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         Révision : 04 Avril 2001
L'encre et le papier deviennent électroniques...
 Jocelyne Rouis - EFPG/CERIG
(Mai/Juin 1999)
II - Papier et encre électroniques

Depuis de nombreuses années, différents groupes de recherche travaillent sur la mise au point d'un support particulier appelé "papier électronique". C'est un dispositif d'affichage qui présente les qualités de réflexion du papier et qui peut être mis à jour de manière électronique. Le fonctionnement de ce dispositif repose sur une encre électronique intégrée dans le "papier". Seul l'apparition d'un texte ou son renouvellement sont liés à des impulsions électriques de faibles intensités (peu consommatrices d'énergie) après quoi ce support ne consomme plus d'énergie pour maintenir l'affichage. A en croire les sociétés qui soutiennent ces projets, de plus en plus nombreuses et non des moindres comme Philips la dernière en date (Janvier 2001), les applications pour cette technologie semblent ne rencontrer aucune limite.

L'idée de ce concept remonte à 1977. Nicholas Sheridon, chercheur au Palo Alto Research Center (PARC) de la société XEROX, avait alors imaginé remplacer l'encre que nous connaissons par de minuscules sphères bicolores placées entre deux feuilles de plastique. A cette époque, il n'avait pas réussi à convaincre sa société de se lancer dans l'aventure, Xerox étant en effet convaincu de la disparition de l'usage du papier...

L'arrivée des livres électroniques de première génération et les développements prometteurs des chercheurs de l'équipe de Jacobson travaillant au Massachusetts Institut of Technology (MIT) aux Etats Unis, sur l'encre électronique appliquée sur du papier, du plastique ou du métal, ont contraint Xerox à ressortir de ses archives le procédé développé par Sheridon.

Aujourd'hui deux start-up américaines, E Ink et la toute récente Gyricon Media sont en concurrence pour la domination de cette technologie.

II-1- Une "encre électronique" limitée à deux couleurs
II - 1 - 1 - Le Gyricon : le prototype "papier électronique" de Xerox 

Le papier électronique inventé par Xerox porte le nom de " Gyricon " du grec, gyros : tourner et icône : image. Ce protoype concernant une nouvelle technologie d'affichage, est constitué d'une base de plastique souple sur laquelle repose une couche "d'encre électronique". Cette couche d'encre est composée de milliers de minuscules billes bichromiques (mi-blanches et mi-noires) réparties à l'intérieur d'un film de silicone transparent. Chaque hémisphère étant porteur d'une charge opposée, les microcapsules présentent la particularité de pouvoir se retourner en réponse à des champs électriques. Le Gyricon, ainsi constitué, possède des propriétés qui tendent à se rapprocher de celles du papier.

La fabrication du Gyricon comporte deux étapes majeures : la formation des microcapsules et leur insertion dans une couche de silicone. Pour obtenir ces microcapsules, des cires fondues blanche et noire sont introduites sur les cotés opposés d'un disque en rotation. La vitesse de rotation du disque entraine les cires à la périphérie du disque d'où elles se détachent en formant d'abord des filaments blancs d'un coté et noires de l'autre puis des sphères mi-blanches/ mi-noires qui solidifient rapidement. Ces sphères ou microcapsules ont un diamètre moyen de 100 micromètres. Dans une deuxième étape, ces microcapsules sont réparties sur un film de silicone et l'ensemble, recouvert par une huile de faible viscosité, est chauffé. Cela provoque le gonflement du silicone et permet alors la diffusion de l'huile dans les interstices entre les microcapsules. A la fin de l'opération, chaque microcapsule flotte dans sa propre poche d'huile, ce qui lui permet de se retourner facilement en réponse à un champ électrique, leur temps de retournement est de 80 à 100 ms. Ce temps pourra être réduit en diminuant le diamètre moyen des microcapsules.

La couche de silicone contenant les microcapsules est ensuite placée entre des supports de verre ou de plastique comportant un maillage d'électrodes, identique à celui utilisé pour les écrans à cristaux liquides. Les électrodes vont imposer les mouvements de rotation aux microcapsules du Gyricon. Alternativement, la face blanche ou la face noire de ces sphères sera visible, chacune répondant indépendamment de ces voisines. Pour la constitution de cet ensemble, l'utilisation du plastique comme support donnera de la souplesse à la feuille finale.

La lecture sur ce "papier électronique", comme sur le papier, résulte de la réflexion de la lumière ambiante. En nécessitant uniquement de l'énergie pour modifier l'affichage, ce prototype consomme 50 fois moins d'énergie que les livres électroniques de 1ère génération de type écran d'ordinateur.

Les recherches actuelles sur ce projet s'orientent vers des formats de plus grandes dimensions et vers une augmentation de la souplesse des feuilles. En effet, actuellement le Gyricon possède une épaisseur de 0,3 mm, ce qui est plus proche de l'épaisseur du carton que celle du papier. La résolution de ce matériau doit également être améliorée. Elle est aujourd'hui de 5 points/mm (127 points par pouce) ce qui est un peu juste pour un bon confort de lecture. Parallèlement, la société Xerox travaille également en collaboration avec les laboratoires Bell sur l'introduction de la couleur dans ces prototypes.

Le 29 Juin 1999, Xerox annonçait un accord de fabrication avec la société 3M visant à transformer les projets de recherche sur le papier électronique de Xerox en produit commercial. Des photos montrant la première bobine de papier électronique produite par 3M sont visibles, depuis début Juillet 1999, sur le site Web du centre de recherche de Xerox à Palo Alto. Cependant depuis cet accord aucune communication n'a été faite sur la commercialisation effective d'un produit. Pendant le même temps, la société E-Ink prenait une sérieuse avance en lançant la commercialisation de son produit "Immedia" (écrans rigides).

En Décembre 2000, la société Xerox annonçait la création d'une start-up Gyricon Media Inc. chargée de commercialiser le support "papier électronique" de Xerox. Cette société développera dans un premier temps des applications d'identification visuelle et d'affichage sur les points de vente. Cependant les premiers produits commerciaux ne sont pas attendus avant la fin de l'année 2001 !

II - 1 - 2 - "Papier et encre électroniques" du MIT

Dans les années 90, le MIT développait une approche originale de cette question, une "encre électronique" applicable sur différents types de supports dont le papier et c'est là, outre les propriétés spécifiques de cette encre, le point intéressant de cette technologie. 

 

Encre électronique E-Ink

Figure 1 : Schéma de la couche
d'encre électronique de E-Ink
Visualiser les effets d'une impulsion électrique
(animation Flash)

L'encre électronique de E-Ink est composée d'un fluide contenant des millions de microcapsules, sphères transparentes, dont le diamètre varie de 30 à 40 microns. Chacune de ces sphères est constituée d'une enveloppe transparente à l'intérieur de laquelle se trouve un colorant et de minuscules grains de dioxide de titane blancs et brillants, chargés positivement. Une fois réparties uniformément sur une surface, ces microcapsules forment un film continu. Ce film se trouve alors pris en sandwich entre deux structures : au-dessus une électrode transparente recouverte d'une couche de protection et au-dessous, une surface papier sur laquelle a été imprimé un réseau d'électrodes. A un instant t, les particules de dioxyde de titane positives se trouvent au contact de l'électrode négative, au fond de la microcapsule. Elles sont recouvertes par le colorant. Le matériau apparaît donc uniformément coloré.

A l'instant t+1, la polarité du champ électrique autour de certaines microcapsules est inversée, l'électrode au-dessus devient négative et celle du bas positive. Dans les microcapsules, les grains de dioxyde de titane chargés positivement vont venir près de la surface en repoussant le colorant vers le fond. Ces microcapsules apparaissent alors blanches. Ainsi en contrôlant le mouvement sphères par sphères (représentant chacune un pixel), les scientifiques peuvent changer à volonté le contenu de la page imprimée. Ce procédé ne consomme que peu d'énergie, il suffit, en effet, d'une très faible puissance (20 nanoampères/pixel) pour faire changer la couleur de ces microcapsules. Ensuite, une fois l'image réalisée, les particules de dioxide de titane restent dans la même position sans consommation d'énergie jusqu'à la prochaine impulsion électrique qui induira une nouvelle image.

Des séquences vidéo sur le site du MIT permettent de visualiser le comportement de ces microcapsules.

Microcapsules

Figure 2 : Schéma des
microcapsules

Le côté séduisant de cette technologie réside dans l'obtention d'une image qui ressemble plus à une impression sur du papier qu'à une image sur un écran d'ordinateur, l'avantage indiscutable étant de pouvoir faire varier l'image de chaque page par programmation. De plus, cette encre électronique peut s'appliquer sur les deux côtés d'une feuille de papier ou d'un autre matériau et le papier couché avec cette encre garde une certaine souplesse. Il peut être roulé ou courbé sans problème. Il peut également être photocopié.

Les microcapsules correspondent aux pixels d'un écran ou aux gouttelettes d'un jet d'encre formant le texte et les images. La résolution obtenue avec ce type de matériau est de 20 points/mm (500 points/pouce) ce qui est équivalent à la résolution d'une imprimante laser. D'autre part, avec des vitesses de rafraichissiment de l'affichage de cette encre électronique voisines de 60 Hertz, cela permet de prévoir la reproduction de video sur le papier.

Le désavantage de l'utilisation de colorant dans les microcapsules, c'est leur médiocre longévité à la lumière. Pour palier ce défaut, des pigments dont la taille devra être inférieure à un micromètre pourraient être employés.

En 1999, à l'issue de leurs premiers travaux, les chercheurs du MIT fondèrent la société E-Ink pour industrialiser et commercialiser leur projet. Cette société est capable de proposer une palette de combinaisons de deux couleurs pour son "encre électronique" et proposerait la possibilité d'intégrer dans son système plus de 2 couleurs.

Dès le mois de mai 1999, E-ink commercialisa son premier produit, un panneau d'affichage rigide appelé "Immedia" piloté par radio et réservé aux professionels. Il s'agit d'un produit grand format (1,2 m/1,8 m) dont l'épaisseur est comprise entre 0,5 et 1 mm, pour une définition de 100 points/pouce (dpi), pour comparaison un écran d'ordinateur travaille à une résolution moyenne de 70 dpi et une imprimante laser imprime à 600 dpi. La société E-ink prétend cependant être en mesure d'atteindre des résolutions de 200 dpi. Ces panneaux de publicité sur les points de vente sont aujourd'hui testés dans des grands magasins américains (J.C. Penney, Eckerd) et en devanture d'échopes pour la restauration rapide. Dans le même temps, le journal "l'Arizona Republic" expérimente ces panneaux dans différentes villes autour de Phoenix (Arizona) pour la diffusion d'informations sur l'actualité régionale.
Comme pour le papier, ce support électronique montre un très haut contraste même en lumière du jour et permet une lecture à partir d'un angle de vue très large. Ces panneaux consomment, en outre très peu d'énergie, l'équivalent de la consommation d'une ampoule électrique. Cependant, la technologie développée pour les produits "Immedia" n'est qu'une étape. En effet, les circuits électriques actuels placés au dos des panneaux doivent être repenser pour être mieux adapter à un contexte de "papier électronique".

Actuellement, les développements s'orientent vers des systèmes permettant une actualisation de l'affichage grâce à la norme de connexion  sans fil de Bluetooth* (ondes radio).

*La norme Bluetooth propose des connexions sans fil qui utilisent les fréquences radio de 2,4 GHz. Elle assure un débit de l'ordre de 1 Mbit/s pour une protée jusqu'à 100 m mais qui plafonne vite à seulement quelques mètres en fonction de la qualité des composants de l'antenne et de la consommation électrique (1 à 100mW).

En Juin 2000, la société Lucent Technologies a breveté une nouvelle technologie concernant des  transistors en plastique  développés par les laboratoires Bell. La mise à disposition de cette technologie pour E-Ink s'est faite en échange d'une participation mineure de Lucent dans E-Ink. Les composants semi-conducteurs utilisés sont du type tetracarboxyl naphtalene dianhydre, énorme molécule qui présente la particularité de pouvoir transporter des électrons (charges négatives). Ces transistors placé à l'intersection d'un multiplexage d'électrodes au dessus de la couche d'encre électronique ont pour rôle d'activer ou non les microcapsules et pourront être commandés par ondes radio. L'avantage de cette technologie réside dans l'obtention d'un film continu et flexible. 

Ces développements laissent entrevoir des possibilités d'applications du coté des livres ou des journaux électroniques, les experts considèrent aujourd'hui que ce type d'application sera disponible d'ici à cinq ans....

Le secteur s'annonce, en effet, prometteur puisque la société Philips vient d'investir en début d'année 2001, 7,5 millions de dollars dans la start-up E-Ink pour l'aider dans sa phase de R&D sur ces dernières applications. En retour, Philips s'accordent les droits exclusifs pour la fabrication et la vente des produits utilisant la technologie E-Ink. Les accords prévoient la réalisation d'un prototype pour cette année et la commercialisation de produits pour 2003. Philips, leader sur le secteur des écrans à cristaux liquides (LCD), est persuadé que l'encre et le papier électroniques combinent à la fois l'aspect du papier avec un confort de lecture bien meilleur à celui sur les écrans LCD.

II - 2 - L'encre électronique à partir de la bactériorhodopsine modifiée

D'autres matériaux présentent des potentiels intéressants visant à obtenir une encre électronique colorée. A cet effet, Kolodner et ses collaborateurs des laboratoires Bell ont mis en évidence les propriétés particulières d'une protéine, la bacteriorhodopsine, contenue dans la membrane d'une bactérie "l'halobacterium salinarium " qui vit dans des eaux saturées en sels. Cette protéine, responsable de la couleur violette de la membrane de cette bactérie, est constituée d'un composant le rétinal qui, lié à un aminoacide, induit cette coloration prononcée. Lorsque le rétinal se trouve en solution non lié à l'aminoacide, il est d'une couleur jaune pâle.

Des rayons laser de deux longueurs d'ondes différentes, appliqués alternativement sur cette protéine, peuvent induire un-va et-vient entre les couleurs violette et jaune. De la même manière, un film mince de bactériorhodopsine peut changer de couleur sous l'effet d'un champ électrique extérieur. Pour la bactériorhodopsine normale, ce champ électrique ne provoque qu'une légère différence de couleur entre le violet et le bleu. Cependant, certaines mutations conduisent à une forme de batériorhodopsine qui passe du bleu au jaune sous l'effet d'un fort champ électrique.

En plaçant en sandwich ce film de protéine entre deux plaques transparentes sur lesquelles est appliqué un fin maillage d'électrodes, on peut réaliser un prototype intéressant. Sous l'effet de voltages appropriés appliqués en différents points du film, il devient possible de faire apparaître une page de texte ou d'image. Comme pour les papiers électroniques, ces images sont, bien entendu, visibles à la lumière du jour. Ce film de protéine présente un contraste élevé et un temps de réaction de l'ordre de 200 millisecondes.

Le principal problème tient au voltage très élevé à appliquer pour obtenir la réaction : de l'ordre de 4000 Volts. Difficile dans ces conditions de prévoir des applications viables tant que le niveau n'aura pas été réduit au moins d'un facteur 100. Même si cette dernière technologie paraît séduisante, il faudra encore du temps avant qu'elle puisse voir le jour sur le marché.

 
 
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