Electrowetting Tröpfchen als Display

Energieeffizienz wird auch bei elektronischen Displays immer wichtiger – ein viel versprechender Lösungsansatz ist der »Electrowetting«-Effekt. Weil hier gefärbte Flüssigkeitstropfen die Bilddarstellung übernehmen, vereinen solche Anzeigen eine quasi leistungslose Ansteuerung mit hervorragender Ablesbarkeit bei Umgebungslicht.

Seit kurzem fällt im Zusammenhang mit elektronischen Displays immer öfter der Begriff »Electrowetting«.

Doch was ist Electrowetting eigentlich? Ähnlich wie bei den Flüssigkristallen wurden die physikalisch-chemischen Grundlagen bereits Ende des neunzehnten Jahrhunderts entdeckt. Damals erforschte der Physiker Gabriel Lippmann die Elektrokapillarität: Das Anlegen einer elektrischen Spannung beziehungsweise eines elektrischen Feldes beeinflusst die Oberflächenspannung von Wassertropfen derart, dass eine Verformung stattfindet und sich somit die Oberflächeneigenschaften verändern. Dieser Effekt wird beim Electrowetting genutzt.

Bild 1 zeigt das Grundprinzip: Ein Wassertropfen befindet sich auf einer hydrophoben (wasserabstoßenden) Schicht, die das Ausbreiten auf der gesamten Oberfläche verhindert (Bild 1a). Das elektrische Feld wird durch eine Elektrode im Tropfen und eine Flächenelektrode hergestellt, beide sind durch eine Isolationsschicht (Dielektrikum) elektrisch voneinander getrennt. Der Gesamtaufbau ist auf einem Substrat aufgebracht, das zum Beispiel aus Glas oder Kunststofffolie bestehen kann.

Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, so entsteht ein elektrisches Feld. Dieses führt dazu, dass der Tropfen seine Form ändert und zerfließt (Bild 1b). Wird die Spannung entfernt, zieht sich der Tropfen zusammen und kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Der Kontaktwinkel Θ zwischen der hydrophoben Schicht und dem Wassertropfen sinkt mit zunehmender Spannung. Für Tropfen der Größe 1 mm beträgt diese Spannung etwa 10 V bis 20 V in Anhängigkeit von den Schichteigenschaften. Die Verformung erfolgt praktisch leistungslos, da kein direkter Stromfluss durch die beiden Elektroden zustande kommt.

Die Electrowetting-Technik wird bereits heute im industriellen Maßstab genutzt – als Flüssigkeitslinsen in modernen Handys für die optische Zoom-beziehungsweise Autofokus-Funktion und in der Analytik als »Lab-on-a-Chip«. Relativ neu ist die Nutzung von Electrowetting für Displays. Prinzipiell sind zwei Arten zu unterscheiden, die sich jedoch in ihren typischen Anwendungen praktisch nicht überschneiden:

  • Ein-Kammer-System: eingeführt von Liquavista, unter anderem eingesetzt bei PVI und Gamma Dynamics. Dieser Ansatz besitzt Vorteile bei kleinen Pixeln und ist videofähig, jedoch nicht bistabil.
  • Zwei-Kammer-System (hier beschrieben): entwickelt von der Firma adt. Diese Displays sind bistabil und eher für Pixel größer als 1 mm geeignet.

Ein bistabiles Electrowetting-Display nach dem Zwei-Kammer-System besteht aus zwei gegenüberliegenden Elektroden (Dataund Control-Electrode in Bild 2), die jeweils mit einem dünnen Dielektrikum (D, grün) und einer hydrophoben Schicht (H, braun) bedeckt sind. Prinzipiell funktioniert ein solches System mit Öl und Wasser. Der Kontaktwinkel zwischen dem Wasser und der hydrophoben Schicht wird durch das Anlegen einer Spannung verändert.

Sobald ein elektrisches Feld an einer Seite des Tropfens anliegt (zwischen Data-Electrode und E2 in Bild 2), zerfließt er in diese Richtung. Die vollständige Positionsverschiebung des Tropfens geschieht nach dem Abschalten der Spannung. Hierin hat auch die Bezeichnung »Droplet Driven Display« (D³) des Herstellers ihren Ursprung.

Bild 2 oben zeigt dieses Prinzip an einem einzelnen Pixel, das aus zwei Kammern (R, V) besteht, im mittleren Bild ist der zerfließende Tropfen zu sehen. Durch Verdecken einer der beiden Kammern wird der Tropfen sichtbar (»V« für Visible) oder unsichtbar (»R« für Reservoir). Einfallendes Licht wird im sichtbaren Zustand (V) von dem Wassertropfen in der jeweiligen Farbe reflektiert, im ausgeschalteten Zustand (R) wird das Licht durch eine reflektierende Schicht auf dem Substrat ohne Einfärbung direkt zum Betrachter zurückgeworfen.

Als größter Vorteil dieses Electrowetting-Prinzips ist die Bistabilität zu nennen, die Bildinformation bleibt also auch ohne das Vorhandensein einer Spannung erhalten – Energie ist nur bei einer Änderung des Bildinhaltes nötig. Die mechanische Barriere zwischen den beiden Kammern führt zu einer mechanisch bistabilen Tropfenposition, die ohne jeglichen Refresh wie bei anderen E-Paper-Technologien auskommt. Aufgrund der steilen elektrooptischen Kennlinie ist für Matrixanzeigen eine Passiv-Matrix-Ansteuerung ausreichend, teure Aktiv-Matrix-Backplanes sind nicht nötig. Dies verspricht eine kostengünstige Fertigung sowie die Möglichkeit, flexible Substrate wie Kunststoff zu nutzen.

Die Pixelgröße bei »Droplet Driven Displays« (D³) kann zwischen 0,5 mm und 10 mm variieren. Momentan liegt die Zeit für das vollständige Verschieben eines Tropfens im Bereich von bis zu einer Sekunde, daher eignet sich diese Displaytechnik sowohl für kleine Statusanzeigen (on/off) als auch für großflächige Informationsanzeigen (Billboards), zum Beispiel für einen Bahnhof. Grundsätzlich können diese Displays auf zweierlei Arten aufgebaut werden:

  • Laterale Struktur (wie Bild 2): Diese Technik ist besonders für Statusanzeigen (LED-Ersatz, Bild 3) und Siebensegment-Anzeigen geeignet, da das Reservoir durch eine Maske abgedeckt ist.
  • 3-D-Struktur (hier nicht gezeigt): Ideal für Matrixanzeigen mit hoher Apertur. Es lassen sich sowohl monochrome (Farben leicht anpassbar) als auch Farbdisplays mit subtraktiver Farbmischung (CMY) aufbauen. Durch den erzielbaren Temperaturbereich von -40 °C bis über +120 °C sind Anwendungen in der Automobilbranche denkbar

Es lassen sich sowohl monochrome (Farben leicht anpassbar) als auch Farbdisplays mit subtraktiver Farbmischung (CMY) aufbauen. Durch den erzielbaren Temperaturbereich von -40 °C bis über +120°C sind Anwendungen in der Automobilbranche denkbar.