکیل می‌شود، خواص نوری جوهر روی کاغذ را کاملاً تقلید می‌کند. اما این همچنین یک مکانیسم فیزیکی است که توسط قوانین دینامیک سیالات محدود شده است، به همین دلیل این فناوری اساساً برای نرخ نوسازی ۶۰ هرتز که در نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) استاندارد است، نامناسب باقی مانده است.[1]

تولیدکنندگان اغلب نسل‌های جدید کاغذ الکترونیکی را به عنوان پیشرفت‌هایی در سرعت به بازار عرضه می‌کنند. به عنوان مثال، پلتفرم گالری ۳ شرکت E Ink، زمان به‌روزرسانی سیاه و سفید خود را به ۳۵۰ میلی‌ثانیه کاهش داد، در حالی که در تکرارهای قبلی این زمان دو ثانیه کامل بود. برای خواندن استاندارد، یک سوم ثانیه تقریباً غیرقابل درک است.[3]

با این حال، حتی این سرعت شتاب‌یافته نیز چندین مرتبه کندتر از پنجره ۱۶٫۶ میلی‌ثانیه‌ای مورد نیاز برای رندر کردن یک فریم واحد با نرخ ۶۰ هرتز است. برای پر کردن این شکاف، برخی از تولیدکنندگان دستگاه‌ها از شکل موج‌های نوسازی جزئی استفاده می‌کنند—الگوریتم‌های نرم‌افزاری که فقط ذرات را تا حدی در مایع حرکت می‌دهند تا پیمایش سریع‌تری درک شود.

این به‌روزرسانی‌های جزئی همان چیزی هستند که باعث ایجاد ردیابی‌های ضعیف باقی‌مانده می‌شوند که به عنوان شبح‌سازی (Ghosting) شناخته می‌شوند. از آنجا که ذرات دی‌اکسید تیتانیوم انتقال کامل خود را به بالا یا پایین کپسول تکمیل نمی‌کنند، بقایای تصویر قبلی در وسط مایع معلق می‌مانند و به صورت سایه‌ای در پشت متن جدید قابل مشاهده هستند. یک نوسازی واقعی و تمیز نیازمند آن است که ذرات کل عمق میکروکپسول را طی کنند.

محدودیتی که مانع از نوسازی کامل ۱۶٫۶ میلی‌ثانیه‌ای می‌شود، قدرت پردازش دستگاه نیست، بلکه ویسکوزیته (گرانروی) روغن هیدروکربنی داخل کپسول است. برای حرکت یک ذره دی‌اکسید تیتانیوم در طول یک شکاف ۴۰ میکرومتری در آن زمان، ذره باید تقریباً با سرعت ۲٫۴ میلی‌متر در ثانیه حرکت کند.[4]

در خلاء، دستیابی به آن سرعت ناچیز خواهد بود. اما مایع داخل کپسول جوهر الکترونیکی بسیار غلیظ است—این یک انتخاب طراحی ضروری است تا از ته‌نشین شدن ذرات به دلیل گرانش در هنگام قطع برق جلوگیری شود. دستیابی به سرعت ۲٫۴ میلی‌متر در ثانیه از طریق این سوسپانسیون غلیظ، نیازمند افزایش چشمگیر ولتاژ محرکی است که توسط صفحه پشتی اعمال می‌شود.[1][4]

اینجاست که مهندسی برق به یک دیوار فیزیکی سخت برخورد می‌کند. مواد پلیمری تولید شده به روش افزودنی، مشابه رزین‌هایی که برای تشکیل میکروکپسول‌های جوهر الکترونیکی استفاده می‌شوند، معمولاً مقاومت شکست دی‌الکتریک در حدود ۳۲٫۱ کیلوولت بر میلی‌متر را نشان می‌دهند. آن‌ها عایق هستند، اما فقط تا یک نقطه مشخص.[2]

اگر بخواهیم ذرات الکتروفورتیک را به اندازه‌ای سریع حرکت دهیم که به نرخ نوسازی ۶۰ هرتز برسند، به ولتاژهای محرکی بیش از ۷۰ ولت در سراسر این شکاف میکروسکوپی نیاز داریم. در آن ولتاژ، میدان الکتریکی از آستانه دی‌الکتریک دیواره پلیمری فراتر می‌رود. میکروکپسول عملاً اتصال کوتاه کرده، پلیمر پاره می‌شود و نمایشگر برای همیشه از بین می‌رود.[2][4]

هنگامی که رنگ معرفی می‌شود، محدودیت‌های فیزیکی حتی سخت‌تر می‌شوند. سیستم‌های پیشرفته کاغذ الکترونیکی رنگی (ACeP) مانند گالری ۳، آرایه فیلتر رنگی سنتی را به نفع یک سیستم جوهر چهار ذره‌ای کنار می‌گذارند: فیروزه‌ای، سرخابی، زرد و سفید. از آنجا که هر چهار رنگدانه حجم مایع یکسانی را به اشتراک می‌گذارند، باید به صورت متوالی با استفاده از شکل موج‌های ولتاژ پیچیده حرکت داده شوند تا از برخورد جلوگیری شود.[3]

در نتیجه، بهترین حالت رنگی در پنل گالری ۳ به ۱۵۰۰ میلی‌ثانیه نیاز دارد تا یک نوسازی واحد را تکمیل کند. هرچه کپسول ذرات بیشتری داشته باشد، انتقال باید کندتر باشد تا وفاداری تصویر حفظ شود. تلاش برای عجله در این فرآیند منجر به رنگ‌های کدر و کم‌رنگ می‌شود، زیرا رنگدانه‌ها نمی‌توانند به موقعیت‌های بهینه خود در سطح کپسول برسند.[3]

با درک این محدودیت‌های فیزیکی، صنعت نمایشگر تا حد زیادی دست از تلاش برای وادار کردن فناوری الکتروفورتیک به رفتار مشابه LCD برداشته است. به جای دنبال کردن پخش ویدئوی ۶۰ هرتز، توسعه به سمت بهینه‌سازی مزایای دوپایدار (Bistable) این رسانه تغییر کرده است.

همانطور که جانسون لی، مدیرعامل E Ink، در مورد حرکت به سمت رنگ با کیفیت بالا اظهار داشت، «برای اولین بار، سری پلتفرم جوهر تمام رنگی گالری ما می‌تواند برای تجربه بهتر خواندن و خرید کتاب‌های الکترونیکی، و برای مشاهده و ویرایش اسناد رنگی در یادداشت‌های الکترونیکی ارائه شود.»[3]

نمایشگر جوهر الکترونیکی ۶۰ هرتز تحت معماری‌های میکروکپسول فعلی، یک غیرممکن فیزیکی باقی می‌ماند. تا زمانی که علم مواد یک مایع سوسپانسیون با ویسکوزیته تقریباً صفر کشف نکند که همچنان بتواند ذرات را به طور نامحدود معلق نگه دارد، یا یک پلیمر میکروکپسول که قادر به تحمل جهش‌های ولتاژ عظیم بدون شکستن باشد، کاغذ الکترونیکی یک رسانه کند و با تأمل باقی خواهد ماند. این فناوری با محدودیت‌هایش تعریف می‌شود، و دقیقاً همان محدودیت‌ها هستند که باعث کارکرد آن می‌شوند.