E-Paper-Displays Die elektronische Tinte als Alternative zum TFT

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Geringer Energiebedarf, hohe Auflösungen und auch farbig: Elektronische Displays (E-Paper) sind aus ihrem Nischendasein entwachsen und kommen im Handel und der Industrie zum Einsatz. Ein Überblick, was die E-Paper-Displays bieten.

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E-Paper: Als elektronische Regaletikette eigne sich die E-Paper-Displays. Die Informationen werden zentral über ein CMS gesteuert.
E-Paper: Als elektronische Regaletikette eigne sich die E-Paper-Displays. Die Informationen werden zentral über ein CMS gesteuert.
(Bild: Holitech)

Die Grundidee des elektronischen Papiers, kurz E-Paper genannt, besteht darin, mit der speziellen Anzeigentechnik das Aussehen von beschriebenem oder bedrucktem Papier mit Tinte oder Farbe nachzubilden. Dabei reflektieren E-Paper-Displays das Licht wie normales Papier. Es handelt sich dabei also um passive oder reflektive Anzeigen, also solche, die nicht leuchten. Die Text- und Bildinhalte werden dabei durch Anlegen einer Betriebsspannung übertragen und dann ohne weitere Energiezufuhr angezeigt. Die Änderung ist zu einem späteren Zeitpunkt jederzeit möglich, indem wieder eine Energiequelle angelegt wird.

Die Anzeige bleibt auch nach mehreren Wochen ohne Energiezufuhr erhalten. Lediglich die Qualität der Anzeige nimmt in einem kaum wahrnehmbaren Bereich ab, das Bild wirkt bei einer sehr gründlichen Betrachtung an den Rändern etwas schwächeren Konturen. Die Technologie lässt auch biegsame Flächen ähnlich Papier zu. Bei den meisten Produkten für elektronisches Papier wird verwenden die Hersteller die E-Ink-Technik. Häufig wird das als allgemeiner Begriff für E-Paper verwendet. Es handelt sich dabei aber um einen Markennamen der E-Ink Corp., Urheber dieser speziellen Technik und einer der Marktführer bei E-Paper.

Wie Display mit E-Ink funktioniert

Das physikalische Verfahren hinter E-Ink basiert auf einem in zähflüssigem Polymer eingebetteten Layer aus Mikrokugeln (Flakes). Diese Kugeln wiederum setzen sich aus zwei verschiedenen Partikeln zusammen. Sie sind negativ geladen und schwarz oder positiv geladen und weiß. Durch Anlegen einer Betriebsspannung werden die Kügelchen entweder an die Vorder- oder an die Rückseite des Layers gezogen und zeigen so den gewünschten Inhalt an. Durch eine Teiladressierung der Kügelchen ist es so auch möglich, bis zu 16 Graustufen hochauflösend darzustellen. Farbige Darstellungen basieren zumeist auf entweder vorgelagerten Farbfiltern oder auf farbigen Pigmenten anstelle der schwarzen und weißen.

Die Vorteile einer solchen bistabilen Anzeige liegen dabei in dem sehr niedrigen Stromverbrauch. Strom fließt nur bei Änderung des Displayinhaltes während bei der unveränderten Darstellung von Inhalten keine Energie aufgewendet werden muss. Dadurch bleiben die Informationen praktisch über einen unbegrenzten Zeitraum erhalten. Ein großer Vorteil liegt in einem sehr hohen Kontrast, was den Betrieb bei direkter Sonneneinstrahlung oder bei sehr grellem Licht möglich macht. Ein weiter Betrachtungswinkel und eine sehr hohe Auflösung sind weitere Vorteile. Die Anzeigen sind ohne Hintergrundbeleuchtung lesbar. Generell werden heutzutage sehr geringe Bauhöhen von nur wenigen Millimeter erreicht. Durch die geringe Energieaufnahme sind die Anzeigen für Batterieanwendungen sehr gut geeignet.

Das Problem der niedrigen Temperaturen

Viele Hersteller garantieren beim Einsatz von E-Paper 1.000.0000 Schaltzyklen oder eine Lebensdauer von fünf Jahren. Allerdings arbeiten Displays mit E-Ink-Technik nur bei Temperaturen von 0 bis 50 °C. Es gibt meist eine sogenannte Freeze-Ausführung, die einen Einsatz bei Temperaturen von -15 bis 10 °C erlaubt. Noch niedrigere Temperaturen sind mit der Deep-Freeze-Variante möglich: Hier bewegen sich die Einsatztemperaturen von -25 bis 10 °C.

Die aktuellste Entwicklung sind sogenannte Advanced-Color-E-Paper (ACEP). Dabei werden in den Layer zusätzlich zu den schwarzen und weißen Flakes farbige Pigmente eingebracht. Diese werden durch das Anlegen von verschiedenen Spannungswerten aktiviert und ebenfalls an die Vorder- oder Rückseite des Anzeigeschicht gezogen. Es sind heute farbige Displays in den Varianten S/W, S/W/R, S/W/Y, W/BL und W/GR erhältlich. Eine Weiterentwicklung dieser Technik bei E-Ink ist die Möglichkeit, Farben in verschiedenen Tönen darzustellen. Somit lassen sich bis zu 42.000 Farben anzeigen, ohne auf die Vorteile der Technik zu verzichten. Hier ist ein Trend hin zu dünneren und leichteren E-Paper-Displays möglich. Eingesetzt werden die E-Ink-Displays in Gewerbe und Industrie.

E-Paper für unterschiedliche Einsätze

Anwendungsbeispiele für E-Paper sind Regaletiketten, wo eine deutliche Zeitersparnis durch ein Content-Management-System erzielt werden kann. Die Inhalte der Etiketten werden zentral eingegeben und über ein Bussystem auf das einzelne Etikett übertragen. Ein manueller Austausch ist nicht mehr notwendig.

Ein weiterer Einsatz ist die Informationstafel, um Produkt- oder Verkaufsinformationen darzustellen, beispielsweise in Autohäusern. Viele Smart-Home-Anwendungen wie Heizungsregler, Steckdosen oder WLAN-Anschlüsse sind auf Basis von E-Paper konzipiert. Großflächige E-Paper-Anzeigen können im öffentlichen Personennahverkehr eingesetzt werden, um Fahrpläne oder andere Informationen anzuzeigen. Vorteil hier ist die sehr gute Ablesbarkeit selbst bei direkter Sonneneinstrahlung.

Anbieter Holitech und seine E-Ink-Displays

Holitech ist offizieller Partner von E-Ink und damit in die Entwicklung und das Design der E-Paper-Technik eingebunden. Der chinesische Hersteller von Systemen für Human-Machine-Interfaces bietet eine breite Palette von E-Paper-Produkten (HINK-Displays) mit hoher Ablesbarkeit bei geringem Stromverbrauch an. Die Produktpalette an DOT-Matrix- und segmentierten Anzeigen reicht von 1,5 bis 42 Zoll großen Displays in den Farboptionen S/W, S/W/R, S/W/Y, W/BL, W/GR. Niedrigtemperatur-Displays sowie kapazitive oder resistive Touchdisplays. Auch kann zwischen Glas- oder PMMA-Abdeckungen gewählt werden.

Speziell für großformatige digitale Regaletiketten wurde ein 10,2-Zoll-Aktivmatrix-E-Paper entwickelt. Das Display verfügt über eine Auflösung von 960 x 640 Pixel. Es ist in den 1-Bit-Farbvarianten B/W, B/W/R, B/W/Y und in einer B/W Low-Temperature-Version speziell für Kühl- und Gefrierschränke erhältlich. Neben einem hohen Kontrast, ultraweitem Betrachtungswinkel und geringem Stromverbrauch zeichnen sich die Displays durch eine hartbeschichtete Blendschutzfläche zum Schutz vor mechanischer Beanspruchung aus. Sie lassen sich sowohl in Hoch- als auch in Querformat betreiben.

Elektronisches Preisschild im Handel

Über eine eingebaute I²C-Schnittstelle kann sowohl der interne als auch ein angeschlossener externer Temperatursensor ausgelesen werden. Zur Modulidentifikation in einem kompletten System dient ein 10-Byte-OTP-Speicher. Anwendungsbeispiele für digitale Regaletiketten sind im Einzelhandel bzw. in Supermärkten, in Apotheken, in Elektrofachmärkten bis hin zur Warenlagerbeschriftung und Raumbeschilderung.

Analoge Informationen und Preisanzeigen sind ein hoher Kostenfaktor, fehlerbehaftet und langsam. Mit dem Einsatz von digitalen Etiketten sind Umzeichnungsarbeiten schnell und sicher zentral zu bewerkstelligen, auch an verschiedenen Standorten gleichzeitig. Ein Vertreter eines großformatigen E-Ink-Display ist beispielsweise das HINK-E42A01 mit einer Diagonalen von 42 Zoll.

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