전자종이

1. 개요

전자종이는 얇고 가벼우며 낮은 전력 소비와 높은 시인성을 특징으로 하는 디스플레이 기술이다. 1970년대 제록스에서 처음 개발되었으며, 다양한 기술적 발전과 상업화를 거쳐왔다.

전자종이는 전기영동 방식, 액정 방식 등 여러 기술로 구현되며, 전자책, 스마트 카드, 휴대폰, 디지털 교과서 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 한국에서는 전자책 시장의 성장과 함께 관련 기술 개발 및 투자가 활발하게 이루어지고 있으며, 네오럭스, 아이리버 등 국내 기업들이 전자책 단말기를 출시하고 있다. 전자종이는 낮은 전력 소비와 높은 시인성, 얇고 가벼운 특징을 가지고 있어, 다양한 분야에서 활용 가능성이 높다.

2. 역사

E Ink Holdings Inc.의 E Ink사는 최초로 상용화된 컬러 전자 잉크 디스플레이를 출시했다. 2012년 Ectaco jetBook Color는 E Ink의 Triton 디스플레이 기술을 사용한 최초의 컬러 전자 잉크 장치였다. 2015년 초, E Ink는 Prism이라는 또 다른 컬러 전자 잉크 기술을 발표했다. Prism은 전자책 리더기에 사용될 수 있는 색상 변경 필름이며, "벽, 천장 패널 또는 방 전체를 즉시" 만들 수 있는 건축 디자인에도 활용될 수 있다. 하지만 이러한 컬러 디스플레이는 일반 E Ink 디스플레이보다 훨씬 비싸다는 단점이 있다. jetBook Color는 아마존 킨들과 같은 다른 인기 있는 전자책 리더기보다 약 9배 더 비쌌다. 2015년 1월 현재, Prism이 전자책 리더기에 사용될 것이라는 발표는 없었다.

2.1. 개발 초기

1970년대에 제록스의 팰러앨토 연구소에서 처음으로 개발되었다. 최초의 전자종이는 기리콘이라고 불렸으며, 20um에서 100um내외의 폴리에틸렌 구체로 구성되었다. 각각의 구체는 음전하를 띤 검은색 플라스틱면과 양전하를 띤 흰색 플라스틱면으로 구성되어, 각 비드는 쌍극자가 된다. 이 구체들은 투명한 실리콘 시트에 포함되어 있으며, 기름 거품으로 인해 자유롭게 회전할 수 있다. 각 전극에 양의 전압을 가하면 흰색 면이나 검은색 면이 위로 떠올라, 화소가 흰색이나 검은색을 나타나게 된다.

자이리콘은 75um~106um 크기의 폴리에틸렌 구체로 구성된 최초의 전자 종이이다. 각 구체는 한쪽 면에는 음전하를 띤 검은색 플라스틱, 다른 쪽 면에는 양전하를 띤 흰색 플라스틱으로 구성된 야누스 입자이며, 각 비드는 쌍극자이다. 구체는 투명한 실리콘 시트에 삽입되어 있으며, 각 구체는 오일 거품에 매달려 자유롭게 회전할 수 있다. 전극 쌍에 가해지는 전압의 극성에 따라 흰색 면 또는 검은색 면이 위로 향하게 되어 픽셀에 흰색 또는 검은색 모양을 부여한다.

2.2. 발전 과정

1970년대에 제록스의 팰러앨토 연구소에서 최초의 전자종이인 기리콘을 개발했다. 기리콘은 20~100 마이크로미터 크기의 폴리에틸렌 구체로 구성되었으며, 각 구체는 음전하를 띤 검은색 면과 양전하를 띤 흰색 면으로 이루어져 쌍극자를 띈다. 이 구체들은 투명한 실리콘 시트 안에 오일 거품과 함께 부유하며, 전극에 전압을 가하면 흰색 면이나 검은색 면이 떠올라 화소가 흰색이나 검은색을 나타내도록 한다.

1990년대에는 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구팀이 마이크로캡슐화된 전기영동 디스플레이(EPD)를 기반으로 한 새로운 전자 잉크를 개발했다. 이들은 1997년에 E Ink사를 설립하여 이 기술을 상용화했다. E Ink사는 필립스 컴포넌트와 협력하여 기술을 발전시켰고, 2005년에는 관련 특허를 프라임 뷰 인터내셔널에 매각했다.

전기영동 디스플레이(EPD)는 전기장을 가해 전하를 띤 색소 입자를 재배열하여 이미지를 형성한다. 가장 간단한 EPD는 이산화 티타늄 입자를 탄화수소 오일에 분산시킨 후, 염료, 계면활성제, 대전제를 첨가한다. 이 혼합물을 두 전도성 판 사이에 넣고 전압을 가하면 입자들이 전기영동에 의해 이동한다. 입자가 보는 쪽에 있으면 흰색, 뒤쪽에 있으면 어둡게 보인다. EPD는 박막 트랜지스터(TFT) 기술을 사용하여 고밀도 이미지를 형성하며, 전자책 리더기에 주로 사용된다.

아마존 킨들, 반스앤노블 누크, 소니 리더, 코보 e리더 등이 E Ink사의 EPD를 사용한다. 모토로라 폰도 이 기술을 사용했다. SiPix는 E Ink의 마이크로캡슐(0.04mm) 대신 유연한 0.15mm Microcup 구조를 사용했으며, 현재는 E Ink사의 일부이다. 브리지스톤은 델타 옵토일렉트로닉스와 협력하여 Quick Response 액체 분말 디스플레이 기술을 개발했다. 필립스는 레이저 릴리스를 이용한 플라스틱 전자제품(EPLaR) 프로세스를 개발하여 AM-LCD 제조 공장에서 유연한 플라스틱 디스플레이를 만들 수 있게 했다.

전자 종이의 초기 버전은 약 40 마이크로미터 크기의 투명 캡슐 시트로 구성되며, 각 캡슐에는 검은색 염료와 흰색 이산화 티타늄 입자가 들어있다. 입자는 음전하를 띠며, 화면은 두 전극 배열 사이에 캡슐을 유지한다. 전극에 전압을 가하면 픽셀을 켜고 끌 수 있다. 최근에는 단일 전극층을 사용하는 능동형 매트릭스 전기영동 디스플레이(AMEPD)가 개발되었다.

3. 기술

1970년대에 제록스의 팰러앨토 연구소에서 처음 개발된 전자종이는 기리콘으로 불렸으며, 20~100 마이크로미터 크기의 폴리에틸렌 구체로 구성되었다. 각 구체는 음전하를 띤 검은색 면과 양전하를 띤 흰색 면으로 나뉘어 있어, 기름 거품 속에서 자유롭게 회전하며 전압에 따라 흰색이나 검은색을 표시했다.

전기영동 디스플레이(electrophoretic display^영어)는 전류가 흐를 때 양극이나 음극을 따라 움직이는 미세한 나노입자를 이용해 색과 글자, 그림 등을 표시하는 기술을 응용한 디스플레이이다. 이산화타이타늄 입자를 기름에 분산시킨 후, 전압을 가하면 입자가 전기영동으로 이동하여 흰색 또는 검은색을 표시한다.

프랑스 기업 네몹틱은 “표면 앤커링 브레이킹” (surface anchoring breaking)이라는 독특한 원리로 (흑백 및 컬러) 쌍안정 네마틱 전자종이 디스플레이를 상용화했다.

전자종이는 콜레스테롤식 액정 디스플레이에 적용된 기술을 사용하거나, 박막 컬러필터를 추가하여 컬러로 구현할 수 있다.

일반적인 액정 표시 장치와 유사하지만, 백라이트 패널 대신 반사 표면을 사용한다는 점이 다르다.

3.1. 전기영동 방식

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전자 종이의 대표적인 표시 기술 중 하나는 전기 영동 방식이다. 이 방식은 미국 E Ink사가 개발한 것으로, 유체를 담은 마이크로 캡슐 내에서 백색과 흑색 입자를 전계에 의해 이동시켜 흑백 표시를 한다. 입자 이동형이라고도 불린다. 유사한 기술은 미국 SiPix Imaging사도 개발했으며, 유체가 아닌 공중에서 백색과 흑색 입자를 전계에 의해 이동시키는 브리지스톤사의 방식도 있다.

직경 40 마이크로미터(μm) 정도의 투명한 마이크로 캡슐 안에 양전하와 음전하를 띤 흰색과 검은색 안료 입자가 오일과 함께 담겨 있으며, 캡슐은 얇게 한 층으로 2장의 좁은 전극판 사이에 빈틈없이 정렬된다. 표시 면이 되는 전극의 한쪽은 ITO와 같은 투명 전극으로 만들어지며, 반대쪽 전극은 필요한 표시 해상도 크기의 미세한 사각형 전극으로 구성된다.

외부 제어 회로에서 전압이 가해지면 두 전극 사이에 전계가 생성되어, 양전하와 음전하를 띤 흰색과 검은색 안료 입자가 오일 속에서 이동하며, 어느 한쪽 전압에 의해 선택된 색상의 안료 입자가 캡슐의 표시 면 쪽으로 모여 흑백 표시를 한다. 미세한 전극에 의해 만들어진 각 화소마다 흑백 표시가 선택된다. 전압을 꺼도 안료 입자는 쉽게 움직이지 않으므로, 인쇄물처럼 읽을 수 있다.

3.2. 기타 기술

* 자이리콘(Gyricon): 1970년대 제록스 팰러앨토 연구소에서 개발된 초기 전자종이 기술이다. 미세한 폴리에틸렌 구체 내부에 전하를 띤 야누스 입자를 넣어 회전시키는 방식으로 작동한다. 각 구체는 한쪽 면은 음전하를 띤 검은색, 다른 면은 양전하를 띤 흰색으로 되어 있어 전압에 따라 회전하며 흰색 또는 검은색을 표시한다.
* 전자 분말 유체 방식: 입자와 유체의 중간적인 성질을 가지는 흰색 전자 분말 유체를 사용한다. 고속 응답성, 높은 반사율, 넓은 시야각, 저소비 전력, 메모리성을 가지며, 액정보다 저렴한 비용이 장점이다.
* 액정 방식 (RLCD): 서로 다른 파장의 빛을 선택적으로 반사하는 콜레스테롤 액정층을 사용하여 다색 컬러 표시를 수행한다. 후지쯔(富士通), 아사히 글라스(旭ガラス), 후지 제록스(富士ゼロックス), 샤프(Sharp) 등이 개발하고 있다.
* 일렉트로웨팅(Electrowetting) 방식: 전압을 가하여 액체의 표면 장력을 변화시켜 색을 표현하는 방식이다. 전기습윤을 이용하며, 빠른 응답 속도와 높은 반사율을 가진다.
* 화학 변화 방식: 유기물이나 무기물의 산화 환원 반응을 이용한다. 후나이 전기(船井電機)가 개발 중이다.
* 에렉트로데포지션(Electrodeposition) 방식: 투명 전극에 염료를 흡착시키고, 양쪽 전극에서 전해질 용액을 통해 전압을 인가하여 유기 염료를 전기적으로 가역적인 산화·환원 상태로 만들어 발색시킨다.
* 가동 필름(Movable Film) 방식: 기와 지붕처럼 겹쳐진 흰색/검은색 잉크 필름을 움직여 색을 표현한다. 검은색 잉크 필름 대신 시안, 마젠타, 노란색 필름을 사용하여 감산 혼색 방식으로 컬러 표시도 가능하다.
* 트위스트 볼(Twist Ball) 방식: 전계나 자계에 의해 2색으로 칠해진 대전 구체 또는 원주형 소자를 회전시켜 표시하는 방식이다.
* 구형 트위스트 볼 방식: 흰색과 검은색처럼 반구면마다 색상과 대전 상태가 다른 볼을 전극 사이에 배치하고, 전압 인가에 따라 회전시켜 표시한다.
* 자기 트위스트 볼 방식: 자성을 띤 2색 볼을 자석으로 회전시켜 구동한다.
* 원통형 트위스트(Cylindrical Twist) 방식: 꼬투리형 표시 방식이라고도 하며, 대전 상태가 다른 흰색과 검은색 수지가 심 구조로 채워진 원통형 투명 수지 껍질 안에 전압을 가하면 원통이 회전하여 색을 표시한다.
* 분체 이동(Powder Movement) 방식:
* 전자 분체 유체 방식: 위에서 설명한 전자 분말 유체 방식을 말한다.
* 대전 토너형 표시 방식: 서로 다른 광학적 특성(흰색, 검은색)과 대전 특성을 가진 2종류의 절연성 입자를 전계에 의해 이동시켜 문자나 화상을 표시한다.
* 써멀(Thermal) 방식: 가역식 감열지를 사용하며, 광 산란 방식과 발색 방식이 있다.
* 광 산란 방식: 투명/백탁 상태를 열에 의한 상 분리 또는 상 변화로 가역적으로 변화시켜 광 산란, 굴절률, 투과율 변화를 이용한다.
* 발색 방식: 로이코 염료의 발색 현상을 열 제어하여 재작성을 가능하게 한다.
* 자기영동(Magnetophoresis) 방식: 흰색 안료를 현탁시킨 셀 또는 마이크로캡슐에 자성 분말을 넣고 자계 인가에 의해 자성 분말을 이동시켜 표시한다. 초기의 방식은 해상도와 대비가 낮았으나, 최근에는 자기 통전 감열 방식이 개발되고 있다.

4. 특징

전자 종이는 다른 디스플레이에 비해 낮은 전력 소비, 유연성, 그리고 편안한 가독성을 가진다. 표시 중에는 전력을 소비하지 않거나 극소량만 소비하며, 내용을 다시 쓸 때의 전력 소비도 매우 적다. 모토로라 F3는 LCD 대신 전자 종이 디스플레이를 사용한다.

; 낮은 소비 전력
: 전자 종이는 이미지를 유지하기 위해 전기가 전혀 필요하지 않으며, 이미지를 다시 작성할 때에도 적은 전력 소비로 가능하다. 화면을 변경할 때만 전력을 소비하므로 배터리 수명이 길다.
; 응답 속도
: 전기영동 방식은 매우 느려 동영상 용도에는 적합하지 않았지만, 전자 분체 유체는 액정보다 고속으로 동작한다.
; 높은 시인성
: 종이와 같이 반사광을 이용하여 표시하므로, 시야각이 넓고 직사광선 아래에서도 보기 쉬우며, 눈의 피로가 적다. 어두운 곳에서는 별도의 조명이 필요하다.
; 얇음, 유연성
: 종이처럼 얇게 만들 수 있다. 얇은 필름 형태로 제작 가능하여 휴대성이 뛰어나다. 표시 기판에 플라스틱 필름을 사용하면 구부려도 품질을 손상시키지 않고 표시할 수 있지만, 2009년 1월 현재, 어떤 방식의 제품도 상품화되지 않았다. 플라스틱 기판을 사용하면 구부릴 수 있는 디스플레이 제작이 가능하다.

2013년 현재 기술로도 전기 영동 방식에서는 신문이나 레이저 프린터로 인쇄 출력된 복사 용지와 비교해도 손색없는 표시 품질을 얻을 수 있다.

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📌 열 고정 해제

표시 특성 비교

표시 매체	반사율	명암비
전자 종이 (전기 영동 방식)	44%	15:1
신문	40~65%	7:1
복사 용지	80%	20:1

2008년 말에는 단순 흑백 이미지 업데이트 시간이 0.3 - 0.7초였다. 2008년 봄에 세이코 엡손이 전기 영동 방식 전용 구동 IC를 개발하여 최대 16개의 영역에 대해 동시에 재작성할 수 있게 되어, 응답성이 좋은 전자 종이를 실현할 수 있게 되었다.

넓은 시야각을 가지며, 흑백의 활자 인쇄와 같은 강한 명암비의 모노크롬 표시에 최적이지만, 흑백 중간조에서는 한 번 흑백을 반전시켜 이전의 잔상을 지울 필요가 있어 이미지 업데이트 시간이 단순 흑백 이미지에 비해 2배 이상 걸려 스크롤 표시에는 적합하지 않다. 중간조는 펄스 폭 변조 등으로 구현된다.

컬러화는 액정 패널과 마찬가지로 화소마다 색상이 다른 컬러 필터를 겹쳐 구현되지만, 흑백에서는 반사광을 이용하기 때문에 40%였던 흰색 반사율이, 적·녹·청의 3가지 컬러 필터로부터의 반사광 합성으로 흰색을 만들기 위해 13% 정도로 떨어져 어두운 화면이 되는 것이 단점이다.

5. 한국의 전자종이 산업 및 이용 현황

2007년 가을, 한국 네오럭스사에서 전자책 누트를 발매했으며, 디지나루에서도 소리북 계획을 발표했다. 2009년 가을에는 아이리버가 아이리버 스토리를 발매했다. 2012년 가을, YES24, 알라딘, 반디앤루니스는 공동 개발로 크레마 터치를 판매하기 시작했다. 2015년 10월 5일에는 리디북스가 '리디북스 페이퍼'를 출시했다.

전자종이는 전자책 단말기 외에도 스마트카드, 휴대전화, 디지털 교과서, 신문 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

5.1. 산업 현황

* 2007년 가을, 한국 네오럭스사에서 전자책 누트를 발매했으며, 디지나루에서도 소리북 계획을 발표했다.
* 2009년 가을, 한국 아이리버는 전자책 아이리버 스토리를 발매했다.
* 2012년 가을, 한국 YES24, 알라딘, 반디앤루니스는 공동개발으로 전자책 크레마 터치를 개발해 판매를 시작했다.
* 2015년 10월 5일에 리디북스는 전자책 '리디북스 페이퍼'를 출시했다.

5.2. 이용 현황

전자종이는 다양한 분야에서 활용되고 있다.

* 전자책 단말기

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2007년 가을, 한국 네오럭스사에서 전자책 누트를 발매했다. 2009년 가을에는 아이리버에서 아이리버 스토리를 출시했다. 2012년 가을, YES24, 알라딘, 반디앤루니스는 공동 개발을 통해 크레마 터치를 출시하여 판매하기 시작했다. 2015년 10월 5일에는 리디북스에서 '리디북스 페이퍼'를 출시했다.

* 스마트카드

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전자종이를 활용한 플렉서블 디스플레이 카드는 인터넷 뱅킹에서 1회용 암호를 생성하여 사기 거래를 줄이는 데 사용된다. 전자종이는 데이터 보안을 위해 기존의 전자 열쇠 토큰 대신 평평하고 얇은 형태로 제공될 수 있다. 세계 최초의 ISO 호환 스마트카드는 시픽스 이머징 사의 전자종이를 사용하여 개발되었다.

* 휴대전화

모토로라의 저가형 휴대전화인 모토로라 F3은 흑백 전자종이 화면을 채택했다.

* 디지털 교과서

2007년 1월, 네덜란드의 전자종이 전문기관은 마스트리흐트의 중학교에서 디지털 교과서로 전자종이를 사용하기 시작했다.

* 신문

2006년 2월, 플라망어 일간신문 De Tijid는 선택된 응모자에게 아이렉스 일리어드의 초기 시제품으로 신문을 배포했는데, 이는 전자종이를 신문으로 사용한 최초의 사례로 기록되었다. 2007년 9월, 프랑스어 일간신문 Les Echos는 예약 구독자에게 전자종이 기반 신문을 제공한다고 발표했다.

* 기타

전자 가격표시기, POP 광고, 악보, 대중교통 시간표 등에도 전자종이 활용이 가능하다.

6. 한계점 및 보완 과제

전자종이는 여러 장점에도 불구하고 몇 가지 한계점과 보완해야 할 과제를 안고 있다.

1. 느린 응답 속도

전기영동 방식은 특히 응답 속도가 느려 동영상 재생에는 부적합하다는 단점이 있다. 이는 전하를 띤 입자가 전기장에 의해 이동하는 물리적 특성 때문에 발생한다.

2. 컬러 구현의 어려움

색상을 표현하기 위해 컬러 필터를 사용하는 방식은 흑백 디스플레이에 비해 화면이 어두워지는 문제가 있다. 이는 컬러 필터가 빛의 일부를 흡수하기 때문이다.

3. 가격

일부 전자종이 기술은 여전히 고가여서 대중화에 어려움이 있다. 특히, E Ink사와 같은 특정 기업이 기술을 주도하면서 가격 경쟁이 제한적일 수 있다.

4. 제한적인 내구성

플라스틱 기판을 사용하는 경우, 외부 충격에 약할 수 있다는 단점이 있다. 이는 전자종이가 얇고 유연한 특성을 가지기 위해 플라스틱 소재를 사용하기 때문이다.