Displays für Außenanwendungen
Digitale Farbdisplays, die mit Solarenergie laufen
Electrowetting-Displays (EWD) benötigen wenig Leistung und können sogar ohne Hinterleuchtung betrieben werden. Die Technik eignet sich für videotaugliche Außen-Farbdisplays, die ohne Anschluss ans Stromnetz installiert werden können.
Außen-Displays sind ein sehr attraktives Medium, um mit der Öffentlichkeit zu kommunizieren, insbesondere für Werbezwecke. Aufgrund der Urbanisierung gibt es einen Trend zur Erhöhung der Werbebudgets für solche Medien. Aktuelle Nachrichten und Werbung, die auf die neuesten Ereignisse oder die Tageszeit zugeschnitten sind, treiben die Entwicklung von digitalen Außen-Displays. LED-Displays haben in dieser Hinsicht viele Anwendungen gefunden, aber ein weit verbreiteter Einsatz wird durch die von ihnen ausgehende Lichtverschmutzung in der Nacht und ihre hohe Leistungsaufnahme behindert.
Diese Nachteile der LED-Displays schaffen einzigartige Möglichkeiten für reflektierende Displays, die für solche digitalen Außen-Displays (Digital out of Home, DOOH) genutzt werden können. Das kürzlich veröffentlichte Buch »E-Paper Displays« von B.-Y. Yang gibt einen ausführlichen Überblick über reflektierende Displays. Die E-Paper-Techniken reichen von elektrophoretischen, In-Plane-EPDs, elektrokinetischen, Flüssigpulver-, elektrochromen, elektrobenetzenden, elektrofluidischen, cholesterischen und reflektierenden LCDs bis hin zu zenithalen bistabilen Displays. Kommerziell ausgereift und bekannt für Displays sind elektrophoretische, zum Beispiel in Anwendungen wie E-Readern und elektronischen Preisschildern, elektrochrome, für Anwendungen in Smartcard-Produkten und LCD-Techniken zum Beispiel in mobilen Geräten wie Fahrradcomputern.
Die Anforderungen für die Anwendung auf dem Markt für Außenwerbung sind jedoch anspruchsvoll. Ein Display für Werbezwecke muss qualitativ hochwertige farbige Bilder einschließlich Graustufen darstellen und in der Lage sein, Videoinhalte mit hoher Bildfrequenz zu zeigen. Die Tatsache, dass es sich um eine Außenanwendung handelt, führt außerdem zu hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit.
In der Regel müssen die Displays über eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren in unkontrollierten, feuchten Umgebungen mit Temperaturen zwischen –40 °C und über +65 °C aufgrund der Umgebungstemperatur und zusätzlicher Erwärmung durch Sonneneinstrahlung zuverlässig funktionieren. Im Betrieb kann sich die Temperatur auch schnell ändern, z. B. wenn das Display in einer kalten Umgebung der Sonne ausgesetzt ist oder in den Schatten fällt. Zu beachten ist, dass reflektierende Displays so wenig Leistung brauchen, dass eine indirekte Erwärmung durch die Elektronik nicht stattfindet.
Electrowetting-Displays
Die Technik der Electrowetting-Displays (EWD) ist in der Lage, die oben genannten Anforderungen zu erfüllen. Electrowetting-Zellen können in einem ausgewählten Teil des sichtbaren Spektrums zwischen einem geschlossenen und einem offenen Zustand wechseln, indem sie das Benetzungsverhalten eines gefärbten Kohlenwasserstofföls auf einer hydrophoben Oberfläche in einer transparenten polaren Flüssigkeitsumgebung verändern. Die grundlegenden Prinzipien und praktischen Anwendungen der Elektrobenetzung werden im Buch »Electrowetting« von F. Mugele und J. Heikenfeld ausführlich beschrieben. Die Anwendung der EWD-Technik ist in Bild 1 und Bild 2 dargestellt. In Bild 1 wird das einfallende Licht von dem farbigen Ölfilm absorbiert, bevor es zum Betrachter reflektiert wird, was zu einem schwarzen oder farbigen Bild führt.
Wenn sich der farbige Ölfilm zu kleinen Tröpfchen zusammengezogen hat, wie in Bild 2 dargestellt, erreicht der größte Teil des einfallenden Lichts den Reflektor und wird von diesem reflektiert, sodass der Betrachter es als weißes Licht wahrnimmt. Bemerkenswert ist, dass dieser Vorgang sehr schnell abläuft. Die Bewegung von Flüssigkeiten auf einer Oberfläche hat typische Geschwindigkeiten von Zentimetern pro Sekunde, was bei einer typischen Pixelgröße Schaltzeiten in der Größenordnung von Millisekunden bedeutet.
Der grundlegende Vorteil der EWD-Technik besteht darin, dass diese Kombination aus lichtabsorbierenden und nicht absorbierenden (transparenten) Zuständen einen Cyan-Magenta-Gelb-Aufbau ermöglicht, um leuchtende Farben zu erzeugen. Der CMY-Aufbau ermöglicht eine dreimal höhere Menge an reflektiertem Licht als jeder RGB-Ansatz. Das Prinzip ist in Bild 3 dargestellt.
Der CMY-Ansatz führt zur Reflexion des gesamten einfallenden Lichts, wenn die Zellen in den transparenten Zustand versetzt werden. Beim RGB-Ansatz kann nur das Licht, das durch einen bestimmten Farbfilter fällt, zu dem beobachteten reflektierten Licht beitragen. Wenn die Anzeigefläche zu gleichen Teilen mit R-, G- und B-Filtern bedeckt ist, kann nur 1/3 des Lichts reflektiert werden, was als matte Farben wahrgenommen wird.
EWDs können in einem sehr weiten Temperaturbereich betrieben werden. Die Temperaturgrenzen und damit der Betriebsbereich von EWDs werden in erster Linie durch die Gefrier- und Siedepunkte der verwendeten Flüssigkeiten bestimmt.
Erste Projekte und Installationen
Die erste kommerzielle Display-Installation für Etulipa war eine Bushaltestellenanwendung (Bild 4). Das Projekt ist im Besitz des New Yorker Verkehrsministeriums (NYDOT, New York Department of Transport). Die Bushaltestelle besteht aus sechs Displays, drei auf jeder Seite, die die Zeit bis zur Ankunft der nächsten Busse anzeigen.
Das System wurde von Daktronics gebaut und von TSI mit Kommunikationsmodulen von Telia IOT installiert. Die sechs EWDs brauchen nur wenig Strom, sodass ein 80-W-Solarpanel und eine Batterie als Speicher ausreichen, um die Anzeige an der Bushaltestelle ohne externe Verkabelung oder externe Stromversorgung und Ladegerät zu betreiben.
Vor der Installation wurde die Display-Konstruktion in Klimakammern getestet. Durch einen mehrmonatigen Testbetrieb und Schalten bei hohen Temperaturen konnte die Lebensdauer bewertet werden. Das Anzeigesystem ist seit August 2020 in Betrieb. Die im Betrieb gezeigte Leistungsfähigkeit bestätigt die Zuverlässigkeit der EWD-Ausführung von Etulipa.
- Digitale Farbdisplays, die mit Solarenergie laufen
- Videotaugliches Electrowetting-Display
