Papier électronique - Définition

Introduction

Le papier électronique (également appelé e-paper ou encre électronique), est une technique d'affichage sur support souple (papier, plastique), modifiable électroniquement, cherchant à imiter l'apparence d'une feuille imprimée et qui, comme le papier, ne nécessite pas d'énergie pour laisser un texte ou une image affichée.

Contrairement aux techniques d'affichage classiques qui nécessitent un rétro-éclairage ou l'émission d'électrons, le papier électronique est purement réflectif et utilise la lumière ambiante de la même manière que le papier classique. Un papier électronique doit pouvoir afficher du texte et des images indéfiniment, sans consommer d'énergie, que ce soit pour l'affichage ou pour un éventuel système de traitement de données, et doit permettre le changement de ce qu'il affiche. La plupart des papiers électroniques consomment de l'énergie uniquement lorsque le lecteur clique pour tourner la page. Les pixels d'un tel système doivent donc posséder plusieurs états distincts stables, de manière à garder intact le contenu affiché en l'absence de source d'énergie.

Le papier électronique a été développé dans le but de surmonter certaines limitations liées aux écrans d'ordinateur classiques. Par exemple, le rétro-éclairage de certains écrans peut être agressif pour l'œil humain, alors que le papier électronique reflète la lumière tout comme une feuille de papier classique le ferait. Ainsi, il est très facile de lire sur du papier électronique, quel que soit l'angle sous lequel on le regarde. De plus, le papier électronique est léger, durable, et très flexible par rapport aux autres types d'affichages (mais moins flexible que du papier).

Les applications futures envisagées vont des livres électroniques capables de stocker les versions numérisées de nombreux livres, aux posters permettant de changer la décoration d'une pièce, en passant par les étiquettes électroniques ou la mesure industrielle ou la domotique.

Il ne faut pas confondre papier électronique avec le papier utilisé dans les cahiers numériques.

Technologie

Papier électronique monochrome

Plusieurs technologies permettent de réaliser des papiers électroniques. On en recense deux principales : l'encre électronique et les cristaux liquides bistables.

Encre électronique

• Le composant primaire est une micro capsule qui contient des particules blanches chargées négativement et des particules noires chargées positivement ;
• Lorsque l'on applique un champ électrique négatif, les particules blanches se placent sur une extrémité de la capsule et les noires sur l'autre;
• En plaçant des millions de ces capsules sur une surface et en les commandant par des champs électriques, on peut générer une image en 2 couleurs;
• Par simple adjonction d'une matrice de filtres on obtient une version couleur (4096 couleurs).

Ce système est bistable, une seule impulsion de polarisation suffit à définir si le pixel est "allumé" ou non. De plus, le très fort contraste d'affichage rend l'éclairage direct ou indirect inutile, tout ceci entraîne un gain de consommation énergétique appréciable. Enfin, le support peut être semi-souple, ce qui est une évolution par rapport aux procédés d'affichage classiques.

Les principaux avantages de se système sont :

• La très faible consommation de courant électrique : ce système consomme uniquement lors du changement de page, ensuite la page reste telle quelle sans consommation d'énergie, comme pour un livre, l'éclairage vient de la lumière ambiante.
• La possibilité d'avoir des écrans souples, comme l'est le papier.

Historiquement, le premier papier électronique a été développé à partir des années 1970 par Nick Sheridon au Palo Alto Research Center de Xerox. Le tout premier papier électronique, appelé Gyricon[1], était constitué de sphères de polyéthylène d'un diamètre compris entre 20 et 100 micromètres. Chaque sphère était divisée en deux parties : une demi-sphère noire chargée négativement, et une demi-sphère blanche chargée positivement, le tout formant un dipôle électrostatique pouvant être commandé grâce à deux électrodes. Les sphères sont maintenues prisonnières dans une bulle d'huile permettant leur rotation libre, le tout pris dans une feuille de silicone transparent. La polarité de la tension appliquée aux électrodes de chaque dipôle détermine laquelle des deux faces pointe vers le haut. On peut ainsi contrôler informatiquement les sphères indépendamment les unes des autres.

Dans les années 1990, un autre type de papier électronique a été inventé dans les laboratoires du MIT par Joseph Jacobson, cofondateur de la société E Ink (E Ink a été rachetée en décembre 2009 par la fabricant taïwanais d'écrans LCD PrimeView International (PVI)). Ce nouveau papier utilisait de fins compartiments transparents (microcapsules de 40 micromètres de diamètre) remplis de particules blanches chargées électriquement, plongées dans de la paraffine liquide colorée. Des circuits électroniques permettaient de contrôler la position des particules blanches au sommet de la capsule (pixel blanc) ou au fond de la capsule (pixel de la couleur de l'huile). Cette technologie rappelle fortement les affichages à base d'électrophorèse, mais l'usage de microcapsules au lieu de verre a permis de réaliser de tels afficheurs sur des feuilles de plastique flexibles.

On peut citer par exemple l'usage de particules de dioxyde de titane (blanc) chargées négativement plongées dans du colorant noir. Les microcapsules étaient maintenues dans une couche de polymère liquide transparent pris en sandwich entre deux quadrillages d'électrodes d'oxyde d'indium-étain, un matériau conducteur transparent. Chaque pixel se trouve à l'intersection de deux lignes d'électrodes (une pour chaque couche). La feuille était protégée par une feuille de plastique transparent, portant l'épaisseur totale de la feuille à 80 micromètres (deux fois plus que du papier classique).

Le réseau d'électrodes est connecté à un circuit électronique gérant l'affichage, qui s'occupe du basculement des pixels entre les états blanc et noir. Dans une version plus récente de cette technologie, l'utilisation d'une seule couche d'électrode s'avéra suffisante pour contrôler les pixels.

D'autres recherches sur le papier électronique ont porté sur l'utilisation de transistors à effet de champ organiques (OFET) enchâssés dans un substrat flexible, allant même jusqu'à des essais visant à installer des transistors organiques directement sur du papier classique.

Cristaux liquides bistables

Cette technologie est basée sur un principe unique appelée "rupture surfacique d'ancrage" (voir quelques explications de la technologie BiNem® en anglais). Avec cette technologie, le cristal liquide possède deux états stables, l'état Uniforme (U ou Uniform en anglais) et l'état Tourné (T ou Twisted en anglais), chacun sélectionné par simple application d'un signal électrique. Une fois l'un ou l'autre état sélectionné (blanc ou noir), il est conservé sans consommer d'énergie. Une impulsion électrique éloigne les molécules de la surface en rompant l'ancrage faible. La forme du front descendant de l'impulsion définit l'organisation des molécules en état U ou T. Le principal fabricant de papier électronique LCD bistable est la société française Nemoptic (c'est en fait la société japonaise Seiko qui fabrique, par contrat de sous-traitance, l'essentiel des écrans développés par Nemoptic).

Papier électronique polychrome

Le principe du papier électronique couleur consiste en la superposition d'un filtre optique coloré sur le papier électronique monochrome décrit précédemment. Le quadrillage de pixels devient un quadrillage de groupes de pixels RVB, de la même manière que pour un moniteur à tube cathodique.