Digital Signage

E-Paper: Unterschätzte Displaytechnologie?

Elektronisches Papier, kurz „E-Paper-Technik“, ist eine Displaytechnologie, die bisher im ProAV-Markt eine eher untergeordnete Rolle spielt – zu Unrecht? Fachautor Achim Hannemann gibt einen Überblick über die Technologien und die Anwendungen.

E Paper als Outdoor Info Werbedisplay(Bild: Visionect)

Inhalt dieses Grundlagen-Artikels:

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Nachdem wir in den letzten Ausgaben unterschiedliche Display- und Projektor Technologien beschrieben haben, widmen wir und einer Technik, die ein wenig unter dem AV/ DS-Radar zu sein scheint. Dieser Technologie wird jedoch ein riesiger zukünftiger Markt prognostiziert. Grund genug das songenannte „E-Paper“ (Elektronisches Papier), dessen Technik und die Anwendungsmöglichkeiten, speziell für die Digital Signage Branche einmal näher zu betrachten.

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Historie und Technik-Grundlagen

Entwickelt wurde das erste E-Paper in den 70er-Jahren von Nick Sheridon am Palo Alto Research Center der Firma Xerox. Das „Gyricon“ genannte Produkt, der Urvater des elektronischen Papiers, besteht aus schwarz-weiß bipolar geladenen Kügelchen, eingebettet in eine dünne transparente Plastikfolie und schwimmend gelagert in Öl. Bei Anlegen einer Spannung richten die Kügelchen sich aus, so dass die schwarzen Teile auf der sichtbaren Oberflächenseite liegen, um so z. B. ein Pixel, einen Buchstabens oder eine Zahl darzustellen. Vorteil dieser Technik: Die Kügelchen behalten ihre Position auch beim Entfernen der Spannung bei – Strom wird also nur zum Bildwechsel kurz benötigt. Da die Kügelchen ähnlich wie gedruckte Buchstaben das Umgebungslicht reflektieren, kann man die Information auch im direkten Sonnenlicht lesen. Eine Backlight-Technik oder sonstige aktive Beleuchtung sind nicht erforderlich. Nebenbei bemerkt: Bei modernen Displays gibt es auch ein Front Lightning, um das Display auch im Dunkeln lesen zu können. Zum Umschalten der Information reicht die eingebaute Batterie, die man je nach Häufigkeit der Informationsänderungen (bis 1Mio Schaltzyklen) nach 3 bis 5 Jahren austauschen muss. Es lassen sich hauchdünne Displays herstellen, die biegsam und aus weitem Winkel scharf ablesbar sind.

Aufbau eines E-Paper-Displays
Aufbau eines E-Paper-Displays (Bild: E Ink)

Als erste Anwendung hatten die Entwickler das E-Book im Auge. Leider war die Herstellung des E-Papers als Büchersatz nicht wirtschaftlich bzw. konkurrenzfähig. Und so wurde die im Jahr 2000 von Xerox gegründete Firma Gyricon LLC Ende 2005 wieder geschlossen. Doch die Geschichte des E-Papers war damit nicht zu Ende. Auf Grundlage dieser Elektrophorese-Technik ( beschreibt die Bewegung geladener kolloidaler Teilchen oder gelöster Moleküle durch ein elektrisches Feld) sorgte ab 2007 das Amazon Kindle E-Book, ausgestattet mit einem 6″-E-Ink-Display für Furore und ist bis heute ein Kassenschlager.

Besagtes Display stammte vom amerikanischen Unternehmen E Ink Cooperation, ein Unternehmen der taiwanesischen E Ink Holding. Seitdem steht das eingetragenen Markenzeichen „E Ink“ oft als Synonym für Elektronisches Papier.

Die Key-Player für die Entwicklung und Herstellung von E-Paper sind: NEC LCD Technologies Ltd, Delta Electronics Inc., LG Display, Hanvon Technology Co., Ltd, E Ink Holdings Inc., Sony Corporation, Qualcomm MEMS Technologies Inc., Inkcase, Plastic Logic und Samsung. Einzelne Displays kann man auch als Open-frame-Version in Deutschland über Visonect, Beck und Data Modul beziehen.

Open-Frame E-Paper-Display von Beck GmbH & Co
Die Beck GmbH & Co Elektronik Bauelemente KG, Distributor von elektronischen
High-Tech-Artikeln, bietet Open-Frame E-Paper-Displays in verschiedenen Größen, darunter auch das neue E Ink ACeP-Farbdisplay mit 32.000 Farben.
(Bild: Beck GmbH)

„Elektronisches Papier hat viele Namen, die alle genau dasselbe beschreiben: eine Technologie, die das Aussehen von gewöhnlicher Tinte auf Papier nachahmt. Die Funktionsweise unterscheidet sich jedoch von anderen Displays in zwei wesentlichen Punkten: Ein Bildschirm aus elektronischem Papier reflektiert Licht aus der Umgebung und verbraucht nur dann Strom, wenn sich der Inhalt darauf ändert“, so Miroslav Vuckovic, Sales Manager von Visionect, einer der führenden europäischen Komplettlösungsanbieter für E-Paper-Anwendungen.

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Aktuelle Technik

Vor ein paar Jahren waren die Anwendungen noch auf Displaygrößen bis 12″ und schwarz-weiße Darstellungen eingeschränkt. Seit fünf Jahren ist das Portfolio allerdings erheblich erweitert worden: So wurde auf der SID‘s Display Week (jährliches Symposion der SID – Society of Information Display) 2016 erstmals ein Farbdisplay vorgestellt, das Advanced Color ePaper (ACeP). Das Display enthält vier Pigmente in jeder Mikrokapsel bzw. Microcup, wodurch ein Farbfilter-Overlay überflüssig wird. Die verwendeten Pigmente Cyan, Magenta, Gelb und Weiß ermöglichen die Anzeige eines Farbraums bis zu 32.000 Farben.

E-Paper-Informationsanzeige in einem Flughafen
E-Paper-Informationsanzeige in einem Flughafen (Bild: Visionect)

Mittlerweile erreicht das im Januar 2021 vorgestellte Display E Ink „ACeP Gallery 4100“ eine vollständige Farbskala einschließlich aller acht Primärfarben, wobei nur farbige Pigmente verwendet werden. Das Display verwendet eine einzelne Schicht elektrophoretischer Flüssigkeit, die mit Spannungen wie mit einer TFT-Backplane gesteuert wird. Die Flüssigkeit kann entweder in Mikrokapsel- oder Microcup-Strukturen eingearbeitet werden. Das Spektrum mit mehr als 40.000 Farben wird dadurch erreicht, dass alle Farbpigmente in jedem Bildelement ( Pixel) vorhanden sind.

Doch die E-Paper-Farbreise geht weiter: Erst kürzlich wurde im Journalportal „Nano Letters“ veröffentlicht, dass die Anwendungen von E-Paper um ein Vielfaches wachsen könnten, denn Forschern aus Schweden sei der Durchbruch zum Vollfarbdisplay gelungen. Wissenschaftlern der Chalmers University of Technology war es bereits 2016 gelungen, ein ultradünnes, flexibles Material zu entwickeln, das alle Farben wiedergibt, wie sie auch ein LED-Bildschirm darstellen kann. Es benötigt jedoch dabei nur ein Zehntel der Energie, die ein Standard-Tablet verbraucht. Jedoch im früheren Design wurden die Farben auf dem spiegelnden Bildschirm nicht mit optimaler Qualität angezeigt. Jetzt geht die Forschung in einer neuen Studie der Chalmers University of Technology laut eigener Presseverlautbarung im Juli 21 noch einen Schritt weiter: Mit dem zuvor erforschten, porösen und nanostrukturierten Material, welches Wolframtrioxid, Gold und Platin enthält, habe man bereits ein Vollfarbdisplay entwickelt, jedoch war die Brillanz der Farben noch nicht zufriedenstellend.

E-Paper Vollfarbdarstellung
Erstmals ist Wissenschaftlern der Chalmers University of Technology im Juli 2021 gelungen, durch eine neue Anordnung von Schichten im E-Paper eine Vollfarbdarstellung zu erzielen. (Bild: Mats Tiborn, Chalmers University)

Jetzt will man mit einem neuen Layout den Durchbruch geschafft haben. „Damit reflektierende Bildschirme mit den energieintensiven digitalen Bildschirmen, die wir heute verwenden, konkurrieren können, müssen die Bilder und Farben mit der gleichen hohen Qualität wiedergegeben werden. Das wird der eigentliche Durchbruch sein“, so Marika Gugole, Doktorandin an der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen an der Chalmers University of Technology, zur Zielsetzung ihres Teams. Sie platzierten das Bauteil, das das Material elektrisch leitfähig macht, unter der pixeligen Nanostruktur, die die Farben wiedergibt, statt wie bisher darüber. Durch dieses neue Design blickt der Betrachter direkt auf die pixelige Oberfläche und sieht die Farben viel klarer und intensiver. „Unser Hauptziel bei der Entwicklung dieser reflektierenden Bildschirme – oder des elektronischen Papiers, wie es manchmal genannt wird –, ist es, nachhaltige, energiesparende Lösungen zu finden. Und in diesem Fall ist der Energieverbrauch fast null, weil wir einfach das Umgebungslicht der Umgebung nutzen“, erklärt Forschungsleiter Andreas Dahlin, Professor am Department Chemie und Verfahrenstechnik in Chalmers. Im nächsten Schritt könnte der Aufbau so optimiert werden, dass eine industrielle Fertigung bald möglich sein wird.

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Anwendung als Anzeigen und elektronische Plakate

Bekannt sind den meisten bereits die existierenden E-Paper-Anwendungen als Regaletiketten und Preisschilder mit Produktinformationen in Lebensmittel-, Elektronik- und Baumärkten oder Installationen im Smart-Home/Smart-Building-Bereich. Doch auch E-Paper-Lösungen im AV-/ Digital-Signage-Markt werden immer beliebter. Derzeit basieren die meisten Digital Signage-Infoscreens bis 65″ immer noch auf der LCD-Technik. Bei Anzeigen an Bahnhöfen, Bushaltestellen etc. wird auch oft LED-Technik eingesetzt. Bei größeren videofähigen Farbdisplays ab 55″ wird in Zukunft die Micro-LED-Technik das Rennen machen, und bei DOOH-Großdisplays kommen zurzeit eh nur LED-Panels in Frage. Für viele Anwendungen, bei denen LCD-Displays als Poster-Ersatz installiert wurden, oder vielleicht auch zukünftig in Planung sind, kann das E-Paper schon heute die bessere und kostengünstigere Lösung sein – vorausgesetzt, es handelt sich um vorwiegend statische Informations- und Bildwiedergabe. Unter diesen Bedingungen sind die Vorteile eines E-Papers im Gegensatz zu LCD/OLED/LED-Displays unschlagbar: Das E-Paper ist ein extrem energiesparendes Display. Im Outdoorbereich, sogar eventuell noch in Verbindung mit einem Solarpanel, sind die Stromkosten fast null. Gerade bei großen Rollout-Projekten sollten die Energiekosten einmal mit denen anderer Displaytypen verglichen werden.

E-Paper sind einfach zu installieren oder genial mobil. Sie sind Leichtgewichte, und es benötigt keine permanente Spannung – zum Bildwechsel reicht die eingebaute Batterie, inhaltlich upgedatet werden sie über WiFi. Das reduziert die Installationskosten, und es entfällt das Verlegen von Stromleitungen und Cat-Kabeln inklusive der elektrischen Installations- und Abnahme-Vorschriften. Zudem gleichen die Lesbarkeit und der Blickwinkel denen eines Plakats, auch im Sonnenlicht.

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Raum- und Türdisplays

In der Anwendung als Raumbuchungs- bzw. Türdisplays kommen hauptsächlich Displaygrößen bis 13″ bereits zum Einsatz. Eine Anzeige der Inhalte in Schwarz-Weiß oder mit zwei bzw. drei Farben ist völlig ausreichend. Informationswechsel finden statisch und in einer überschaubaren Menge täglich statt. E-Paper-Displays gibt es auch als Touch-Ausführung. Die Installation ist leicht und gerade bei Altbauten, wo es sehr aufwendig, kostspielig oder sogar unmöglich ist, PoE-Cat-Leitungen nachträglich einzuziehen, bietet das E-Paper-Raumbelegungsdisplay eine optimale Lösung. Natürlich können bestehende Kalender-/ Buchungssysteme, wie z. B. Exchange, G Suite, Office 365 oder iCalendar, verwendet werden. So offeriert beispielsweise der slowenische E-Paper Spezialist Visionect mit der Joan-Serie unterschiedliche Displaytypen und -Größen sowie Raumbuchungslösungen. Jedoch sind auch größere digitale Informations-Anzeigen bis 42″ zur Orientierung in Gebäuden, auf großen Betriebsgeländen, Messen oder an Aufzügen von Büro oder Firmengebäuden schon erhältlich – auch in Farbe.

E-Paper als Raumbuchungsdisplay
E-Paper als Raumbuchungsdisplay mit Touchfunktion (Beispiel: Visionect) (Bild: Visionect)

E-Paper sind hier besonders geeignet, weil die Information sich nur sporadisch im Jahr, bei Wechsel des Büromieters, bei örtlicher Verlagerung der Abteilung oder bei einer Umstrukturierung ändert. Zudem können hier noch mehrsprachig aktuelle Zugangsvorschriften (wie z. B. aktuelle Corona-Vorschriften) und Notfall-Meldungen schnell angezeigt werden, die im Gegensatz zu anderen Techniken auch bei Stromunterbrechungen noch sichtbar bleiben. Visonect bietet hier mit der Serie „Urban“ und der Visionect Software Suite bereits eine cloudbasierte CMS-Komplettlösung an.

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Digitales Whiteboard

Im Juli 2021 stellten Ricoh und E Ink als Weltneuheit ein E-Paper Whiteboard vor. Mit nur 14,5 mm Dicke und nur knapp 6 kg Gewicht ist es zugleich das bis dato weltweit dünnste und leichteste tragbare digitale Whiteboard. Zudem ist das äußerst energieeffiziente RICOH e-Whiteboard 4200 wasser- und staubdicht. Mit seinem papierähnlichen Aussehen kann man es auch bei hellem Sonnenlicht gut lesen, daher eignet es sich besonders für den Einsatz im Freien, beispielsweise auch auf einer Baustelle.

Farb-E-Paper von E Ink
Aktuelle Farb-E-Paper (teilweise noch Prototypen) von E Ink auf der Messe „Touch Taiwan 2021“ . (Bild: E Ink)

Das ultraportable Gerät ist in Umgebungen nützlich, in denen keine Stromquelle verfügbar ist, und kann in mehreren Ausrichtungen verwendet werden: auf einer Staffelei, flach auf einem Tisch oder an der Wand aufgehängt. Updates auf den Boards können von entfernten Standorten über die WLAN-Nutzung eingesehen werden, sodass Meetings auch über Entfernungen kollaborativ sind.

Das Gerät verfügt über ein 42-Zoll-E Ink Carta-Digitalpapierdisplay und über eine „schnellere“ Tinte von E Ink, die für ein reibungsloses Handschrifterlebnis mit einem scharfen, kontrastreichen Erscheinungsbild sorgen soll. Da die E-Ink-Technologie reflektierend und nicht lichtemittierend ist, gibt es keine Lichtverschmutzung, die insbesondere in medizinischen Einrichtungen für die Patientenkommunikation störend sein kann.

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Parkplätze und öffentliche Bereiche

Smart ist die Idee des Parkplatzschildes mit der Möglichkeit des Wechsels der Anzeige des Kennzeichens sowie der Darstellung einer Willkommensbotschaft. So können Kunden von Firmen oder VIP-Gäste bei Events, Stadien oder Spezialveranstaltungen so schon am Parkplatz individuell empfangen und begrüßt werden.

24/7-Display mit Photovoltaik-Panels und angesteuert mit Wi Fi/3G/4G
In Verbindung mit Photovoltaik-Panels und angesteuert mit Wi Fi/3G/4G erschließen sich mit den 24/7-Displays auf Jahrzehnte hinaus nutzbare nachhaltige und kostengünstige Lösungen. (Bild: Visionect)

Unzählige Anwendungen ergeben sich für die IP67 Outdoor E-Paper als reine Informationstafeln im Personennah- und Fernverkehr. Damit lassen sich nicht nur Fahrpläne aktualisieren, sondern zudem noch Real-Time-Ankunftsdaten synchronisieren. Diese Art von elektronischer Anzeige kann gerade in ländlichen Gegenden angebracht sein, in denen z. B. die Bushaltestellen in puncto Strom nicht versorgt sind. In Verbindung mit Photovoltaik-Panels und angesteuert mit Wi-Fi, 3G/4G erschließen sich mit den 24/7-Displays auf Jahrzehnte hinaus nutzbare nachhaltige und kostengünstige Lösungen. Komplettsets inklusive Outdoordisplay, Solarpanel und CMS-Software bietet auch hier Visionect mit der Urban-Serie an. Aber auch als Stadt- oder Gemeinde-Informationssystem für Bürger und Touristen werden E-Paper-Displays bereits vielfach eingesetzt.

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Marketing und Werbung

Ob mobil oder fest installiert, ob Indoor oder Outdoor, wenn kein Video benötigt wird (oder auch verboten ist), sei es im Einzelhandel, an Tankstellen, Messen, Events oder im DOOH-Bereich, sind E-Paper als digitale Werbeposter einsetzbar und oft, schon aufgrund der einfachen Installation, die kostengünstigere und flexiblere Lösung. Weiterhin ist vorstellbar, dass E-Paper auch in Bereichen mit Brandschutzkriterien oder strengen EMV-Vorschriften punkten können.

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Marktchancen

Mit der Entwicklung des E-Papers vom Schwarzweiß-Poster zum Farb-Digital-Signage-Display mit Ausblick auf eine zukünftige Serienfertigung könnten viele Anwendungen, bei denen jetzt nur LCD-Displays in Frage kommen, vom E-Paper abgelöst werden. Die Hersteller sind in diesem Bereich noch überschaubar; Komplettlösungsanbieter sind noch rar in Europa. Hier sind Chancen für Händler bzw. Systemintegratoren zu sehen, ihr Portfolio zu erweitern. Sie sollten sich (wie auch Planer) mit dem Thema intensiver befassen, denn der weltweite Markt soll jährlich um 35 % wachsen. War der E-Paper-Umsatz in 2018 noch mit 1,17 Billion USD beziffert, sollen es bis zum Jahr 2026 13,62 Billion USD sein (Quelle: Verified Market Research).

Da die E-Paper-Folien hauchdünn sind und somit auch biegsam, werden sich bestimmt auch neue kreative Lösungen ergeben. Leider sind derzeit 32″ und 42″ Farb-E-Paper noch wesentlich teurer als LCD-Displays, was an der geringen Produktionsmenge liegen dürfte. Aktuell sind die Lieferzeiten auch sehr lang – man erwartet Entspannung in 2023. Sollten in Zukunft aber E-Paper-Module ohne Rahmen kaskadierbar oder herstellbar in m²-Größen am Stück sein, sind auch größere Outdoor-Anzeigen (in Verbindung mit Photovoltaik) als Plakatersatz oder als LED-Alternative für Werbung an Autobahnen und in Städten denkbar, wo ohnehin nur statische Bildwechsel ohne Videos oder aufwendige Animationen erlaubt sind. Grüner sind E-Paper auf alle Fälle – das Thema bleibt also spannend!

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E-Paper – die Technik

Das elektronische Papierdisplay besteht aus Millionen von kleinen Kapseln. Diese sind mit einer klaren Flüssigkeit gefüllt, die winzige Partikel enthält, jede etwa so breit wie ein menschliches Haar, eingebettet in einem dünnen Film. Dabei weisen die Partikel in den Kapseln unterschiedliche Farben und elektrische Ladungen auf. Ober- und unterhalb des Kapselfilms sind Elektroden angebracht. Wird an eine einzelne Elektrode ein positives oder negatives elektrisches Feld angelegt, wandern die Farbpartikel mit der entsprechenden Ladung entweder nach oben oder nach unten in eine Kapsel, wodurch die Oberfläche des E-Paper-Displays in einer bestimmten Farbe erscheint. Die Bildpunkte bei Segmentanzeigen werden mittels passiver transparenter Elektroden und bei Matrixdisplays über eine TFT-Aktiv-Matrix gesteuert, wie sie auch bei LC-Bildschirmen verwendet wird.

Abbildung E-Paper-Display-Technik
Bei Anlegen eines elektrischen Feldes wandern die Farbpartikel mit der entsprechenden Ladung entweder nach oben oder nach unten in eine Kapsel, wodurch die Oberfläche des E-Paper-Displays in einer bestimmten Farbe erscheint. (Bild: Visionect)

Die Darstellung von Graustufen wird durch den zeitlichen Verlauf der angelegten Spannung gesteuert. Ursprünglich konnten acht Graustufen angezeigt werden, die aktuellen Displays arbeiten mit 16 Graustufen. In Verbindung mit aus der Drucktechnik und Bildbearbeitung bekannten Rasterverfahren wird eine scheinbar stufenlose Grauwertdarstellung erzielt.

Wie Papier ist das Display auch bei Sonnenlicht gut lesbar. Eine Hintergrundbeleuchtung der Bildschirme ist nicht nötig und bei der Kapseltechnik auch nicht möglich. Um E-Paper auch in dunkler Umgebung lesen zu können, gibt es Versionen mit Front-Light. Hierbei werden am Displayrand LEDs verbaut, deren Licht durch eine vor dem Display liegende Diffusionsschicht oder eine Lichtleitfolie verteilt wird. Die Lichtleitfolie ist mit Mikrostrukturen versehen, die das Licht vorwiegend in Richtung des E-Ink-Displays (EPD) auskoppeln. EPDs lassen sich wie LCDs und TFTs auch mit Touches oder Cover-Gläsern bonden. Die Kombination eines E-Paper Displays mit einem optisch gebondeten Frontlicht oder Touchpanel erzielt sehr gute optische Eigenschaften, analog zu optisch gebondeten TFTs. Das Unternehmen „Channel Microelectronic“ in Esslingen ist hier z. B. Entwicklungs- und Fertigungsdienstleister.

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