Компьютерра

30.05.2011 - 05.06.2011

Статьи

Технология Gyricon: забытый электронный папирус

Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 30 мая 2011 года

"Закончив чтение, он заложил между страницами использованную карточку метро и захлопнул электронную книгу".

Сегодня, когда электронные книги из экзотики превратились в обыденность, читать такую фразу по меньшей мере непривычно. Планшетообразный форм-фактор современных читалок настолько устоялся, что трудно представить такое устройство в виде обычной многостраничной книги. А ведь стоило проказнице-судьбе повернуться лицом не к технологии E Ink, основе всех нынешних ридеров, а к ее конкурентке — и сегодня мы использовали бы в наших гаджетах не электронные чернила, а электронную бумагу. Или, если говорить точнее, электронную бумагу многоразового использования (ERP — electronic reusable paper). И, поверьте, не только в качестве экранов-страниц электронных книг, но и в повседневной бумажной волоките, ведь по своим свойствам лист ERP практически не отличается от настоящей бумаги: гибкий, сколь угодно долго сохраняющий нанесенное на него изображение, отлично читаемый при ярком свете, не требующий сложных электронных компонентов или источника питания и, самое главное, пригодный для многократной записи и стирания информации.

Технология изготовления такой электронной бумаги, разработанная в семидесятых годах, называется Gyricon. Сегодня она забыта почти настолько же прочно, насколько забыта, например, методика изготовление папируса.

Кручу верчу, прилипнуть хочу

На самом деле, первоначально Gyricon разрабатывался для совершенно другой цели. В 1974 году сотрудник исследовательского центра Xerox PARC Николас Шеридон (Nicolas K. Sheridon) предложил эту технологию в качестве альтернативы ЭЛТ-дисплея, применявшегося в разрабатываемой Xerox персоналке Alto — компьютере, во многом опередившем свое время.

В поисках идеи для нового дисплея Шеридон обратился к технологии лазерной печати, которую тогда же разрабатывали в Xerox. В лазерном принтере частицы тонера выстраиваются в нужных местах бумажного листа под воздействием электрического заряда. В основе Gyricon лежит похожий принцип, только «тонер» находился не снаружи, а внутри «листа».

Роль тонера выполняли микроскопические шарики (диаметр — около 100 микрометров). Каждый шарик был двухцветным (bichromal) — наполовину белым, наполовину окрашенным любым другим цветом. Шеридон и сотрудники его лаборатории научились встраивать их в тонкий слой вспененного эластомера, прикрыв его сверху и снизу прозрачной пластиковой пленкой. Получившийся сэндвич был очень тонким (0,4 миллиметра), а каждый его квадратный дюйм хаотично заполняли около четверти миллиона шариков.

Внутри страницы Gyricon скрываются миллионы двухцветных шариков

Основной трудностью, с которой столкнулись «бумажных дел мастера», была необходимость размещения каждого шарика в отдельной полости, которая была всего на 25% больше самого шарика. Масло, заполняющее полость, позволяло шарику свободно вращаться. Именно это вращение и дало название технологии. Gyricon и гироскоп — слова однокоренные. В их основе лежит греческое слово gyro — вращаться.

Вот так выглядит прослойка листа Gyricon на микрофотографии

Как же на листе Gyricon формировалось изображение? Окрашенные половинки шариков были заряжены разнополюсными зарядами. Прикладывая к разным участкам листа разный заряд, можно было заставить шарики повернуться нужной стороной и тем самым сформировать картинку.

Получившееся на листе изображение сохранялось до тех пор, пока к нему не прикладывали противоположный по знаку заряд. Почему свободно вращающиеся в масляной полости шарики длительное время оставались в нужном положении? Всё дело в адгезии — сцеплении двух разнороднородных поверхностей под воздействием ван-дер-ваальсовых межмолекулярных сил. Проще говоря, шарики прилипали к поверхности полости.

Схема листа-дисплея Gyricon

В теории все звучит очень просто и красиво. На практике же Шеридону с командой пришлось экспериментальным путем преодолевать массу трудностей. Например, решать, что делать со взаимным влиянием зарядов расположенных рядом шариков или с неравномерностью вращения шариков на границах приложения к поверхности Gyricon разнополюсных зарядов. Именно из-за последней проблемы изображения на «бумаге» Gyricom выглядели размыто. Хаотичность расположения шариков в массе эластомера тоже отрицательно сказывалась на контрастности. Однако со временем инженеры преодолели и эту проблему. Во втором поколении Gyricon им удалось добится практически равномерного распределения шариков всего в двух слоях.

Второе поколение «бумаги» Gyricon (справа) было значительно контрастнее первого

С этого момента по технологии Gyricon могла производиться тонкая, контрастная электронная бумага практически любого размера. Цвет изображения зависел от того, каким цветом окрашены половинки шариков-тонера. При этом для изготовления рулонов Gyricon с минимальными модификациями подходило прокатное оборудование, использующееся для производства многослойных полимерных пленок.

Вот он, «свежеотпечатанный» лист Gyricon Наладив технологический процесс, Шеридон с коллегами хвастался целыми рулонами бумаги Gyricon

Разработав электронную бумагу, Шеридон приступил к конструированию письменных принадлежностей для нее.

Волшебная палочка для Gyricon

Команде изобретателей Gyricon было понятно, что механизм формирования изображений на листе электронной бумаги должен зависеть от того, где эта бумага будет применяться. Одно дело изобразить аршинные буквы на рекламном плакате, и совсем другое — мелкий шрифт на листе формата А4. Если для второго случая можно воспользоваться технологиями, напоминающими традиционную многопроходную печать, то для первого они явно не годились.

Шеридон придумал два альтернативных метода адресации, обеспечивающих «печать» изображений на листах Gyricon разного размера.

Gyricon-плакат на основе адресных площадок

Первый метод позволял формировать на листе ограниченный набор изображений — например, символы алфавита и цифры. Он базировался на использовании печатных плат, на которых располагались адресные площадки с электродами, формирующими необходимые заряды. Одна такая адресная площадка размером 12х12 дюймов справлялась с формированием изображения с разрешением 200 пикселей на дюйм, состоящего из 5760000 шариков Gyricon. С помощью набора площадок можно было сформировать текст на достаточно большом листе электронной бумаги, причем сфомировать параллельно. Идеальный способ для применения на крупных билбордах или... на небольших экранах, где требуется отражать только фиксированную информацию, например, только текст.

Второй метод, именуемый линейный массив электродов (Linear Electrode Array), предназначался для печати мелких изображений. Фактически, он копировал принцип печати на основе светодиодной линейки, являющийся альтернативой лазерной печати, только вместо светодиодов в линейке для печати на листах Gyricon размещались микроскопические электроды.

Линейка электродов — более компактный механизм формирования изображений на бумаге Gyricon

Линейка электродов была такой компактной, что Шеридон умудрился смонтировать ее вместе с контроллером и элементами питания в компактном корпусе, который назвал «перо» (stylus wand). Письмо таким пером походило на волшебство: стоило провести пером на листом Gyricon, и текст появлялся, как по мановению волшебной палочки.

"Писать" на бумаге Gyricon можно было и простым карандашом, подав заряд на его грифель

На основе линейки электродов команда Шеридона разработала несколько интересных концептов. Например, свиток — электронную газету, свернутую в трубочку и упрятанную в небольшой «тубус». На «бумаге» внутри тубуса изображения не было. Оно формировалось на листе, когда пользователь вытягивал его наружу через щель с линейкой электродов.