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Revue n° 44
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Du côté des Labos
Nouvelles avancées vers le papier électronique

par Christophe Jacquemin 07/06/03


Ecran flexible de 0,3 millimètre d'épaisseur  © Joanna Au et Yu ChenSous le titre "Flexible active-matrix electronic ink display", une équipe scientifique dirigée par Yu Chen de l'E-ink Corporation(1) vient de présenter les dernières avancées de son projet d'écran électronique dans un article publié dans la revue britannique Nature(2). Large de 7, 6 centimètres et de moins de 0,3 mm d'épaisseur -contre 2 mm pour les écrans traditionnels- il est si flexible qu'on peut le rouler jusqu'à former un cylindre d'une taille de 4 mm sans aucune perte de qualité. Il peut également être plié, cependant pas plus d'une vingtaine de fois sous peine d'endommagement irréversible.
Ce papier électronique (e-paper) comprend une feuille d'acier inoxydable recouverte d'une fine couche de circuits qui contrôlent un film plastique conducteur parcouru par de "l'encre électronique" [inventée par un chercheur du MIT - voir encadré ci-dessous]. Si l'écran affiche pour l'instant des caractères noirs sur un fond blanc avec, selon les chercheurs, "une résolution (ici 96 dpi) semblable à un ordinateur portable classique", l'équipe souhaite maintenant poursuivre ces travaux afin de minimiser encore l'épaisseur et augmenter la résolution. Autre défi : accélérer la vitesse à laquelle l'écran passe d'une page de texte à l'autre. Celle-ci, à ce jour de 25 dixièmes de secondes, reste trop lente pour la vidéo. Et puis reste aussi l'exploitation de la couleur, mais l'équipe pense qu'à terme, ce ne sera plus un problème.
Le texte pourrait même être affiché en utilisant les technologies sans fil. En tous cas, le prototype d'écran développé aujourd'hui autorise déjà la réception d'images et la lecture d'un livre en noir et blanc. Du fait de sa légèreté, et même s'il est aujourd'hui de faible dimension (à peu près 7,6 x 11 cm), il ouvre la voie au développement du journal électronique(3) [mis à jour via connexion internet], de l'écran portable dans ses vêtements, de la carte d'identité intelligente (smart identity card), consultation de son compte bancaire, de plans, listes ou modes d'emploi réactualisés de façon automatique...

D'autres sociétés comme Toshiba ou Bell planchent depuis des années sur le même type de projet mais, selon Yu Chen, son travail représente une véritable avancée. En tous cas, E-ink peut aujourd'hui envisager la production d'écrans plus fins et durables que les moniteurs à cristaux liquides (LCD) à matrice active qui équipent actuellement les téléphones portables et des PDA. Au contraire des LCD, les écrans à technologie "electronic ink" n'ont pas besoin de rétro-éclairage pour que l'image soit visible. C'est ainsi l'absence de lampe et l'utilisation de feuilles d'acier qui permettent à ce type d'écran d'être beaucoup plus mince que les LCD, qui nécessitent deux épaisseurs de verre.
E-ink vient de présenter son premier prototype lors du Society for Information Display Exposition and Symposium qui se tenait du 18 au 23 mai 2003 à Baltimore. La société envisage désormais de vendre sa technologie sous licence aux fabricants. Les utilisateurs pourraient en bénéficier à partir de 2005.


Protoype de livre à papier électronique  © Philips ElectronicsE-ink a aussi été remarquée par sa démonstration aux côtés de Philips d'un prototype de livre à papier électronique. Selon ses chercheurs, l'encre électronique est 6 fois plus lumineuse que les LCD réfléchissantes et présente un bien meilleur contraste que celle obtenue sur le papier journal "normal". L'encre est visible dans tout environnement, qu'il s'agisse d'une pièce peu éclairée ou lors d'une lecture sous un soleil battant. On peut également lire sous n'importe quel angle de vision, sans changement de contraste. Un autre avantage réside dans la consommation électrique ultra-faible, ce qui ménage les batteries. L'utilisation de l'encre électronique permet en effet à une image fixe de revenir à l'écran après que le livre soit "éteint" (c'est l'effet mémoire). Le besoin en énergie peut être ainsi diminué d'un facteur allant de 10 à 100 par rapport aux LCD classiques. La commercialisation devrait apparaître l'année prochaine et des modèles intégrant la couleur sont d'ores et déjà envisagés.

encre électronique © Photo : MITL'encre électronique : une encre sympathique

L'idée d'incorporer une "encre électronique" au coeur du papier n'est pas nouvelle puisque Nicholas Sheridon (chercheur américain du Palo Alto Research Center de la firme Xerox)  y songeait déjà en 1977. Convaincu des développements de l'informatique grand public, le chercheur imaginait de remplacer l'encre par des millions de sphères bicolores (noires et blanches) prises à l'intérieur d'un sandwich de plastique couvert d'un réseau d'électrodes en lignes et en colonnes qui permet de contrôler le comportement de ces sphères. Dans ce procédé, appelé Gyricon, les billes bicolores, d'une taille maximale de 100 microns, portent une charge électrique différente à la base et à leur sommet. Elles baignent dans un liquide visqueux qui permet de faciliter leur éventuelle rotation en fonction du champ électrique auquel elles sont soumises, et dans lequel elles s'orientent. Les lettres ou les dessins sont ainsi formés par l'alternance des points noirs ou blancs, suivant l'hémisphère présenté au regard. Après 18 mois de recherche, les travaux furent alors mis en sommeil: Xerox venait d'inventer l'imprimante laser... La firme a cependant repris récemment les recherches annonçant en 2000 la naissance de la start-up Gyricon Media Inc. chargée de commercialiser le support papier électronique de Xerox.

Le Massachusetts Institut of Technology (MicroMedia Laboratory), s'est pour sa part engagé dès les années 1990 sur les traces de Nicholas Sheridon, développant alors une nouvelle technique pour l'encre électronique : l'utilisation de microbilles blanches enfermées dans une capsule emplie d'un colorant liquide noir. Les microbilles [sphères de 30 à 40 microns constituées d'une enveloppe transparente contenant un colorant et de minuscules grains de dioxide de titane blancs et brillants] migrent ou non à la surface en fonction du champ électrique.

Vue au microscope électronique d'une portion d'image "imprimée" sur papierr électronique. On distingue bien les microcapsules plus ou moins noircies  © Photo : MIT
Vue au microscope d'une portion d'image "imprimée" sur papier électronique. On distingue bien les microcapules, plus ou moins noircies.
Photo : MIT
Une coupe transversale effectuée dans le papier révèle que les microcapsule sont prises en sandwich entre deux films plastiques couverts d'un réseau de fils électriques. Chaque microcapsule est entourée d'un fil électrique horizontal et vertical qui, lorsqu'on leur applique une tension, induisent un champ électrique autour de la capsule. Suivant la polarité de ce champ, les billes blanches montent ou non à la surface pour masquer le liquide. On  crée ainsi soit un point blanc, soit un point noir sur la feuille. C'est l'ensemble de ces différents pixels encapsulés qui reconstitue ainsi le texte et/ou l'image visible sur la feuille.
Vue d'une microcapsule © Photo : MIT
Vue d'une microcapsule
Photo : MIT

Cette méthode simplifie la fabrication des sphères et améliore la résolution finale. A l'issue de leurs premiers travaux, les chercheurs du MIT ont alors fondé la société E-ink en 1997 pour industrialiser et commercialiser leur projet. C'est aussi cette méthode qui devait également simplifier l'intégration de la couleur par l'introduction de pigments colorés dans les sphères. En ce qui concerne l'introduction de la couleur, signalons que d'autres chercheurs comme Paul Kolodner et ses collaborateurs des laboratoires Bell évoquent l'utilisation de la bactériorhodopsine [protéine contenue dans la membrane de la bactérie halobacterium salinarium] qui change de couleur sous l'effet d'un champ électrique.

Un autre domaine du "papier électronique" concerne l'affichage publicitaire en extérieur. Dans ce domaine, la start-up d'origine israélienne Magink [créée en 2000 et maintenant installée aux Etats-Unis (www.magink.com)] a développé une encre électronique pour la réalisation d'écrans couleur de grand format. L'entreprise dispose de divers brevets dont elle garde jalousement le brevet. Tout ce que l'on sait pour l'instant est que cette encre électronique "fait appel à des matériaux organiques sur lequel on fait jouer la taille et l'angle desPrototype d'écran géant à encre couleur électronique de Magink, fabriqué par Mitsubichi © Magink/Mitsubichi molécules présentes dans l'encre pour générer toutes les couleurs du spectre visibles, ainsi que tous les dégradés"(4). Une fois affichée, l'image peut être maintenue à l'écran sans avoir besoin d'énergie, énergie qui doit être fournie lorsque l'on change d'image, ceci fonctionnant via un logiciel également développé par Magink. Le mode réflectif des images est d'autant plus efficace que l'intensité de la lumière ambiante est importante et donc particulièrement adapté à l'affichage en extérieur.

Fort de son procédé, Magink s'est associée à Mitsubichi dans un programme visant à la réalisation et l'installation d'écrans géants dans les endroits publics. Des prototypes mesurant 3 mètres sur 6 ont d'ores et déjà été mis en service outre Atlantique et en Grande-Bretagne. La technologie s'avère prometteuse car, selon les inventeurs, elle constitue l'alternative du futur aux afficheurs à diodes électroluminescentes (DEL). Avec un prix prévu de 3000 à 5000 dollars pour l'affichage au mètre carré, l'écran à encre électronique serait 10 fois moins cher qu'un panneau à DEL pour une taille et résolution identique.

Carte d'identité, plans, livres(5), journaux, panneaux publicitaires... Le papier électronique a certainement de beaux jours devant lui dans notre société de consommation toujours avide de nouveaux besoins. Mais au-delà, outre le fait qu'il fait avancer la recherche, disons-nous qu'il constitue aussi une solution élégante à la préservation de la forêt, poumon de la planète dont une large part continue de disparaître chaque minute... notamment dans de la pâte à papier.


(1) Société issue du MIT, créée en 1997 à Cambridge (Massachusetts) http://www.e-ink.com
(2) Nature vol 423, du 8 mai 2003, page 135 : "Flexible active-matrix electronic ink display", par Y. Chen, J. Au, P. Kazlas, A. Ritenour, H. Gates & M. Mccreary (Abstact : http://www.nature.com/cgi-taf/dynapage.taf?file=/nature/journal/v423/n6936/abs/423136a_fs.html)
(3) Le groupe de presse Hearst, qui croit fortement en cette nouvelle technologie, a par exemple investi dès 1998 quelque 15,8 millions de dollars dans E-ink; Philips pour sa part a apporté 7,5 millions de dollars en 2001. Confondues, les sommes des investisseurs se montent aujourd'hui à 100 millions de dollars.
(4) En d'autres termes, et peut-être en s'avançant un peu, disons que l'explication doit résider dans le fait que les molécules présentes dans l'encre ont la propriété de modifier la longueur d'onde de la lumière qu'elles réfléchissent, non seulement en fonction de leur taille mais aussi en fonction du signal électrique reçu... Les images délivrées comporteraient 4096 couleurs (16 niveaux de gris par composantes RVB).
(5) Voir notre article : Le papier électronique des Gutenberg de la recherche (8 juin 1999).

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