Elektronisches Papier und elektronische Tinte kommen Displays zum Aufrollen

Die Zahl der verschiedenen Display-Technologien wächst weiter. Jetzt kommt wieder eine ganz neue Klasse auf: im Aussehen fast wie bedrucktes Papier, im Umgebungslicht bestens ablesbar. Und die Funktion ist bistabil, d.h., die Information bleibt nach Abschalten der Ansteuerspannung erhalten, bis sie überschrieben wird. Das spart viel Energie. Dank Herstellbarkeit aus Kunststoff sind diese Displays äußerst flexibel und leicht. Ihre Markteinführung beginnt in Kürze.

Die Forderungen an die Kommunikationsgeräte der Zukunft widersprechen sich: Einerseits hätte man sie gern möglichst klein, damit sie wie die heutigen Handys in jede Westentasche passen. Andererseits wünscht man sich aber ein möglichst großes Display wie bei einem Laptop. Was vor kurzem noch unvereinbar schien, wird jetzt doch Realität. Der Trick: Das Display wird aufgerollt wie ein Rollo. Herausgezogen ist es größer als das Gerät selbst, und bei Nichtgebrauch benötigt es nur ein Mimimum an Platz.

Nachdem Prototypen von solchem „elektronischen Papier“ schon vor Jahren immer wieder vorgestellt wurden, kommt jetzt die Serienproduktion konkret in Sicht. Der Name ist durchaus treffend, vom Aussehen her wirkt ein solches Display wie ein Blatt Papier, nur etwas dicker. Die Information erscheint schwarz auf weiß und ist im normalen Umgebungslicht ohne Zusatzbeleuchtung weit besser ablesbar als auf reflektiven LCDs. Auch emissiven Displays (LCDs mit Hinterleuchtung und OLEDs) sind sie überlegen; diese tun sich im direkten Sonnenlicht schwer. Der Kontrast ist höher als bei Zeitungspapier, und im Gegensatz zu den LCDs bleibt er unter allen Blickwinkeln gleich. Der entscheidende Unterschied zum Papier: Die dargestellte Information wird elektronisch eingespeist und ist nach Belieben veränderbar. Als Zukunftsvision erscheinen damit elektronische Zeitungen und Bücher möglich, die nur mit dem Stoff gefüttert werden, den der Leser wünscht – über Kabel oder Funk, z.B. aus einem Rechner oder aus dem Internet, nach dem Lesen löschbar und mit neuen Informationen überschreibbar.

Es handelt sich hierbei um so genannte „elektrophoretische Displays“. Näher betrachtet, ist es nicht eine einzige Technologie, sondern mehrere verschiedene im Wettbewerb miteinander. Welche sich auf lange Sicht durchsetzen wird, ist noch ganz offen, das hängt von den Produktionsverfahren und der Kostenentwicklung ab.

Das Grundprinzip: Millionen von winzigen Kügelchen (Durchmesser 50 bis 100 µm) schwimmen in Öl in einer dünnen, transparenten Silikonfolie. Sie sind auf der einen Seite schwarz und auf der anderen weiß eingefärbt und elektrisch polarisiert. Ohne Ansteuerung ist ihre Stellung statistisch verteilt, die Oberfläche sieht grau aus (Bild 1). Werden sie einem elektrischen Feld ausgesetzt, dann richten sie sich entsprechend aus, und die Oberfläche wird – je nach Polung des Feldes – entweder schwarz oder weiß. Die Einstellung ist bistabil, d.h., sie bleibt nach Entfernen des Feldes erhalten und ändert sich erst durch ein entgegengesetzt gepoltes Feld. Weil Energie nur zum Ändern der dargestellten Information benötigt wird und nicht zum permanenten Anzeigen, kommt das „SmartPaper“ im Vergleich zu hinterleuchteten LCDs oder OLEDs mit sehr viel weniger Energie aus – größenordnungsmäßig 1/10 bis 1/100, je nach Häufigkeit der Neubeschreibung. Das ist sehr vorteilhaft in batteriebetriebenen Geräten. Gleichzeitig sind solche Displays auch noch weitaus dünner und leichter als die jetzigen LCDs.

Die kleinen Kügelchen erhielten den Namen „Gyricon“. Xerox gliederte den Bereich im Jahr 2000 als eigene Firma aus mit dem Namen „Gyricon Media Inc.“ in Ann Arbor, Michigan (www.gyriconmedia.com). Erfinder Sheridon ist nach wie vor Entwicklungsleiter, inzwischen mit über 25 Jahren Erfahrung. Für die Massenherstellung des Grundmaterials wurde eine Kooperation mit 3M vereinbart.

Die angenehme Ablesbarkeit wie bei Papier dürfte bei vielen Gerätekäufern gut ankommen. Entsprechend vielfältige Anwendungen können sich ergeben. In der Anfangsphase werden die monochromen starren Versionen dominieren. Bereits in der Einführungsphase befinden sich elektronisch gesteuerte Preisschilder für den Einzelhandel. Zum Einspeisen einer Information braucht man sie nur einmal kurz zu kontaktieren oder „anzufunken“, anschließend kann man sie stromlos allein lassen, die Information bleibt beliebig lange stehen. Hier sind keine sehr hohen Auflösungen erforderlich. Solchen Preisschildern sehen die wenigsten Kunden an, dass sie überhaupt veränderbar sind. Eine Funkanbindung an das Kassensystem ermöglicht eine schnelle Aktualisierung und kurzfristig besondere Preise (z.B. „happy hour“). Gyricon bietet solche Systeme bereits unter dem Namen „SmartSign“ oder „Maestro“ an (Bild 11). Die Schilder haben eine Stromversorgung aus herkömmlichen Batterien, die fast nur der Kommunikation und kaum der eigentlichen Anzeige dient.

Auch E-Ink hat erste Prototypen als Werbeschilder verkauft, will sich aber – zusammen mit Philips – mehr auf Handheld-Geräte (PDAs, e-books usw., etwa wie Bilder 4 und 5) konzentrieren und dort eine Alternative zu den LCDs bieten. Die ersten Geräte sollen Anfang 2004 auf den Markt kommen.

Anders als bei LCDs bereiten größere Formate in der Herstellung keine überproportional großen Probleme. Vielversprechend sind daher auch Anzeigetafeln, z.B. auf Bahnhöfen und Flughäfen für Ankunft- und Abfahrt- bzw. Abflugzeiten als Nachfolger für die trägen mechanischen Klappertafeln. Durch ihr sehr viel geringeres Gewicht ersparen sie auch Kosten beim Gehäuse und bei der Montage (Bild 12). Auf diesem Gebiet hat E-Ink in der deutschen Firma Vossloh Information Technologies in Karlsfeld bei München (www.vst-vossloh.com) einen Kooperationspartner gefunden. Konkrete Produkte sollen Ende dieses Jahres vorgestellt werden.

Schon jetzt deutet sich an, dass derartige Displays relativ kostengünstig werden können. Für die Produktion ist die bestehende Infrastruktur für die AM-LCDs bereits weitgehend geeignet – es sind keine grundsätzlich neuen Anlagen erforderlich, nur einige kleinere Änderungen. Im Vergleich zu LCDs fallen weniger und einfachere Prozessschritte an, man rechnet mit hoher Ausbeute. Eigene Milliarden Dollar teure Großfertigungsanlagen wie für die AM-LCDs werden dafür nicht nötig sein.

Die erste Generation der E-Ink-Displays wird noch auf einer Glasplatte aufgebaut sein („Hybrid“-Typ); diese trägt die TFTs, darüber kommt die E-Ink-Schicht zu liegen, abgedeckt von einer ITO-beschichteten Kunststofffolie. Das Ganze ist nur halb so dick und halb so schwer wie ein LCD. Die zweite, glasfreie Generation soll dann auf einer Kunststoff- oder Metallfolie basieren, weniger als 0,5 mm dick, noch leichter, flexibel und unzerbrechlich (Bild 7). Bereits im Juni 2002 wurden von E-Ink zwei derartige Prototypen vorgestellt, beide 0,3 mm dick auf einem Metallfolien-Substrat: eines mit 1,6 Zoll Diagonale und einer Auflösung von 100 x 80 Pixel für Handys und eines mit 3 Zoll Diagonale (Bildfläche 6,3 x 4,2 cm2) und einer Auflösung von 240 x 160 Pixel für PDAs und Smartphones.

Ebenfalls auf einem elektrophoretischen Prinzip beruhen die EPD-Displays von Canon, Japan (EPD: electrophoretic displays). Auch sie haben einen hohen Reflexionsgrad und sind ohne zusätzliche Lichtquelle gut ablesbar. Hier befinden sich geladene Toner-Partikel in einer Flüssigkeit zwischen zwei Kunststofffolien. Zwei Arten von Elektroden mit verschiedener Formgebung sitzen auf demselben Substrat abwechselnd nebeneinander. Wenn eine Spannung angelegt wird, werden die schwarzen, geladenen Tonerpartikel je nach Polarität von der einen oder der anderen Elektrode elektrostatisch angezogen. Wenn sie zu den schmalen Elektroden hinwandern, erscheint die Oberfläche hell; bei umgekehrt gepolter Spannung füllen sie dagegen die Zwischenräume zwischen den Elektroden aus, die Fläche wird annähernd ganz mit dem Toner bedeckt und färbt sich dunkel (Bild 8). Auch dieses Prinzip arbeitet nichtflüchtig.

Eine Farbdarstellung ist durch Aufteilung jedes Bildpunktes in rote, grüne und blaue Subpixel möglich, oder auch durch vertikale Überlagerung von CMY-Schichten (Cyan, Magenta, Gelb). Eine große Herausforderung ist noch die Verbesserung der Stabilität des Toners. Hinsichtlich Helligkeit und Schärfe ist die Darstellung reflektiven LCDs überlegen. Die bisher erreichte Auflösung übersteigt 200 Pixel pro Zoll. Die Displays sind dünn, leicht und biegsam, da sie vollständig aus Kunststoffen bestehen.