Energieeffiziente LCDs Laufen neue LCD-Techniken dem E-Paper den Rang ab?

Prof. Karlheinz Blankenbach, Hochschule Pforzheim, ist der Vorsitzende des Konferenzbeirats der electronic displays Conference

Neue LCD-Technologien machen als besonders energieeffiziente Displays von sich reden und sind dabei – zumindest wenn es um farbige Anzeigen geht – den E-Papers den Rang abzulaufen.

»Das klassische E-Paper – gemeint sind damit die elektrophoretischen Anzeigen – bietet zwar eine sehr gute Leistung wenn es um monochrome Darstellung geht, Farbdisplays auf E-Paper-Basis hingegen wirken eher dunkel und blass«, erklärt Prof. Karlheinz Blankenbach, Leiter des Displaylabors an der Hochschule Pforzheim und Leiter der Electronic Displays Conference.

Hinzu komme, so Blankenbach, dass die Anwender farbige Darstellungen bevorzugen, wie ein Beispiel aus der Anwenderseite bestätigt: So werden laut einschlägiger Verkaufsstatistiken inzwischen fast mehr E-Books für das Apple iPad heruntergeladen, das als Display ein Farb-LCD verwendet, als für den monochromen Amazon Kindle mit E-INK-Anzeige. Als sehr aussichtsreich besonders für den Einsatz in E-Reader-Applikationen beurteilt Blankenbach beispielsweise die Mirasol-Displays auf MEMS-Basis von Qualcomm, aber auch das Memory Display von Sharp und die LCD-Variante von Pixel Qi.

Allerdings müsse man bei allen Maßnahmen zur Energieeinsparung darauf achten, dass die Anforderungen der Applikation – z. B. hinsichtlich der Ablesbarkeit – erhalten bleiben. »Schließlich macht es wenig Sinn, eine Farb-Visualisierung auf einem AMLCD ohne weitreichende Anpassungen auf einem monochromen E-Paper-Display darstellen zu wollen«, gibt Blankenbach zu bedenken.  

Pixel Qi: Drei Funktionen in einem Display

Die LCD-Variante von Pixel Qi kombiniert ein transmissives Farb-AMLCD mit einem reflexiven monochrom-LCD in einem Display. »Ein mit einem solchen Display ausgestattetes Gerät ist im hellsten Sonnenlicht bei ausgeschaltetem Backlight noch sehr gut ablesbar«, schildert Blankenbach. Bereits im letzten Jahr hat das Start-Up Pixel Qi seinen farbigen Display-Hybriden vorgestellt: Der Benutzer kann wählen zwischen einem Farbdisplay mit LCD-Technik und einem E-Paper ähnlichen Display mit sehr geringem Energiebedarf.  

Was der Marktreife des Displays bislang Probleme bereitete, waren die hohen Produktionskosten von etwa 200 Dollar pro Stück, weit zu viel für Consumer-Anwendungen. Wie Firmenchefin Mary Lou Jepsen jüngst in ihrem Blog verkündete, habe man dieses Problem aber mittlerweile gelöst und liefere die 10-Zoll-Displays bereits an Gerätehersteller aus. Namen nannte Jepsen allerdings nicht. Das Pixel Qi könnte vor allem dann punkten, wenn das Endgerät ebenfalls über zwei Betriebsmodi verfügt: so beispielsweise ein Netbook und ein E-Book-Reader in einem Gerät.  

Mirasol: LCDs auf MEMS-Basis  

»Einfach zusammengefasst funktionieren die Mirasol-Displays folgendermaßen: Licht wird reflektiert, bestimmte Wellenlängen werden verstärkt, andere ausgelöscht. Nach diesem Prinzip lässt sich ein komplettes Spektrum an klaren und lebendigen Farben erzeugen«, erklärt Thomas Nindl, Director Business Development bei Qualcomm das Prinzip der MEMS-basierten Displays. Im Grunde sind die Mirasol-Displays optische Resonanzsysteme. Das Gerät besteht aus einer freistehenden verformbaren reflexiven Membran und einer Dünnfilm-Lage. Beide Lagen fungieren als Spiegel des optischen Resonanzsystems und liegen an einem transparenten Substrat an. Einfallendes Umgebungslicht wird sowohl von der Dünnfilm-Lage als auch von der reflexiven Membran reflektiert. Durch Verändern des Abstands zwischen den beiden Lagen lassen sich so für einen bestimmten Wellenlängenbereich konstruktive oder destruktive Resonanzen erzeugen.

»Die Inspiration für diese Entwicklung haben wir durch ein Phänomen aus der Natur erhalten: Dieses LCD funktioniert wie das Leuchten von Schmetterlingsflügeln«, erläutert Nindl. Das Display ist aufgrund dieser Konstruktion bistabil und verbraucht nur beim Bildwechsel Strom. Bei unverändertem Bildinhalt geht der Stromverbrauch dagegen fast gegen Null. Die Akkulaufzeit liegt dadurch weit über der anderer Display-Technologien und das bei besonders schneller Reaktionszeit.

Stromsparwunder Memory LCD

Die MemoryLCDs von Sharp sind kleine LCD-Systeme, die auf der von Sharp entwickelten Continuous Grain Silicon (CGS) Technologie basieren. Sie ermöglicht es, jeden Pixel mit einem 1-bit Speicher auszustatten. Dieser speichert die Bildinformationen, die auf den Bildschirm geladen werden. Daher muss die Bildinformation nur in den Pixeln neu geschrieben werden, bei denen der Inhalt sich im Vergleich zum vorherigen Bildframe geändert hat.

Als reflektive Displays benötigen Memory LCDs keine Hintergrundbeleuchtung. Zusammen hat dies den Effekt, dass Memory LCDs nur 0,8 Prozent des Stroms verbrauchen, wie ein herkömmliches Display gleicher Größe. Denn bei herkömmlichen transmissiven LC Displays müssen Mikrokontroller den kompletten Bildschirminhalt von Frame zu Frame mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 60 Hz neu schreiben, obwohl der Großteil des Bildinhalts derselbe bleibt. Zudem beansprucht das Backlight einen guten Teil der Leistungsaufnahme. Dadurch haben Standard-LCDs einen Stromverbrauch, der etwa 130 Mal höher ist als der bei den neu entwickelten Memory LCDs. Ein Memory LCD der Größe von 1,35 Zoll verbraucht im Betrieb 15 µW, während ein Standard-LCD von vergleichbarer Größe etwa 2 mW benötigt, um ein Bild anzuzeigen. Selbst die 6,02-Zoll-Variante braucht lediglich bis zu 3,5 mW bei einer Bildfrequenz von 1 Hz.

Darüber hinaus bieten die Memory LCDs eine besondere Bilddarstellung. Anders als andere reflektierende Bildschirme benötigt diese neue Art von LCD keine Polarisatoren. Dank eines speziellen vernetzen Polymerflüssigkristallmaterials wird das Bild dadurch generiert, dass der Status des Pixels mit einer Reflektivität von 50 Prozent von transparent zu weiß wechselt. Durch den minimalen Stromverbrauch können kleine Solarzellen ausreichend Strom liefern, um die Memory LCDs zu betreiben. Auch Sharp will mit seinen Memory LCDs den E-Book-Reader-Markt erobern und plant dazu neben den bereits erhältlichen reflektiven Memory LCDs die Einführung von transflektiven – hinterleuchteten – Versionen, so dass sich beispielsweise E-Book-Reader auch im Dunkeln nutzen lassen.