Технология Gyricon: забытый электронный папирус

Автор: 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.

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.

Вот что писал Николас Шеридон о мотивах разработки Gyricon: "Электронно-лучевые трубки семидесятых были очень тусклыми. Мне хотелось найти для дисплея Alto материал, который имел бы как можно больше общего с обычной бумагой. Искать замену бумаге у меня даже в мыслях не было".

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.

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.

Впрочем, линейка электродов могла использоваться и более традиционно, например в Gyricon-принтере. Встроив линейку электродов в принтер, Шеридон научился печатать на бумаге Gyricon традиционным способом

К 1998 году технология Gyricon из лабораторного образца превратилась в продукт, готовый к коммерческому использованию. Вот только руководство Xerox к этому времени охладело к работе Шеридона. Компания сосредоточила усилия на развитии технологий лазерной и светодиодной печати.

Изобретатель, двигавшийся к своему триумфу в течении двадцати лет, не мог просто так похоронить свое детище. В декабре 2000 года он создает компанию Gyricon Media со штаб-квартирой в том же Пало-Альто. Полностью независимой она не была, так как компания Xerox частично сохранила свой финансовый интерес к работе Шеридона.

На торговой выставке в Чикаго Шеридон, улыбаясь, демонстрировал свое детище - Gyricon-дисплей MaestroSygn

В 2001 году на выставке GlobalShop Шеридон - теперь уже в роли научного директора Gyricon Media - демонстрирует дисплей MaestroSygn размером 11 на 14 дюймов, который циклически воспроизводит собственную стоимость: 89,99 долларов. Удивленные посетители узнают, что плакат способен работать в течение двух лет всего от трех батареек АА.

Кажется, победа Gyricon была неизбежен. На практике же все оказалось не так радужно. Первые полевые испытания технология Gyricon проходила под торговой маркой SmartPaper в пятнадцати магазинах розничной сети Macy американского города Бриджуотер. SmartPaper имел мало общего с экспериментальными рулонами Gyricon. Чтобы обеспечить приемлемую скорость работы, матрица электродов была жестко смонтирована на каркасе, поэтому SmartPaper больше напоминал традиционный дисплей, чем лист бумаги. При этом его разр ешение составляло всего 100 пикселей на дюйм, что, конечно же, далеко от качества полиграфической печати. Тем не менее, экраны SmartPaper прекрасно справлялись с ролью... интерактивных ценников.

Увы, беспроводные электронные ценники, помогавшие Macy экономить более 250 тысяч долларов в неделю, были единственным коммерческим успехом технологии Gyricon. Низкое разрешение и сложность массового производства по-настоящему гибких экранов привели к тому, что Gyricon Media стала получать все меньше заказов.

Так выглядели электронные ценники

Шеридон продолжал эксперименты, запатентовав цветную версию Gyriocn и пытаясь довести до работоспособного образца прототип электронного папируса, но в итоге всё же признал поражение. "Дисплеи Gyricon никогда не смогут соперничать с обычной бумагой. Они не смогут стать достаточно тонкими, чтобы потребитель получил по-настоящему удобную в использовании многократно возобновляемую электронную бумагу", - Этими словами инженер поставил точку в своих исследованиях.

Хотя технология Gyricon была предана забвению, именно она вдохновила молодого ученого из Стэнфорда Джозефа Джейкобсона начать эксперименты с заряженными частицами белоснежного диоксида титана, плавающими в подкрашенном маслянном растворе. Результатом опытов стал электрофоретический дисплей, который явно не обладал физическими свойствами обычной бумаги, но зато был способен отображать картинку с практически типографским качеством. Так появилась технология E Ink - те самые электронные чернила, которые сегодня живут в каждом ридере.

Что же касается гибкости дисплеев на основе электронных чернил, то сама компания E Ink ведет активные исследования в этой области. Не отстает от нее и компания Plastic Logic ( http://www.plasticlogic.com/ereader/plastic-display.php ), гибкие дисплеи которой практически неотличимы от традиционного бумажного листа.

Компания E Ink не оставляет попыток разработать по-настоящему гибкий дисплей

Думаю, однажды мы все же сможем полистать страницы электронной книги. Не виртуальные, а самые настоящие гибкие, шуршащие страницы. И вспомнить о том, что начало этому в далеких семидесятых положила технология-мечта Gyricon - забытый ныне электронный папирус.