Come funziona l’e-paper: dal Gyricon ai display elettroforetici

Cominciamo con lo sfatare un mito piuttosto comune: l’e-paper non è un LCD, anzi è concettualmente molto dissimile da un display tradizionale. Tanto per cominciare non è retroilluminata, ma la visibilità è data dalla riflessione della luce ambientale, funziona cioè come la comune carta e non come un monitor. Sempre come la carta poi, l’e-paper è in grado di mantenere informazioni per lungo periodo, senza il bisogno di essere alimentata tranne che per cambiare stato. Anche qui l’analogia con un libro od un giornale è corretta: finché la pagina è statica non c’è bisogno di alcuna forza esterna per mantenerla, per sfogliarla o, in questo caso, per cambiare l’immagine visualizzata, sarà invece necessario un intervento, sotto forma di mano che gira la pagina nel primo caso, oppure di corrente sufficiente a riallineare le particelle di pigmenti nel caso dell’e-paper, si tratta quindi di un sistema bistabile. Niente refresh continuo come per i monitor quindi, ma solo nel caso si necessiti di cambiare stato. Questo porta ovviamente alla capacità dell’e-paper di fornire immagini estremamente stabili e leggibili in ogni condizione di luce, anche per via del fatto che, come abbiamo visto, non c’è retroilluminazione ma si sfrutta la luminosità ambientale.

Un altro vantaggio dovuto a questa diversità rispetto ai monitor tradizionali, è quello legato all’ampio angolo di visibilità dei contenuti impressi sull’e-paper che, non avendo celle simili a quelle degli odierni LCD, non è limitata in tal senso, potendo offrire una buona leggibilità anche ad angolazioni estreme rispetto al piano di visualizzazione.

Le applicazioni pratiche sono numerose ma ancora certi aspetti della tecnologia vanno migliorati e pongono dei seri limiti alla diffusione di questo supporto. Molti sono i produttori impegnati nella ricerca sull’e-paper e su come renderla più appetibile per il grande pubblico ma per ora il suo utilizzo è limitato. Prima di lanciarci ad esaminare il mercato dell’e-paper e i suoi possibili impieghi però, è utile fare un piccolo approfondimento su questa tecnologia, che in effetti tanto nuova non è, risalendo addirittura agli anni 70, almeno nella sua prima ideazione.

Nick Sheridon può essere considerato come il creatore dell’e-paper, al tempo chiamata Gyricon, sviluppata nei laboratori della Xerox di Palo Alto. Questo materiale aveva molti punti in comune con la carta: flessibilità, capacità di potervi scrivere sopra e cancellare, ampio angolo di visione. La struttura era abbastanza semplice ma altrettanto innovativa e interessante nella sua realizzazione, consisteva infatti di un sottile strato di materiale plastico trasparente contenente al suo interno delle minuscole sfere di polietilene, dalle dimensioni di meno di 100 micrometri. Queste particelle, definibili come “Giano particelle” (prendendo il nome della divinità romana caratterizzata dall’avere due facce, ovvero Giano Bifronte), erano la vera particolarità dell’antenato dell’e-paper.

Ognuna aveva due emisferi distinti di colori differenti, orientabili a piacimento tramite il passaggio di corrente elettrica, praticamente ciascuna sfera in questa implementazione si comporta come un dipolo elettrico.

Il funzionamento a questo punto è molto semplice: al passaggio di corrente le sfere vengono ruotate presentando un lato colorato e restituendo quindi una data immagine all’utente, rimanendo ferme in quello stato fin quando non verrà dato un altro impulso che le farà ruotare nuovamente.

Il risultato ottenuto dal Gyricon fu notevole: un contrasto di 12:1 (in media quello di un quotidiano può essere quantificabile in 7:1), una persistenza dell’immagine che poteva durare anche per mesi (se il foglio veniva tenuto in stato di riposo), una risoluzione di 300 dpi ed una tensione di lavoro di 15 V. Per contro però la velocità di passaggio da bianco a nero era nell’ordine dei 200 ms circa, un tempo decisamente elevato per gli standard odierni.

Sebbene Xerox abbia formalmente abbandonato il progetto Gyricon, alcune aziende continuano a proporre soluzioni basate su questa tecnologia, essendo abbastanza semplice da realizzare, che tuttavia ha un insormontabile difetto dovuto proprio alle sue caratteristiche peculiari: non può essere utilizzata per produrre display a colori ma solo monocromatici, il perché è abbastanza ovvio.

Di passi avanti però in questi anni se ne sono fatti ed il risultato è che si è arrivati ad utilizzare diverse tecniche per produrre tipi di display associabili all’e-paper: quelli elettroforetici, quelli ad elettrocromatismo e i cosiddetti elettrowetting.

Il processo elettroforetico è probabilmente il più semplice, cominciamo da questo.

Si tratta in sostanza di due superfici conduttive che celano tra loro uno spazio riempito da un olio di idrocarburi nel quale sono sospese delle particelle di diossido di titanio (ma possono essere utilizzate anche altre sostanze). Queste particelle sono spostate facendo passare una carica elettrica per i due piani, in modo che esse vengano a trovarsi a contatto della superficie opposta alla loro carica per elettroforesi. Il risultato sarà che quando le particelle si trovano sul lato frontale del display la luce verrà riflessa verso l’utente grazie all’elevata riflettività del materiale impiegato, che vedrà quindi uno schermo bianco. Al contrario invece, quando saranno poggiate sulla superficie più interna, verrà visto un punto scuro, dato che la luce verrà assorbita dall’olio situato internamente alle lastre. L’immagine finale verrà quindi creata suddividendo la parte fluida in tante piccole celle che andranno a formare i singoli pixel, ognuno ovviamente controllabile in modo indipendente.

La tecnologia dei display e-paper elettroforetici è la più utilizzata al momento, con molti dispositivi che la implementano, uno su tutti, il famoso Kindle di Amazon.

La particolare conformazione della struttura di questi display permette un’interessante applicazione, quella di rendere possibile la visione anche a colori, basta infatti applicare ad ogni singola cella un filtro colorato nella classica terna sottrattiva CMY e avremo così la resa dei colori al posto di quella monocromatica. Ovviamente in questo modo si avrebbe una riduzione di un terzo della risoluzione, dato che non basta certo applicare un filtro ad ogni pixel, così facendo infatti si avrebbe la trasformazione di questi in sub pixel, dei quali solo per ogni tre si avrebbe un pixel effettivo. E’ necessario quindi, per avere una risoluzione analoga ad un display monocromatico, miniaturizzare ulteriormente il processo produttivo e realizzare celle notevolmente più piccole, cosa più facile a dirsi che a farsi, almeno se si tenta di mantenere costi accettabili per l’utente finale.