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Mehrfarbige E-Paper Displays

Ab 2023 flächendeckend verfügbar

01. September 2021, 11:10 Uhr   |  Thomas Katz

Ab 2023 flächendeckend verfügbar
© popovartem.com | Shutterstock.com

Die Entwicklung der E-Paper Displays (EPD) ist bei serienreifen Modellen mit Mehrfarbendarstellung angekommen.

Mehrfarbige EPDs werden für smarte Applikationen stark nachgefragt. Für eine stabile Liefersituation werden voraussichtlich erst 2023 genügend Fertigungskapazitäten vorhanden sein. Diese Alternativen gibt es.

Der Name deutet es schon an: Electronic Paper Displays (EPD) oder auch elektronisches Papier wurden ursprünglich entwickelt, um die Eigenschaften von Papier nachzuahmen. Das wurde im Wesentlichen auch geschafft. EPDs sind sehr gut unter Tageslicht ablesbar, bei 180° Ablesewinkel. Eine Leistungsaufnahme wird nur beim Wechsel des Bildinhaltes benötigt; sie sind dünn, leicht und flexibel. Die sehr guten bistabilen Eigenschaften lassen es zu, dass Inhalte sogar über Jahre auf dem Display sichtbar bleiben.

Zwei und drei und mehr Farben

Bei der Farbdarstellung sind EPDs gegenüber anderen Display-Techniken zwar unterlegen, aber für viele Anwendungen reichen auch wenige Farben aus. Meist werden sie mit zwei- oder dreifarbigen EPDs umgesetzt. Bis jetzt sind vor allem die Kombinationen schwarz-weiß (BW), schwarz-weiß-rot (BWR) und schwarz-weiß-gelb (BWY) verbreitet. Häufig werden sie für digitale Preisschilder verwendet. Zusätzlich sind weitere zweifarbige Kombinationen wie weiß-blau, weiß-grün oder weiß-braun verfügbar.

Steuergerät zur Raumtemperatursteuerung in Heimanwendungen mit optisch gebondetem 4,2-Zoll-EPD.
© DKE

Bild 1: Steuergerät zur Raumtemperatursteuerung in Heimanwendungen mit optisch gebondetem 4,2-Zoll-EPD.

Der nächste Entwicklungsschritt sind Mehrfarbendisplays, die bereits häufig auf Messen ausgestellt werden. Das zur Fertigung benötigte Mehrfarben-Polymer ist aber noch nicht in ausreichender Menge verfügbar, um damit eine Großserienproduktion zu unterhalten. Das bedeutet auch, dass eine stabile Versorgung an Mehrfarben-EPDs aktuell nicht sichergestellt ist. Das wird nach Einschätzung von DKE erst ab 2023 der Fall sein. In den Jahren 2021 und 2022 wird sich die Branche ganz darauf ausrichten, die Versorgung mit dem stark nachgefragten BWR-Polymer sicherzustellen und weitere Kapazitäten aufzubauen.

Optisches Bonden in Esslingen

EPDs lassen sich wie LCDs und TFTs beleuchten und/oder mit Touches oder Cover-Gläsern bonden. Im Beleuchtungsfall wird ein Frontlicht eingesetzt, da EPDs intransparent sind. Die Kombination eines EPD mit einem optisch gebondeten Frontlicht oder Touchpanel erzielt sehr gute optische Eigenschaften, analog zu optisch gebondeten TFTs. DKE ist zwar in China beheimatet, baut beim optischen Bonden aber auch auf Partner in Europa. Mit Channel Microelectronic besteht eine Technologiepartnerschaft, bei der das optische Bonden der EPDs im Stammhaus von Channel Microelectronic in Esslingen am Neckar durchgeführt wird. Das Esslinger Unternehmen ist in diesen Fällen Entwicklungs- und Fertigungsdienstleister für seine Kunden, der die Displays in der hauseigenen Produktionslinie weiterverarbeitet. Das Steuergerät für Raumklimaanlagen (Bild 1) mit einem 4,2-Zoll-Display (400 x 300 Pixel) stammt aus der Esslinger Produktion.

Smarte Anwendungen

Durch die technischen Eigenschaften empfehlen sich EPDs für viele Anwendungen auf dem Smart-Markt rund um Smart Home, Smart Building & Co. Von der smarten Anwendung werden oft die beiden Eigenschaften portabel und batteriebetrieben gefordert, was mit EPD-Technik gut umsetzbar ist. Reale und potenzielle Anwendungen sind z.B. digitale Preisschilder in Supermärkten, Temperaturanzeigen in Thermostaten, Displays zur dynamischen Fluchtwegsteuerung in öffentlichen Gebäuden, Steuergeräte für die Raumtemperatursteuerung, Displays zur Belegung von Besprechungsräumen, Info-Displays an Haltestellen und in den Fahrzeugen des ÖPNV, Betten- und Zimmerbelegung in Krankenhäusern, Notepads, Logistik-Label an Transportboxen, mit Guthaben aufladbare Geld- und Gutscheinkarten (Value-Cards) und E-Book Reader.

Kundenspezifisches Segment-EPD im Steuergerät
© DKE

Bild 2: Kundenspezifisches Segment-EPD in einem Steuergerät.

Was bei passiven LCDs bereits lange gang und gäbe ist, ist auch bei segmentierten EPDs sehr einfach und günstig möglich: kundenspezifische Displays in Größen von 0,5 bis 28 Zoll. Als Backplanes bietet sich je nach Applikation Kunststoff (PET), eine starre Leiterplatte (PCB), eine flexible Leiterplatte (FPC) oder Glas an. Die Ansteuerung erfolgt über den Mikrocontroller oder über den Display Controller, der als Chip on Glass (COG) oder als Chip on Flex (COF) ausgeführt werden kann. Bild 2 zeigt ein weiteres Steuergerät für eine Raumklimaanlage im Smart Home, das mit einem kundenspezifischen Segmentdisplay ausgestattet wurde.

EPD in Guthabenkarten (Value Cards).
© DKE

Bild 3. Für Anwendungen mit statischem oder quasi-statischem Bildinhalt wie Guthabenkarten (Value Cards) eignen sich EPDs durch ihre geringe Leistungsaufnahme, die nur beim Bildwechsel benötigt wird.

Bild 3 zeigt Beispiele von Value Cards. Die Displays sind kundenspezifische Segment-EPDs; sie sind flexibel und basieren auf einer FPC-Backplane. Eine kundenspezifische Anfertigung von Matrixdisplays ist nur über klassische TFT-Substrate möglich, die mit hohen Werkzeugkosten (Tooling) verbunden sind und entsprechend hohe Mindestbestellmengen (MOQ) in der Serie erfordern. In allen Fällen der kundenspezifischen Herstellung bekommt der Anwender aber eine sehr lange Versorgungssicherheit.  

Entwicklungsbedarf bei Schaltgeschwindigkeit und Betriebstemperaturbereich

Als Nachteil der EPD-Technik gilt der vergleichsweise langsame Bildwechsel. Er erfolgt durch Umpolung der angelegten Spannung, was bei dem Polymer einen teilweisen Wechsel der Farbkapseln von oben nach unten und umgekehrt bewirkt. Die nötige Zeit für einen Bildwechsel beträgt ca. 500 ms. Schnelle Updates oder gar Videos sind nur sehr bedingt darstellbar. Abhilfe schaffen partielle Bildwechsel, bei denen nur ein Teil des Display mit neuem Bildinhalt beschrieben wird. Durch diese Maßnahme verringert sich der Kontrastwert, sodass ein leichter Grauton sichtbar wird. Das kann durch einen vollen Bildwechsel korrigiert werden. Nach Erfahrung von DKE reicht dafür ein voller Bildwechsel nach etwa 10 bis 20 partiellen Bildwechseln.

Ein zweiter Bereich mit Entwicklungsbedarf ist der Betriebstemperaturbereich. Aktuell sind E-Paper Displays in einem eingeschränkten Temperaturbereich von üblicherweise 0 bis 50 °C erhältlich, was der Polymer-Technologie geschuldet ist. Für Niedertemperaturanwendungen sind außerdem Displays verfügbar, die bereits ab –25 °C arbeiten, dafür aber bei +30 °C die obere Temperaturgrenze erreicht haben. Dabei sollte man beachten, dass der Betriebstemperaturbereich nur für den tatsächlichen Bildwechsel gilt. Bei statischem Bild kann der volle Lagertemperaturbereich ausgeschöpft werden. Mit einem temporären Erwärmen bzw. Kühlen kann dabei ein sehr weiter Temperaturbereich erzielt werden, der schon nahe an die Standardanforderungen von Displays reicht. Nach aktuellem Stand der Technik ist der Betriebstemperaturbereich gegenüber alternativen Displaytechniken noch eingeschränkt, die Lücke wird aber durch die betriebene F&E-Arbeit nach und nach geschlossen. Wenn das geschieht, ergeben sich zusätzliche Anwendungen in den Bereichen der Automobilindustrie, weiße Ware, Industrial etc. Insbesondere bei Outdoor-Applikationen ist das große Plus der EPDs die sehr gute Ablese-Eigenschaft bei hellem Tageslicht und grellem Sonnenschein. Damit werden beispielsweise Wechsel-Verkehrszeichen als auch Konsumgüter für den Außenbereich wie Fahrradcomputer oder Wander-GPS-Geräte potenzielle Applikationen.

Der Autor

Thomas Katz ist Sales Director Europe bei DKE.

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