
電子ペーパーまたはインテリジェントペーパーは、周囲の光を反射して、紙に印刷した普通のインクのような外観を実現する表示装置である[1] 。従来のフラットパネルディスプレイは、自ら光を発するために追加のエネルギーを必要とする。これにより、より快適に読むことができ、ほとんどの発光ディスプレイよりも広い視野角が得られる。2008年現在入手可能な電子ディスプレイのコントラスト比は新聞に迫り、新たに開発されたディスプレイはそれをわずかに上回っている[2] [更新が必要] 。理想的な電子ペーパーディスプレイは、直射日光の下でも画像が褪色することなく読むことができる。
技術には、ジャイリコン、電気泳動、エレクトロウェッティング、干渉法、プラズモニクスなどがあります。多くの電子ペーパー技術は、電気がなくても静的なテキストや画像を無期限に保持します。フレキシブル電子ペーパーは、ディスプレイのバックプレーンにプラスチック基板とプラスチック電子機器を使用します。電子ペーパーの用途には、電子棚札やデジタルサイネージ、[3]バス停の時刻表、電子看板、[4] スマートフォンのディスプレイ、書籍や雑誌のデジタル版を表示できる 電子書籍リーダーなどがあります。
テクノロジー
ジリコン
電子ペーパーは、1970年代にゼロックス社のパロアルト研究所のニック・シェリドン氏によって初めて開発されました。[5]最初の電子ペーパーは、ジャイリコンと呼ばれ、直径75〜106マイクロメートルのポリエチレン球で構成されていました。各球は、片側が負に帯電した黒いプラスチック、もう片側が正に帯電した白いプラスチックで構成されたヤヌス粒子です(したがって、各ビーズは双極子です)。[6]球は透明なシリコンシートに埋め込まれており、各球は自由に回転できるように油の泡の中に浮かんでいます。各電極ペアに適用される電圧の極性によって、白または黒のどちらが上向きになるかが決定され、ピクセルの外観が白または黒になります。[7] FPD 2008展示会では、日本の企業である綜研工業がこの技術を使用した電子壁紙を貼った壁を実演しました。[8] 2007年、エストニアのVisitret Displays社は、球体の材料としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を使用したこの種のディスプレイを開発し、ビデオ速度を劇的に向上させ、必要な制御電圧を低減しました。[9]
電気泳動

電気泳動ディスプレイ( EPD ) は、印加電界で帯電顔料粒子を再配置することによって画像を形成します。EPD の最も単純な実装では、直径約 1 マイクロメートルの二酸化チタン(チタニア) 粒子が炭化水素油に分散されます。暗色の染料も油に加えられ、界面活性剤と粒子に電荷を帯びさせる帯電剤も加えられます。この混合物は、10 ~ 100マイクロメートルの間隔で分離された 2 枚の平行な導電性プレートの間に配置されます。2 枚のプレートに電圧が印加されると、粒子は粒子とは反対の電荷を持つプレートに電気泳動により移動します。粒子がディスプレイの前面 (表示側) にある場合、光が高屈折率[要説明]のチタニア粒子によって観察者に向かって散乱されるため、ディスプレイは白く見えます。粒子がディスプレイの背面にある場合は、光が有色染料によって吸収されるため、暗く見えます。背面電極を多数の小さな画素 (ピクセル) に分割すると、ディスプレイの各領域に適切な電圧を印加して反射領域と吸収領域のパターンを作成することで画像を形成できます。
EPD は、通常、 MOSFETベースの薄膜トランジスタ(TFT) 技術を使用して処理されます。TFT は、 EPD で高密度画像を形成するためによく使用されます。[10] TFT ベースの EPD の一般的な用途は、電子書籍リーダーです。[ 11]電気泳動ディスプレイは、紙のような外観と低消費電力のため、電子ペーパー カテゴリの代表的な例と見なされています。[要出典]市販の電気泳動ディスプレイの例には、 Amazon Kindle 、 Barnes & Noble Nook 、 Sony Reader 、 Kobo eReader 、 iRex iLiad 電子書籍リーダーで使用されている高解像度アクティブ マトリックス ディスプレイがあります。これらのディスプレイは、 E Ink Corporationが製造した電気泳動イメージング フィルムで構成されています。この技術を使用した携帯電話は、 Motorola Foneです。[12]
電気泳動ディスプレイ技術は、SiPixとブリヂストン/デルタによっても開発されました。SiPixは現在、E Ink Corporationの一部です。SiPixの設計では、E Inkの直径0.04 mmのマイクロカプセルの代わりに、柔軟な0.15 mmのマイクロカップアーキテクチャを使用しています。[13] [14] ブリヂストン社の先端材料部門は、デルタオプトエレクトロニクス社と協力して、クイックレスポンス液体粉末ディスプレイ技術を開発しました。[15] [16]
電気泳動ディスプレイは、フィリップスリサーチが開発したレーザーリリースによるプラスチック上の電子部品(EPLaR)プロセスを使用して製造することができ、既存のAM-LCD製造工場でフレキシブルプラスチックディスプレイを製造できるようになります。[17]
マイクロカプセル化電気泳動ディスプレイ


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1990年代には、MITの学部生のチームにより、マイクロカプセル化された電気泳動ディスプレイに基づく別のタイプの電子インクが考案され、試作品が作られました。 [18] Natureの論文で説明されています。[19] JD Albert、Barrett Comiskey、Joseph Jacobson、Jeremy Rubin、Russ Wilcoxは、この技術を商品化するために、1997年にE Ink Corporationを共同設立しました。その後、E Inkは2年後にPhilips Componentsと提携し、この技術の開発と販売を行いました。2005年、Philipsは電子ペーパー事業と関連特許をPrime View Internationalに売却しました。
「ディスプレイ メディアの研究者は長年、紙の電子アナログである柔軟で低コストのシステムを作成することを目標としてきました。この文脈で、微粒子ベースのディスプレイは長い間研究者の興味をそそってきました。このようなディスプレイの切り替え可能なコントラストは、散乱または吸収性の高い微粒子 (サイズ範囲 0.1~5 μm) の電気移動によって実現されます。これは、より一般的な液晶ディスプレイの動作を支配する分子スケールの特性とはまったく異なります。微粒子ベースのディスプレイは、固有の双安定性を持ち、非常に低電力の DC フィールド アドレスを示し、高いコントラストと反射率を実証しています。これらの特徴と、ランバートに近い表示特性を組み合わせると、「紙にインク」のような外観になります。しかし、このようなディスプレイは、これまで寿命が短く、製造が難しいという問題がありました。ここでは、電気泳動分散液のマイクロカプセル化に基づく電気泳動インクの合成について報告します。マイクロカプセル化された電気泳動媒体を使用すると、寿命の問題が解決され、双安定性のディスプレイの製造が可能になります。印刷のみによる電子表示。このシステムは電子ペーパーの実用的要件を満たすかもしれない。」[20]
これは、色のついた油に浮遊する帯電した白い粒子で満たされた小さなマイクロカプセルを使用した。[19]初期のバージョンでは、基礎となる回路によって、白い粒子がカプセルの上部にあるか(見る人には白く見える)、カプセルの下部にあるか(見る人には油の色が見えるか)を制御していた。これは本質的にはよく知られた電気泳動ディスプレイ技術の再導入であったが、マイクロカプセルにより、ガラスの代わりに柔軟なプラスチックシート上にディスプレイを作製できるようになった。電子ペーパーの初期バージョンの 1 つは、それぞれが約 40マイクロメートルの非常に小さな透明カプセルのシートで構成されている。各カプセルには、黒色染料(電子インク)を含む油性溶液が含まれており、その中には多数の白い二酸化チタン粒子が浮遊している。粒子はわずかに負に帯電しており、それぞれが自然に白色である。[7] スクリーンは、上部が透明な 2 つの電極アレイの間に挟まれた液体ポリマーの層にマイクロカプセルを保持しています。2 つのアレイはシートをピクセルに分割するように配置されており、各ピクセルはシートの両側にある 1 組の電極に対応しています。シートは保護のために透明プラスチックでラミネートされており、全体の厚さは80マイクロメートルで、通常の紙の2倍です。電極のネットワークはディスプレイ回路に接続され、特定の電極ペアに電圧を印加することで、特定のピクセルで電子インクを「オン」または「オフ」にします。表面電極に負の電荷を帯電させると、粒子が局所カプセルの底に押し戻され、黒色染料が表面に押し出されてピクセルが黒くなります。電圧を逆にすると逆の効果が得られます。粒子が表面に押し出され、ピクセルが白になります。この概念の最近の実装では、マイクロカプセルの下に1層の電極のみが必要です。[21] [22]これらは商業的にはアクティブマトリックス電気泳動ディスプレイ(AMEPD)と呼ばれています。
反射型LCD
この技術は、バックライトパネルを反射面に置き換えた一般的なLCDと似ています。 [23]バックライトLCDでも、ソフトウェアまたはハードウェアでバックライト制御を無効にすることで 、同様の技術を実現できます。
エレクトロウェッティング
エレクトロウェッティングディスプレイ(EWD)は、印加電圧によって閉じ込められた水/油界面の形状を制御することを基本としています。電圧が印加されていない場合、(有色の)油は水と電極の疎水性(撥水性)絶縁コーティングとの間に平らな膜を形成し、結果として有色のピクセルが生成されます。電極と水の間に電圧が印加されると、水とコーティング間の界面張力が変化します。その結果、スタック状態は安定しなくなり、水が油を押しのけます。これにより、部分的に透明なピクセルが生成されます。または、反射性の白い表面がスイッチング要素の下にある場合は、白いピクセルが生成されます。ピクセルサイズが小さいため、ユーザーは平均的な反射のみを体験し、高輝度、高コントラストのスイッチング要素を実現します。
エレクトロウェッティングに基づくディスプレイには、魅力的な機能がいくつかあります。白色反射とカラー反射の切り替えは、ビデオコンテンツを表示するのに十分な速さです。[24]これは低電力、低電圧の技術であり、この効果に基づくディスプレイは平らで薄くすることができます。反射率とコントラストは他の反射型ディスプレイタイプと同等かそれ以上で、紙の視覚品質に近づきます。さらに、この技術は高輝度フルカラーディスプレイへの独自の道を開き、反射型LCDの4倍、他の新興技術の2倍の明るさのディスプレイにつながります。[25]赤、緑、青(RGB)フィルターや3原色の交互のセグメントを使用する代わりに、実質的にディスプレイの3分の1だけが目的の色の光を反射することになりますが、エレクトロウェッティングでは、1つのサブピクセルが2つの異なる色を独立して切り替えることができるシステムが可能になります。
これにより、表示領域の 3 分の 2 を任意の色の光を反射するために使用できるようになります。これは、独立して制御可能な 2 つの着色オイル フィルムとカラー フィルターのスタックでピクセルを構築することによって実現されます。
色はシアン、マゼンタ、イエローで、インクジェット印刷の原理に似た減法混色方式である。LCDと比較すると、偏光板が不要なため明るさが向上する。[26]
電気流体
電気流体ディスプレイは、小さな容器の中に水性顔料分散液を入れるエレクトロウェッティングディスプレイの一種です。容器は表示可能なピクセル領域の 5~10% 未満を占めるため、顔料は実質的に見えません。[27]電圧を使用して、顔料を容器から電気機械的に引き出し、表示基板のすぐ後ろにフィルムとして広げます。その結果、ディスプレイは紙に印刷された従来の顔料と同様の色と明るさになります。電圧が除去されると、液体の表面張力により、顔料分散液は急速に容器に戻ります。この技術により、電子ペーパーの白色反射率が 85% を超える可能性があります。[28]
コア技術はシンシナティ大学のNovel Devices Laboratoryで発明され、サンケミカル、ポリマービジョン、ガンマダイナミクスとの協力により実用的なプロトタイプが開発されている。 [29] [30]
明るさ、彩度、応答時間などの重要な側面において、大きな余裕があります。光学活性層の厚さは 15 マイクロメートル未満にできるため、巻き取り可能なディスプレイに大きな可能性があります。
干渉変調器(ミラソル)
電子ビジュアルディスプレイで使用される技術で、反射光の干渉によってさまざまな色を作り出すことができます。色は、液晶ディスプレイ(LCD) のアドレス指定に使用されるものと同様のドライバ集積回路を使用してオン/オフを切り替える微小な空洞を含む電気的に切り替えられる光変調器によって選択されます。
プラズモニック電子ディスプレイ
導電性ポリマーを用いたプラズモニックナノ構造も、電子ペーパーの一種として提案されている。[31]この材料は2つの部分から成り、最初の部分は、ナノスケールの穴を含む厚さ数十ナノメートルの金属-絶縁体-金属膜で作られた高反射メタサーフェスである。メタサーフェスは、絶縁体の厚さに応じて異なる色を反射することができる。標準のRGBカラースキームをフルカラーディスプレイのピクセルとして使用することができる。2番目の部分は、電気化学ポテンシャルによって光吸収を制御可能なポリマーである。プラズモニックメタサーフェス上にポリマーを成長させた後、メタサーフェスの反射は印加電圧によって変調することができる。この技術は、広範囲の色、高い偏光非依存反射(> 50 %)、強いコントラスト(> 30 %)、高速応答時間(数百ミリ秒)、および長期安定性を提供する。さらに、超低消費電力(< 0.5 mW/cm2)と高解像度(> 10000 dpi)の可能性を秘めている。極薄メタサーフェスは柔軟性があり、ポリマーは柔らかいため、システム全体を曲げることができます。この技術の今後の改善点としては、双安定性、材料の低価格化、TFT アレイによる実装などが挙げられます。
その他の技術
電子ペーパーに関するその他の研究では、フレキシブル基板に埋め込まれた有機トランジスタを使用するものがあり、[32] [33]従来の紙に組み込む試みも含まれています。[34] シンプルなカラー電子ペーパー[35]は、上記のモノクロ技術に薄い色の光学フィルターを追加したものです。ピクセルの配列は、CRTモニターと同じように、通常は標準的なシアン、マゼンタ、イエローで構成される3色に分割されています(ただし、加法混色の原色ではなく、減法混色の原色を使用します)。ディスプレイは、他の電子カラーディスプレイと同様に制御されます。
歴史
E Ink Holdings Inc. のE Ink Corporation は、市販製品に使用される最初のカラーE Inkディスプレイをリリースしました。E Ink の Triton ディスプレイ技術を使用した最初のカラー電子インク デバイスとして、 Ectaco jetBook Color が2012 年にリリースされました。[36] [37] E Ink は 2015 年初頭に、Prism と呼ばれる別のカラー電子インク技術も発表しました。[38]この新しい技術は、電子書籍リーダーに使用できる色を変えるフィルムですが、Prism は「壁、天井パネル、または部屋全体」などの建築デザインに即座に統合できるフィルムとしても販売されています。[39]これらの現在のカラー ディスプレイの欠点は、標準的な E Ink ディスプレイよりもかなり高価なことです。jetBook Color は、Amazon Kindle などの他の一般的な電子書籍リーダーの約 9 倍のコストがかかります。[36] [37] 2015 年 1 月の時点で、Prism が電子書籍リーダー デバイスに使用される予定は発表されていませんでした。[38]
アプリケーション

複数の企業が同時に電子ペーパーとインクを開発しています。各社が使用する技術は多くの点で共通していますが、それぞれに独自の技術的利点があります。すべての電子ペーパー技術は、次のような一般的な課題に直面しています。
- カプセル化の方法
- カプセルを充填するためのインクまたは活性物質
- インクを活性化する電子機器
電子インクは、フレキシブルな素材にも、硬い素材にも適用できます。フレキシブル ディスプレイの場合、ベースには、極薄プラスチックなど、かなりの摩耗に耐えられるほど丈夫で薄くてフレキシブルな素材が必要です。インクをカプセル化して基板に塗布する方法が、各社を区別するものです。これらのプロセスは複雑で、厳重に守られた業界秘密です。とはいえ、電子ペーパーの製造は LCD ほど複雑でなく、コストもかかりません。
電子ペーパーにはさまざまなアプローチがあり、多くの企業がこの分野の技術を開発しています。電子ペーパーに応用されているその他の技術には、液晶ディスプレイの改良、エレクトロクロミックディスプレイ、九州大学のエッチ・ア・スケッチの電子版などがあります。電子ペーパーの利点は、消費電力が低いこと(ディスプレイが更新されるときだけ電力が消費される)、柔軟性、ほとんどのディスプレイよりも読みやすいことです。電子インクは、壁、看板、製品ラベル、Tシャツなど、あらゆる表面に印刷できます。インクの柔軟性により、電子デバイス用の巻き取り可能なディスプレイの開発も可能になります。
腕時計
2005年12月、セイコーはフレキシブルな電気泳動ディスプレイを搭載した初の電子インク腕時計「スペクトラムSVRD001腕時計」を発売した。 [40]そして2010年3月、セイコーはこの有名な電子インク腕時計のアクティブマトリックスディスプレイを搭載した第2世代を発売した。[41]ペブルスマートウォッチ(2013年)は、シャープ製の低電力メモリLCDを電子ペーパーディスプレイに使用している。[42]
2019年、フォッシルは、従来のアナログ時計の外観をシミュレートするために、常時オンの電子インクディスプレイと物理的な針と文字盤を統合したハイブリッドHRと呼ばれるハイブリッドスマートウォッチを発売しました。[43]
電子書籍リーダー

2004年、ソニーは日本で電子ペーパーE Inkディスプレイを搭載した初の電子書籍リーダーLibriéを発売した。 [44] 2006年9月、ソニーは米国でソニーリーダー電子書籍リーダーPRS-500を発売した。2007年10月2日、ソニーはリーダーのアップデート版であるPRS-505を発表した。2008年11月、ソニーはバックライトとタッチスクリーンを組み込んだPRS-700BCを発売した。
携帯電話
モトローラの低価格携帯電話「モトローラ F3」は、英数字と白黒の電気泳動ディスプレイを採用しています。
Samsung Alias 2携帯電話には、E Ink の電子インクがキーパッドに組み込まれており、さまざまな表示モードでキーパッドの文字セットと向きを変更できます。
スマートフォン
2012 年 12 月 12 日、Yota Devices は最初の「YotaPhone」プロトタイプを発表し、その後 2013 年 12 月にリリースされました。これはユニークなダブル ディスプレイ スマートフォンです。前面に 4.3 インチの HD LCD があり、背面に電子インク ディスプレイがあります。
2020 年 5 月と 6 月に、Hisense は初のカラー電子インク スマートフォンである Hisense A5c と A5 pro cc をリリースしました。単色ディスプレイと、Android 9 と Android 10 を実行する切り替え可能なフロント ライトを備えています。
コンピューターモニター
電子ペーパーは、13.3インチのDasung Paperlike 3 HDや25.3インチのPaperlike 253などのコンピュータモニターで使用されています。[45]
ラップトップ
Lenovo ThinkBook Plusなどの一部のノートパソコンは、電子ペーパーを補助画面として使用しています。[46] その他の一般的なノートパソコンは、バックライトのない反射型LCDパネルを使用しています。さらに、Xubuntu、Kali Linuxなどの一部のオペレーティングシステムでは、液晶ディスプレイが紙のときと同じように周囲の光で照らされるように、液晶ディスプレイのバックライトの明るさを0%に暗くするコントロールが提供されています。
2007年後半、Amazonは電子ペーパーディスプレイを搭載した電子書籍リーダーであるAmazon Kindleの生産と販売を開始しました。2009年2月、AmazonはKindle 2をリリースし、2009年5月にはより大型のKindle DXを発表しました。2010年7月には、デザインが大きく変更された第3世代Kindleが発表されました。[47] Touchと呼ばれる第4世代Kindleは、2011年9月に発表され、Kindleが初めてキーボードとページめくりボタンをやめてタッチスクリーンを採用しました。2012年9月、AmazonはLEDフロントライトと高コントラストのディスプレイを組み込んだPaperwhiteと呼ばれる第5世代Kindleを発表しました。[48]
2009年11月、バーンズ・アンド・ノーブルはAndroidオペレーティングシステムを搭載したBarnes & Noble Nookを発売した。 [49]他の電子書籍リーダーと異なるのは、交換可能なバッテリーと、メインの電子ペーパー閲覧画面の下に独立したタッチスクリーンのカラーLCDを備えている点である。
2017年、ソニーとreMarkableはスマートスタイラスで書くことに特化した電子書籍を提供した。[50]
2020年、Onyxは初のフロントライト付き13.3インチ電子ペーパーAndroidタブレット、Boox Max Lumiをリリースしました。同年末、Bigmeは初の10.3インチカラー電子ペーパーAndroidタブレット、Bigme B1 Proをリリースしました。これは、4Gセルラーデータをサポートする初の大型電子ペーパータブレットでもありました。
新聞
2006 年 2 月、フランドルの日刊紙De Tijd は、限定的なマーケティング調査の一環として、 iRex iLiadのプレリリース版を使用して、一部の購読者に新聞の電子版を配布しました。これは、新聞の発行に電子インクが初めて適用された記録です。
フランスの日刊紙レゼコーは、2007年9月に定期購読制による電子版の発行を正式に発表した。1年間の定期購読と読書端末を組み合わせた2つのプランが用意されていた。プランには、軽量(176g)の読書端末(レゼコー向けにGanaxaが改造)またはiRex iLiadが含まれていた。日刊紙の読みやすい情報を提供するために、2つの異なる処理プラットフォームが使用された。1つはGanaxaが新たに開発したGPP電子インクプラットフォームをベースとし、もう1つはレゼコーが独自に開発したものだった。
スマートカードに埋め込まれたディスプレイ
フレキシブル ディスプレイ カードを使用すると、金融決済カード所有者はワンタイム パスワードを生成して、オンライン バンキングや取引詐欺を削減できます。電子ペーパーは、データ セキュリティのために既存のキー フォブトークンに代わる平らで薄い代替手段を提供します。埋め込みディスプレイを備えた世界初の ISO 準拠スマート カードは、2005 年に Innovative Card Technologies と nCryptone によって開発されました。カードは Nagra ID によって製造されました。
ステータス表示

USBフラッシュドライブなどの一部のデバイスでは、使用可能なストレージ容量などのステータス情報を表示するために電子ペーパーを使用しています。[51]電子ペーパーに画像が設定されると、維持するために電力を必要としないため、フラッシュドライブが接続されていないときでも読み取り値を見ることができます。
電子棚札
電子ペーパーベースの電子棚札(ESL)は、小売店で商品の価格をデジタル表示するために使用されます。電子ペーパーベースのラベルは、双方向の赤外線または無線技術によって更新され、充電式コイン電池で駆動します。一部のバリエーションでは、LCDに似ていますが、画像を保持するために電力を必要としないZBD(天頂双安定ディスプレイ)を使用しています。 [52]
公共交通機関の時刻表

バス停や路面電車の停留所にある電子ペーパー ディスプレイは、リモートで更新できます。LED や液晶ディスプレイ (LCD) に比べて消費電力が少なく、停電時でもテキストやグラフィックを表示できます。LCD に比べ、直射日光の下でも見やすいです。
デジタルサイネージ
電子ペーパーは省エネ特性を備えているため、デジタルサイネージアプリケーションに適した技術であることが証明されています。
電子タグ
通常、電子ペーパー電子タグは、電子インク技術とNFCやUHFなどのワイヤレス インターフェイスを統合します。これらは、従業員の ID カードとして、または製造の変更やステータスを追跡するための製造ラベルとして最も一般的に使用されます。電子ペーパー タグは、特に再利用可能なボックスの場合、出荷ラベルとしてもますます使用されています。一部の電子ペーパー タグ メーカーが提供する興味深い機能は、バッテリー不要の設計です。つまり、ディスプレイのコンテンツ更新に必要な電力はワイヤレスで供給され、モジュール自体にはバッテリーが含まれていません。
他の
提案されている他のアプリケーションには、衣服、デジタルフォトフレーム、情報ボード、キーボードなどがあります。動的に変更可能なキーを備えたキーボードは、表現の少ない言語、Dvorakなどの非標準キーボードレイアウト、またはビデオ編集やゲームなどの特殊な非アルファベットアプリケーションに役立ちます。reMarkableは、読書やメモを取るためのライタータブレットです。
参照
- 電子書籍
- 組み込みコントローラ
- 電気流体
- フレキシブルディスプレイ
- フレキシブルエレクトロニクス
- 上部に取り付けられたハードウェア(HAT)
- ディスプレイ技術の歴史
- ラズベリーパイ/ Arduino
- 生の表示
- シリアル周辺機器インターフェース
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さらに読む
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- エレクトリックペーパー、ニューサイエンティスト、2003年
- 電子ペーパーはビデオ画像を提供する可能性がある、ニューサイエンティスト、2003年
- 論文が活気づくニューサイエンティスト、2003年
- これまでで最も柔軟な電子ペーパーが明らかに、ニューサイエンティスト、2004年
- ロールアップ式デジタルディスプレイが市場に登場へNew Scientist、2005
