ADKOM: E-Paper für Industrie? Kein Stromverbrauch bei statischen Informationen

Jochen Frey, Adkom

»Für Mittelstandsanwendungen in typischerweise wesentlich kleineren Stückzahlen ist die Frage der Beschaffung und Verfügbarkeit ein wichtiger Aspekt.«
Jochen Frey, Adkom »Für Mittelstandsanwendungen in typischerweise wesentlich kleineren Stückzahlen ist die Frage der Beschaffung und Verfügbarkeit ein wichtiger Aspekt.«

Die energieeffizienten elektrophoretischen Displays (E-Paper) werden neben E-Book-Readern auch schon als Preisschilder in Warenhäusern eingesetzt, denn sie verbrauchen bei statischen Informationen keinen Strom. Die Stärken und Schwächen dieser Technologie werden im folgenden Beitrag beleuchtet.

Die derzeitige E-Paper-Technologie wurde bereits 1975 in den USA am Xerox Palo Alto Research Center durch Nick Sheridon entwickelt. Die Erfindung nannte sich seinerzeit Gyricon und hatte alle Merkmale des heutigen E-Papers. Mit dem aus dem MIT gegründeten Spin-off E INK betrat Ende der 1990er Jahre ein bis heute sehr aktives Unternehmen den Markt. Unterschiede in der Funktion beider entwickelten Elektrophorese-Typen lassen sich in der Art und Weise des zur Darstellung benötigten Fluids erkennen. Das bei Gyricon verwendete Fluid bestand aus in sich festen Kügelchen, die an ihrer Oberseite schwarz und weiß beschichtet wurden. Durch Anlegen einer Spannung wurden diese Kügelchen dazu gebracht, sich in die gewünschte Richtung zu drehen. Im Unterschied dazu besteht bei E INK das Fluid aus Kügelchen, die negativ geladene schwarze Partikel und positiv geladene weiße Flakes beinhalten, also in der Kugel eingeschlossen sind. Das Medium (Kügelchen) ist in einem Fluidum bzw. leichtem Öl eingebettet, und durch Anlegen von Spannung können die Flakes zur Darstellung des gewünschten Inhalts entweder an die Vorder- oder Rückseite des Layers/des Fluids gezogen werden.

Der Aufbau eines E-Papers ist übersichtlich. Layer 1 ist eine transparente, wasserdichte Schutzfolie, der in Layer 2 der eigentliche »E INK«-Film folgt. Der dritte Layer beinhaltet das Basissubstrat, das aus PCB, FPC, PET oder Glas bestehen kann. Den Abschluss bildet wiederum eine wasserdichte Schutzfolie. E-Paper, auch Elektrophoretische Displays oder auch kurz EPDs genannt, sind hochauflösend und können durch Teiladressierung der Partikel mehrere Graustufen darstellen. Erhältlich sind EPDs als Segment- oder Grafik-E-Paper und als flexibles E-Paper. Zudem sind auch bereits Anzeigen im Segment-Sektor mit Farben wie Rot oder Gelb lieferbar. Durch seinen flexiblen Aufbau erlaubt ein auf FPC basierendes EPD eine designerische Freiheit, die ihresgleichen sucht.

Prädestiniert
für Batterieanwendungen

Bei den Vorteilen der E-Paper-Display-Technologie steht an erster Stelle deren Möglichkeit, statische Informationen lange und ohne weiteren Stromverbrauch im Display zu präsentieren. Dieses Merkmal der Bistabilität und des damit verbundenen geringen Stromverbrauchs prädestiniert die E-Paper Technologie auch für Batterieanwendungen. Durch die statische Anzeige sind die EPDs anderen Arten an Displays überlegen, denn bei statischen Inhaltsanzeigen besteht etwa bei TFTs, OLEDs und LCDs auf lange Betriebssicht hin die Gefahr des nicht zu vernachlässigenden »Einbrennens« (Residual Image). Um dieses Risiko zu minimieren, müssen Gegenmaßnahmen wie das Abschalten der Anzeige oder das Verwenden eines Bildschirmschoners getroffen werden. Weitere klare Vorteile des E-Papers sind ihr hoher Kontrast und eine rundum von allen Seiten hervorragende Ablesbarkeit. Als reflektive Displays sind sie deshalb auch bei Sonnenlicht gut ablesbar. Durch den reflektiven Aufbau entfällt überdies der Einsatz einer Hinterleuchtung komplett. Ein für Entwickler und Produktdesigner absolut bemerkenswerter Fakt ist die extrem geringe Bauhöhe der Displays, die durchschnittlich bei gerade einmal 1 bis 1,2 mm liegt. Wenn eine Lichtquelle dennoch erforderlich sein sollte, könnten LEDs beispielsweise im Abdeckrahmen untergebracht werden und so seitlich und an der Oberfläche des E-Papers einstrahlen.
Neben den unbestreitbaren Vorteilen haben E-Paper-Anzeigen momentan aber auch Schwachstellen. Im Vergleich mit einem LCD plus Backlight sind die Kosten hoch, was auch für ein mögliches kundenspezifisches EPD gilt. Ebenfalls ein Thema ist die  generelle Verfügbarkeit des E-Papers: Der im Entstehen befindliche Markt wird derzeit sehr stark von den E-Book Readern und ESL-Projekten (Shelf Labeling) für Handelsunternehmen mit ihren sehr hohen Stückzahlen geprägt, zudem ist die Anzahl der Anbieter derzeit noch überschaubar. Für Mittelstandsanwendungen in typischerweise wesentlich kleineren Stückzahlen ist die Frage der Beschaffung und Verfügbarkeit ein wichtiger Aspekt. Bei den Glas-basierenden EPDs haben sich Größen im Bereich von 1,7, 2,13 und 2,90 Zoll (ESL-Größe) sowie in 6,0 Zoll (E-Book-Größe) als derzeitige Standards etabliert. Was die Lebensdauer der EPDs – angegeben in Schaltzyklen und/oder in Jahren – anbelangt, liegt bei heutigem Stand der Produktionstechnik die garantierte Zahl an Schaltzyklen bei ca. einer Million.
Zum Schalten der Segmente benötigen die EPDs erhöhte Spannungen zwischen ca. 10 und 40 V. Obwohl man diese Spannungen selbst generieren und an den einzelnen Segmenten anlegen kann, ist es doch wesentlich komfortabler, sich hierfür eines entsprechend geeigneten Treibers zu bedienen. Solche Treiber generieren durch minimale externe Beschaltung die benötigten Spannungen und können eine große Anzahl von Segmenten ansteuern. Die Kommunikation erfolgt hierbei mit standardisierten, seriellen Bussen wie I2C, SPI oder parallel. Grafische EPDs haben in der Regel einen integrierten COG-Treiber, was schon allein der großen Anzahl der anzusteuernden Segmente/Pixel geschuldet ist. Auch reguläre/kundenspezifizierte Segment-EPDs werden auf Kundenwusch mit einem geeigneten Treiber versehen. Je nach verwendeter EPD-Art sind COG- (Chip on Glass), COF- (Chip on Flex) oder COB-Treiber (Chip on Board) einsetzbar. Mit höherer Auflösung [größer 200 x 300 Bildpunkte] ausgestattete grafische EPDs verwenden separate Gate- und Source-Treiber, die sich jeweils miteinander kaskadieren lassen, um die benötigte Auflösung bedienen zu können. Oft wird in solchen Fällen noch ein Steuer-Controller vorgeschaltet, um den Mikrocontroller zu entlasten und die Kommunikation mit den Gate- und Source-Treibern zu vereinfachen.
Wer ein E-Paper in seiner Anwendung nutzen will, sollte sich in der Planung bereits Gedanken machen, ob das jeweilige Produkt für den Einsatz eines EPD passend ist. Die in heutiger Zeit in Stückzahlen führende Anwendung ist sicherlich der E-Book-Reader. Dann aber schon gefolgt von Lösungen zur zentralen digitalen Preisauszeichnungen. Bei ESL-Projekten werden von Access Points über Funk oder Infrarot die einzelnen EPDs angesteuert, wobei dann ein einzelner Access Point mit mehreren Tausend E-Paper-Etiketten kommuniziert.
Neue Märkte sind bei Systemen zur Raumbelegung oder im ÖPNV als universale digitale Anzeige der Fahrpläne sowie in der Uhrenindustrie und in der Fitnessbranche im Entstehen. All die vorgenannten Beispiele präsentieren über lange Zeit unverändert dargestellte Seiteninhalte und Informationen. Hingegen ist ein E-Paper technisch nicht dafür ausgelegt, ständige Anzeigeänderungen vorzunehmen. Dies hat zum einen Einfluss auf die Lebensdauer der Anzeige, zum andern wird dabei der Stromspareffekt des E-Papers ins Gegenteil verkehrt – ein deutlich höherer Stromverbrauch ist dann das Ergebnis. Für einen Refresh sind überdies die Reaktionszeiten eines EPD höher als bei anderen Display-Typen.
Nach der Häufigkeit der Datendistribution an das EPD stehen Fragen wie: In welchem Umfeld soll das Produkt eingesetzt werden? Welche Randbedingungen müssen erfüllt sein? Welche Besonderheiten müssen erfüllt werden? Wird das Produkt später im Außen- oder im Innenbereich verwendet? Wird es bei Raumtemperatur oder bei extrem tiefen- oder hohen Temperaturen verwendet? Die spezifizierten Werte für die durchschnittliche Betriebstemperatur liegen für E-Paper bei 0 bis +50 °C, also unterhalb der Temperaturbereiche für Industrieanwendungen. Für eine dauerhafte Über- oder Unterschreitung des EPD-spezifischen Betriebstemperaturbereichs müssten geeignete zusätzliche Schutzmaßnahmen getroffen werden. EPDs verlieren im Betrieb bei Minusgraden schnell an Kontrast und Lesbarkeit, was bis zum Ausfall der Anzeige führt. Sind die Temperaturen wieder innerhalb der spezifizierten Betriebstemperatur, kommt der Normalzustand der Anzeige automatisch zurück. Bei Werten oberhalb der Maximaltemperatur dagegen könnte dies zu irreparablen Schäden führen. Für den Betrieb im Außenbereich sollte das E-Paper-Display außerdem gegen UV-Strahlen mit einer geeigneten Schutzscheibe versehen werden.
Fazit von ADKOM: Die E-Paper-Technologie ist faszinierend und eröffnet eine unüberschaubare Anzahl an Einsatzmöglichkeiten, sie ist aber derzeit nicht für alle Anwendungen ohne weiteres einsetzbar.