eInk, cosa sono e come realizzare un display a inchiostro elettronico

I display eInk, basati sul principio dell’elettroforesi, sfruttano particelle cariche di colore diverso disperse in un olio posto all’interno di un contenitore trasparente. Applicando campi elettrici, queste particelle possono essere spostate verso l’alto o verso il basso per produrre nero, bianco o una “miscela” dei due colori.

L’effetto che si ottiene è simile a quello dei display LCD a matrice attiva, che utilizzano anche array 2D di TFT (Thin-Film Transistor) e campi elettrici per cambiare stato. A differenza degli schermi LCD, tuttavia, i display eInk mantengono il loro stato anche dopo la rimozione del campo elettrico, riducendo il consumo energetico.

La tecnologia eInk, chiamata anche inchiostro elettronico, è utilizzata principalmente negli eReader e in alcuni dispositivi di visualizzazione digitale. L’obiettivo è simulare l’aspetto dell’inchiostro su carta, fornendo un’esperienza di lettura che è più simile a quella della carta stampata rispetto a quella offerta dai tradizionali schermi LCD o LED.

Immagine tratta da “Electronic Ink, How it works” (E Ink Holdings, Inc.)

Breve storia di eInk

Con il termine eInk si fa comunemente riferimento a un’ampia gamma di schermi basati sulla visualizzazione elettroforetica. La tecnologia fu inventata e messa a punto tra il 1995 e il 1997 da Barrett Comiskey, J.D. Albert e Joseph Jacobson, presso il MIT Media Lab. Il trio successivamente fondò E Ink Corporation, in modo da portare sul mercato la tecnologia.

Conosciuta oggi come E Ink Holdings, l’azienda ha svolto e continua a svolgere un ruolo cruciale nello sviluppo dei display eInk.

Nel 1999, E Ink introdusse il primo display eInk al mondo: chiamato Immedia, richiedeva appena 0,1 W per funzionare. A metà anni 2000 fu la volta della tecnologia Vizplex, che migliorava significativamente i tempi di risposta dei display eInk. Nel 2007, Amazon presenta il suo primo e-reader Kindle, che utilizzava un display eInk monocromatico da 6 pollici prodotto proprio da E Ink. Una scelta che ha contribuito enormemente alla popolarità dei display eInk.

Negli anni seguenti, E Ink ha continuato a sviluppare nuove generazioni di display eInk più veloci, ad alta risoluzione e a colori, espandendosi su vari prodotti come e-reader, tablet, orologi e insegne digitali.

Vantaggi e svantaggi dei display eInk

Rispetto agli LCD, i display eInk presentano alcuni vantaggi e svantaggi. Tra i vantaggi vi sono il basso consumo energetico, la possibilità di essere utilizzati all’aperto grazie alla riflessione della luce, la stabilità dell’immagine anche dopo lo spegnimento, l’ampio angolo di visione. Gli schermi eInk, infatti, richiedono energia solo durante il cambiamento di immagine e non, invece, per mantenerla visualizzata. Per questo i dispositivi come gli eReader possono avere un’autonomia della batteria di settimane o addirittura mesi con una singola carica.

Di contro, gli eInk sono contraddistinti da contrasto e gamma di colori inferiori, oltre a tempi di risposta più lenti. Molti schermi eInk sono in grado di visualizzare solo scale di grigi anziché colori pieni e, ovviamente, non sono adatti per il comparto multimediale.

Tipologie dei pannelli eInk disponibili sul mercato

I pannelli eInk attualmente disponibili sul mercato possono essere suddivisi in due categorie principali: con controller integrato e senza controller integrato. I pannelli senza controller richiedono un controller dedicato o un SoC con controller integrato per funzionare, aumentando il costo del sistema ma offrendo maggiore flessibilità e prestazioni. D’altra parte, i pannelli con controller integrato hanno un costo inferiore ma prestazioni e livelli di grigio limitati.

Il controller eInk svolge una funzione simile al display controller (DC/CRTC) e al timing controller (TCON) in un sistema LCD tradizionale. Elabora i dati dell’immagine e li converte nei segnali necessari per pilotare lo schermo, mantenendo lo stato dei pixel all’interno di una memoria SRAM o SDRAM integrata.

Display a colori e dithering

Come accennato in precedenza, non esistono in commercio soltanto display eInk bianco-nero o in scala di grigi ma anche modelli a colori. Le principali tecnologie per la realizzazione di display eInk a colori sono due: si può ricorrere a un color filter array (CFA) oppure a inchiostri multi-pigmento.

La soluzione CFA è simile a quella utilizzata nei display LCD a colori; la tecnologia multi-pigmento sfrutta particelle di inchiostro di diversi colori all’interno di un singolo pixel. Quest’ultima offre una risoluzione e una saturazione dei colori superiori. Lo schema è tuttavia più complesso da gestire, evidenziando tempi di aggiornamento più lenti.

Per migliorare la qualità dell’immagine sui display eInk, che tipicamente supportano solo 16 livelli di grigio, è possibile applicare tecniche di dithering. Il dithering crea l’illusione di tonalità intermedie tramite la distribuzione di pixel neri e bianchi secondo determinati pattern.

Caster e la sua implementazione aperta

Con il nome Caster ci si riferisce a un tipo di display eInk che utilizza la tecnologia a inchiostro elettronico per offrire schermi a basso consumo energetico, che restano leggibili anche alla luce solare diretta.

Progettato nello specifico per applicazioni che richiedono un aggiornamento frequente del contenuto del display, come insegne digitali, etichette di scaffali di negozi, orologi intelligenti e altri piccoli dispositivi indossabili, Caster consente un aggiornamento sufficientemente rapido del contenuto visivo.

In questo repository GitLab è pubblicato un progetto open source che mette a disposizione un design di controller a bassa latenza basato su FPGA, integrabile in diverse classi di dispositivi.

Glider, un display eInk “aperto” con un’enfasi sul concetto di bassa latenza

Su Amazon Italia, ad esempio, si trovano decine di esempi di display eInk. Il progetto Glider, pubblicato in questo repository GitHub, fornisce tutti gli strumenti per la progettazione dell’hardware e del firmware di un eInk a bassa latenza.

L’hardware è basato su un FPGA Xilinx Spartan-6 LX16 che esegue il firmware Caster e un EPDC (Electrophoretic Display Controller) open source ottimizzato per la bassa latenza. Il sistema supporta ingressi video DVI, DisplayPort e MIPI-DSI. Può inoltre gestire una vasta gamma di pannelli eInk senza controller integrato, dalle dimensioni di 4,3″ fino a 13,3″ o potenzialmente anche 42″.

Invece di trattare l’intero schermo come una singola regione di aggiornamento, Caster gestisce ogni singolo pixel come una regione individuale, consentendo un aggiornamento istantaneo dei pixel via via modificati. Inoltre, implementa la cancellazione anticipata, ovvero se un pixel cambia prima di essere completamente aggiornato, avviene un passaggio repentino verso il nuovo stato richiesto.

Caster sfrutta anche una modalità ibrida che consente di passare automaticamente tra la modalità binaria (alta velocità) e quella a 16 livelli di grigio (bassa velocità) su base pixel per pixel. Quando l’immagine in input cambia, il sistema passa alla modalità binaria per un aggiornamento rapido, mentre quando l’immagine rimane statica, viene ri-renderizzata in scala di grigi per una migliore qualità visiva.

Chi volesse cimentarsi con un progetto open source innovativo che affronta le sfide legate alla riduzione della latenza nei display eInk, può seguire le indicazioni qui riportate. Glider apre infatti la strada a nuove ed entusiasmanti applicazioni nel segmento dei display eInk.