E-Paper-Display – Philips Tableaux & Co.

Zur ISE 2024 stellte Philips sein E-Paper Digital Signage Display mit verbesserter Farbtiefe vor. Welche Möglichkeiten bietet diese Technologie tatsächlich?

Vielleicht erinnert sich der eine oder andere ältere Leser noch an die Anfänge der Taschenrechner. In den 70er- Jahren wurden Taschenrechner für jedermann erschwinglich. Diese frühen Geräte hatten allesamt Ziffernanzeigen in LED-Technik. LED steht für „Light Emitting Diode“, also „Lichtemittierende Diode“. Die Zahlen, mit denen gerechnet wurde, wurden zumeist aus sieben Segmenten gebildet … und sie leuchteten meist grün, manchmal auch in Rot. Blaue Anzeigen gab es hingegen nicht, denn blaue LEDs waren damals noch nicht erfunden. Diese Erfindung sollte erst in den 1990er-Jahren dem japanischen Physiker Shuji Nakamura gelingen, der mit zwei Kollegen 2014 dafür den Nobelpreis der Physik bekam. Doch es lag nicht an den Farben der LEDs, dass schon in den 80er-Jahren die LED-Anzeigen der Taschenrechner nach und nach verschwanden und durch LCD-Anzeigen ersetzt wurden. Es lag an dem geringeren Stromverbrauch. LCD steht für „Liquid Chrystal-Display“ – zu deutsch: Flüssigkristallanzeige. Flüssigkristalle sind zwischen polarisierenden Schichten eingeschlossen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes ändert sich die molekulare Ausrichtung der Flüssigkristalle und dadurch ihre Sichtbarkeit durch die polarisierenden Schichten hindurch. Die Flüssigkristalle selber leuchten nicht. Energie wird nur beim Wechsel des elektrischen Feldes benötigt. Die Erhaltung eines einmal eingestellten molekularen Zustands erfordert keine Energie. Sichtbar wird eine Anzeige entweder durch natürliches Licht, was von außen auf die Anzeige fällt oder durch eine künstliche Hintergrundbeleuchtung – die natürlich wieder Energie verbraucht. Fast forward ins 21. Jahrhundert: Durch die bahnbrechende Erfindung der blauen LED konnten endlich rote, grüne und blaue LEDs gemeinsam zur Erzeugung aller Farben des Spektrums verwendet werden, inklusive Weiß (additive Farbmischung). Kathodenstrahlröhren der TV-Geräte und Videowände wichen nun der LED-Technik. Fernseher wurden dadurch flacher und energiesparender. Auch setzten sich LED-Leuchtmittel in Windeseile gegen Glüh­lampen und Leuchtstoffröhren durch.

All diesen LED-Technologien ist eines gemeinsam: Sie erzeugen Licht und verbrauchen dabei dauerhaft Energie.

In den späten 90er-Jahren am MIT in Boston erfunden, schaffte 2004 eine andere Technologie den Marktdurch­bruch: das elektronische Papier oder E-Paper. Unter einem E-Paper versteht man zweierlei: Zum einen die elektroni­sche Ausgabe einer gedruckten Zeitung, zum anderen ein Display, welches die Eigenschaften von bedrucktem Pa­pier nachahmt. In diesem Artikel geht es um Letzteres.

Welche Eigenschaften von Papier werden nachgeahmt?

Papier leuchtet nicht. Es benötigt Umgebungslicht, um lesbar zu sein. Papier benötigt zur Darstellung von Inhalten keinen Strom. Papier ist augenschonend, da es nicht wie ein Bildschirm flimmert. Im Falle von „ePaper Film“ wird auch die Biegsamkeit von Papier simuliert. Bekannt wurde die Technologie besonders nach dem Aufkommen von E-Book Readern. Vorreiter war Sony 2004 mit seinem Lesegerät „Librié“, doch breite Verbreitung fand erst Amazons eBook-Reader „Kindle“, welcher Bücher in Schwarzweiß bzw. Graustufen wiedergeben konnte und dessen erste Version 2007 das Licht der Welt erblickte. Zur gleichen Zeit erschienen E-Book-Reader von PocketBook. Die Technologie wird auch E-Ink, also elektronische Tinte, genannt. Wobei dies eigentlich der Eigenname und Warenzeichen jener Firma ist, aus deren Produktion fast alle E-Paper-Displays stammen.

Wie funktioniert nun die „elektronische Tinte“?

Wie wir später noch sehen werden, gibt es auch farbige E-Paper-Displays, aber schauen wir uns erst einmal die Funktionsweise der schwarzweißen an: Anders als bei echter Tinte auf echtem Papier, befinden sich die Pigmente eines E-Papers in winzigen Kapseln, die etwa die Breite eines Haares haben. Die Kapseln enthalten schwarze und weiße Partikel in einer klaren Flüssigkeit. Die Partikel sind elektrisch entgegensetzt geladen. Die weißen Partikel elektrisch negativ, die schwarzen positiv. In einem E-Paper-Display befinden sich Millionen dieser Kapseln zwischen zwei Schichten mit Elektroden – mit sehr vielen Elektroden –, die in einer Matrix angeordnet sind. Die dem Betrachter zugewandte Elektrodenschicht ist transparent. Um ein Bild zu erzeugen, wechseln die Elektroden ihre Polarität. Durch das angelegte elektrische Feld wandern entweder die weißen oder die schwarzen Partikel in den Kapseln in Richtung der transparenten Elektrodenschicht und werden damit sichtbar. Damit die Partikel alle korrekt auf die richtige Seite wandern, muss die Polarität kurz hintereinander mehrfach gewechselt werden. Das kostet Zeit. Eine Bildwiederholrate wie bei Computer- oder TV-Bildschirmen ist daher nicht möglich. Haben die Partikel einmal ihre Position eingenommen, verharren sie dort, auch wenn an den Elektroden keine Spannung mehr anliegt. Dadurch ist elektronisches Papier im Vergleich zu LED/LCD/TFT-Bildschirmen sehr energiesparend. Energie muss nur zur (Neu-)Ausrichtung der Partikel aufgewendet werden.

Live und in Farbe

Das Ganze funktioniert auch in Farbe. Im einfachsten Fall bedeutet das: Neben Schwarz und Weiß gibt es eine weitere Farbe, z. B. Rot. Die roten Partikel sind ebenfalls positiv geladen, aber größer und damit träger. Welche Farbe letztlich sichtbar wird, kann mit der Stärke und Impulslänge des angelegten elektrischen Feldes gesteuert werden. Auch Graustufen werden auf diese Weise erzeugt. Es gibt Displays mit weiteren Markierungsfarben, zum Beispiel 7-Farb-Displays. Um noch mehr Farben darstellen zu können, muss man sie sich allerdings aus Grundfarben zusammenmischen. Die gängigsten Farbsysteme sind RGB (additive Farbmischung) und CMYK (subtraktive Farbmischung). Hier in die Tiefe zu gehen, würde für diesen Artikel zu weit gehen, daher springen wir direkt zum aktuellen Stand der Technik. Die state-of-the-art E-Paper-Technologie heißt „Spectra 6“ und stammt vom bereits erwähnten Marktführer „E Ink“.

Philips Tableaux

Verbaut ist sie in drei Geräten von Philips, die aussehen wie Flachbildschirme oder große Tablets. Doch das sind sie nicht. Philips taufte die Serie „Philips Tableaux“ und listet sie unter „Digital Signage Solutions“. „Tableau“ ist das französische Wort für ein Gemälde, eine Schul- oder Anzeigetafel oder auch ein schwarzes Brett. Das trifft es eigentlich ganz gut. Das x steht für den Plural. Sprechen wir also über die drei Tableaux, die digitalen Anzeigetafeln von Philips. Es gibt sie in den drei Größen: 13, 25 und – ganz neu – 32 Zoll.

Philips war so freundlich, uns das 25″-Tableau zum Testen zur Verfügung zu stellen. Beim „Unboxing“ führt uns das Gerät bereits an der Nase herum: Zum Schutz des vermeintlichen Bildschirms hat man offenbar eine farbig bedruckte Pappe darüber geklebt. Hm, aber wie entfernt man die? Zum Glück noch rechtzeitig, bevor man sich ein Cuttermesser besorgt hat, wird klar: Das ist kein Transportschutz: Das ist bereits „Content“ der Tafel. Und wir erinnern uns: Einmal aufgespielt, bleibt der Inhalt dauerhaft und ohne Strom auf dem Display angezeigt. Dass das Ganze bedrucktem Papier zum Verwechseln ähnlich sieht, nun, das ist kein Bug, sondern ein Feature!

Des Weiteren suchen wir vergeblich nach einem HDMI-Anschluss. Macht der Gewohnheit! Denn das Ding sieht nur so aus wie ein Monitor, ist es aber nicht. Bilder müssen zur Anzeige wie bei einem digitalen Bilderrahmen in das Geräte geladen werden. Dafür gibt es folgende Anschlüsse: 1 × microSD Slot, 1 × USB 2.0, 1 × RJ45 und 1 × Micro USB.

Der Netzwerkanschluss ist zur Aufspielung der Daten über CMS-Systeme gedacht, somit ist ein Austausch der Inhalte aus der Ferne möglich. Über diesen Anschluss kann das Gerät auch mit Strom versorgt werden (PoE). W-LAN: Inhalte können auch drahtlos übertragen werden. Intern läuft das Gerät unter Android. Als erste bietet die Firma Telelogos eine Remote-Lösung an. Dadurch lässt sich das Philips Tableaux im Digital Signage wirklich professionell einsetzen. Für unseren Test jedoch erstellen wir drei JPGs in der Auflösung 3.200 × 1.800 Pixel und kopieren sie auf einen USB-Stick. Zusätzlich erstellen wir eine Config-Datei im XML-Format.

Dort steht Folgendes drin:

<?xml version=”1.0”?>

<epd_config>

<sleep on=”1”></sleep>

<interval second=300”></interval>

<image path=”Bild_1.jpg” x=”0” y=”0” dither=”1” forceVcom=”0”></image>

<image path=”Bild_2.jpg” x=”0” y=”0” dither=”1” forceVcom=”0”></image>

<image path=”Bild_3.jpg” x=”0” y=”0” dither=”1” forceVcom=”0”></image>

</epd_config>

Mit dem Stick im USB-Eingang wird das Gerät einge­schaltet. Die Bilder werden nun importiert, was mehrere Minuten dauert. Danach werden die Bilder wie in einem digitalen Fotorahmen nacheinander dargestellt. Bildwech­sel in diesem Fall alle 5 Minuten. Der Wechsel selber dau­ert ca. 30 Sekunden.

Eines der Bilder schauen wir uns genauer an. Hier das Original:

Es handelt sich um eine winterliche Aufnahme vom schö­nen Coburg. Im Mittelpunkt der Weihnachtsmarkt und oben auf der Anhöhe die Veste Coburg. Aus dem auf 3.200 × 1.800 verkleinerten Gesamtbild zoomen wir die Veste heran, indem wir uns einen Ausschnitt von 190 × 127 Pixeln herausnehmen.

Dieser sieht dann so aus:

Jedes Pixel besteht aus drei Subpixeln, je eines für die Grundfarben Rot, Grün und Blau. Die Subpixel sind zu klein, als dass sie das menschliche Auge bei normalem Betrachtungsabstand auseinanderhalten könnte. Durch additive Farbmischung erkennt das Auge nur einen farbigen Bildpunkt. Wie man an obigem Beispiel erkennen kann, gehen bei der 1:1-Darstellung (1 Pixel des Bildes entspricht einem Bildpunkt auf dem Monitor) keine Informationen verloren.

Nun schauen wir uns dasselbe Bild auf dem Philips Tableaux an:

Uns springt direkt ein unregelmäßiges Punkteraster ins Auge. Dieses besondere Raster heißt „Dithering“. Wenn man wenige Farben zur Verfügung hat, kann man die Illusion einer höheren Farbtiefe erzeugen, indem man die verfügbaren Farben auf der Fläche so anordnet, dass der Mittelwert der angeordneten Farbtupfer aus der Ferne betrachtet den gewünschten, nativ nicht vorhandenen Farbwert liefert. Diese Technik wurde bereits in der Malerei des ausgehenden 19. Jahrhunderts verwendet und nannte sich „Pointillismus“.

Hier ein Ausschnitt aus einem Gemälde von Paul Signac („Das Frühstück“):

Die Ingenieure von E Ink (von denen die E-Paper-Technologie des Philips Tableaux stammt) haben es durch das Dithering geschafft, die Originalfarben recht gut darzustellen. Allerdings auf Kosten der Auflösung. Wie man sehen kann, sind im Original und auch auf dem Flachbildschirm die Fenster in den Gebäuden der Burganlage zu erkennen. Im Pointillismus des Philips Tableaux gehen diese Details verloren. Wir haben es also bei der Darstellung von Farbbildern mit einer faktisch geringeren Auflösung als den angegebenen 3.200 × 1.800 Pixeln zu tun. Ebenfalls auffällig ist die zackige Wiedergabe von diagonalen Kanten. Diese werden üblicherweise mit Graustufen geglättet, das Verfahren nennt an „Anti-Aliasing“. Doch da dem E-Paper-Display nativ keine 256 Graustufen zur Verfügung stehen, kann auch nicht geglättet werden.

Hier ein Original-Siemensstern, daneben dessen Repräsentation auf einem TFT-LCD-Monitor und daneben die Darstellung auf dem Philips Tableaux:

Weiterhin auffallend ist der geringere Kontrast des E-Papers (ca. 30:1) gegenüber einem LCD-Monitor (>1.000:1) oder gar OLED-Bildschirm (100.000:1) Das E-Paper ist am kontrastreichsten unter direkter, heller Beleuchtung. Der Kontrast eines selbstleuchtenden Flachbildschirms hingegen ist im Dunkeln am höchsten. Das bedeutet: Es gibt Situationen, da übertrifft der Kontrast des E-Papers den eines Flachbildschirms: Nämlich in direktem Sonnenlicht.

Dennoch: Bei durchschnittlicher Innenraumbeleuchtung ist die Bildqualität eines Flachbildschirms der des E-Paper-Displays haushoch überlegen. Von Dunkelheit ganz zu schweigen, da ist ein E-Paper nicht mehr lesbar. Man könnte natürlich von vorne für eine künstliche Beleuchtung sorgen. Eine Hintergrundbeleuchtung wie bei LCD-Displays ist jedoch nicht möglich, da elektronische Tinte nicht transparent ist. Nachteilig ist auch die bereits angedeutete niedrige Bildwiederholrate. 60 Bildwechsel pro Sekunde sind bei üblichen Bildschirmen normal. Für anspruchsvolle Computerspieler gibt es bereits Monitore mit 500 Hz! Das 25-Zoll-Tableau von Philips jedoch braucht 30 Sekunden, um ein neues Bild darzustellen. Die 32-Zoll-Version immerhin 15 Sekunden. Andere Geräte sind schneller, manche viel schneller, doch Geschwindigkeit geht zu Lasten der Farbtiefe … und wie wir gesehen habe, ist die ja selbst beim besten E-Paper-Display vergleichsweise schlecht.

Die Vorteile von elektronischem Papier gegenüber Bildschirmen

Nach so viel Nachteilen stellt sich natürlich die Frage: Wozu überhaupt elektronisches Papier einsetzen? Es muss ja wohl auch Vorteile haben. Hat es! Hier sind sie: Sie sind energiesparend. Je statischer der angezeigte Inhalt, desto weniger Energie wird verbraucht. Das ist das zentrale Alleinstellungsmerkmal dieser Technologie, denn alle anderen Bildschirme verbrauchen Energie, wenn sie eingeschaltet sind, egal ob sich der angezeigte Inhalt ändert oder nicht. Nach Angaben von Philips können durch die Energieeinsparung die Anschaffungskosten eines Philips Tableaux innerhalb von ca. 2 Jahren vollständig amortisiert werden.

Wegen des geringen Energieverbrauchs kann man das Philips Tableaux auch ohne Netzanschluss, also nur mit Akkus, bis zu einem Jahr lang betreiben. Zum Einsatz kommen vier 18650-Akkus mit einer Kapazität von jeweils ca. 2.600 mAh. Akkubetrieb ist auch bei der Aufstellung vorteilhaft, da keine Kabel verlegt werden müssen. Leicht sind die E-Papier-Displays ebenfalls. Die 25,3-Zoll-Version des Philips Tableaux wiegt z. B. 2,4 kg und damit etwa halb so viel wie herkömmliche Monitore gleicher Größe.

Hinzu kommen ergonomische bzw. gesundheitliche Vorteile: E-Paper-Displays sind strahlungs- und flimmerfrei. Sie sind augenfreundlich, da kein blaues Licht ausgestrahlt wird. Sie bieten ein homogenes Bild aus unterschiedlichen Blickwinkeln, und anders als selbstleuchtende Monitore sind sie bei starker Sonneneinstrahlung besonders gut lesbar. Bei Aufstellung im Freien tragen sie nachts nicht zur „Lichtverschmutzung“ bei.

Anwendungsbereiche

Wir sehen, die E-Paper-Technologie hat Vor- und Nachteile. Aber wo die Vorteile zum Tragen kommen, ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Anzeigen mit „elektronischer Tinte“ ganz allgemein – schwarz-weiß oder farbig – werden unter anderem eingesetzt:

• in E-Readern wie amazons Kindle
• in elektronischen Geräten wie Armbanduhren, Fitnesstrackern, Kameras
• in Touch-Screens für Kontrollsysteme
• in digitalen Kundenstoppern (Werbetafeln) und Preisauszeichnungssystemen im Handel
• in elektronischen Etiketten
• in der Logistik zur Anzeige von Lagerbestän­den
• in öffentlichen Verkehrsmitteln – in Fahrzeu­gen und an Haltestellen
• in digitalen Speisekarten
• in Bildungseinrichtungen als Tafel / White­board
• in Museen und Galerien zur (auch interaktiven) Präsentation

… und natürlich als Werbetafel bzw. digitales Poster.

Ähnliche Produkte zum Philips Tableaux

Auch von Sharp / NEC gibt es farbige E-Paper-Displays in den Größen 13,3 und 25,3-Zoll. In deren Gehäuse steckt allerdings dieselbe Technologie wie beim Philips Tableaux, nämlich die „E Ink Spectra 6“ vom Marktführer E Ink, weswegen sich eine detaillierte Besprechung erübrigt. Als Prototyp wurde von Sharp/NEC bereits ein Display in der Größe DIN A2 vorgestellt.

E-Ink-Technologie als Computermonitor?

Wie dargestellt eignet sich das Philips Tableaux wegen der extrem langen Aktualisierungszeiten nicht als Computer­monitor. Doch vereinzelt gibt es E-Paper-Lösungen, die schneller sind. Je weniger Farben dargestellt werden müssen, desto schneller kann ein Bild angezeigt werden. Wir kennen das von E-Readern, die wir ja auch interaktiv bedienen können. So sind reine Schwarz-Weiß-Monitore in E-Paper-Technologie schon länger auf dem Markt.

Der Marktführer E Ink hat mit der Kaleido-3-Serie auch ein farbiges E-Paper-Display im Angebot, welches ähnliche Aktualisierungsraten wie ein E-Reader aufweist. Die Farbigkeit ist allerdings nur im Ansatz gegeben. Von knalligen, brillanten Farben kann man hier definitiv nicht sprechen. Der Hersteller gibt eine „Graustufentiefe“ von 16 Graustufen und eine Farbtiefe von 4.096 Farben an. Das sind Werte aus der Computer-Steinzeit (also etwa 80er-Jahre des letzten Jahrhunderts).

Aber immerhin kann das Display interaktiv bedient werden. Eine flüssige Videowiedergabe ist allerdings (noch?) nicht möglich. Das Display verfügt über ein „Front Lighting“, also eine Beleuchtung von vorne. E Ink wird im Laufe des Jahres eine 42″-Version dieses Displays auf den Markt bringen, welches grob der Fläche von DIN A1 entspricht. Bildwechsel in 0,5 Sekunden.

Der erste E-Paper-Farbmonitor kommt aus China

Die Firma Dasung aus China bietet neuerdings tatsächlich einen 25,3-Zoll-Farbmonitor auf E-Paper-Basis an: Dasung Paperlike Color, welcher als „world’s first“ angepriesen wird und ab April 2024 verfügbar sein soll. Die „Dasung Turbo Ultra Speed Refresh“-Technologie soll auch die Wiedergabe von Videos ermöglichen. Hinter diese Aussage würden wir ein Fragezeichen setzen, genauso, wie wohl klar ist, dass Photoshop-Anwender diesen Monitor nicht auf ihrem Einkaufszettel haben werden.

Doch wir wollen dem Produkt nicht vorschnell jede Existenzberechtigung absprechen. Als augenschonender und energiesparender Zweitmonitor für Programmierer oder Leute, die viel lesen oder z. B. Börsenkurse verfolgen, mag der Dasung Paperlike Color gute Dienste leisten. Und wer weiß, was die Zukunft noch bringt …

Fake-E-Paper

Der Vollständigkeit halber sollte noch erwähnt werden, dass es seit einiger Zeit ein Produkt auf dem Markt gibt, welches mit den Begriffen „Full color electronic paper display“ und „paper-like“ wirbt: das TCL NXTPAPER. Hierbei handelt es sich aber um ein LCD-Display, dem lediglich durch eine spezielle Beschichtung eine papierähnliche Haptik verpasst wurde. Mit der vorstehend vorgestellten E-Paper-Technologie hat dieses Produkt nichts zu tun.

Fazit: Horses for Courses

„Horses for Courses“ sagte der Engländer, zu deutsch etwa „Rennpferde für Pferderennen“. Damit ist gemeint, dass man für spezielle Aufgaben am besten dafür zugeschnittene Mittel einsetzt. Das gilt sicherlich für die E-Paper-Technologie. Diese ist nämlich alles andere als eine eierlegende Wollmilchsau. Aber sie hat ihre Nischen, wo sie herkömmliche Technologien aussticht und in diesen Nischen ist sie „das schnellste Pferd im Stall“. Sie vereint die Vorteile von Papier mit der Aktualisierbarkeit digitaler Medien …nun ja, fast alle Vorteile von Papier: Lochen und Abheften, das geht nicht.