Sparsame Displays E-Ink, MIP und Blanview: Diese Displays verbrauchen wenig Energie

Von Peter Jendros*

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Die Industrie muss Energie sparen. Dabei helfen können sparsame Display-Techniken. Welche sparsamen Display-Techniken es gibt und wofür sie sich verwenden lassen.

Helle Umgebungen: Displays im Freien müssen gegen das Sonnenlicht ankämpfen. Dazu ist ein hoher Kontrast notwendig, was Energie kostet. Es gibt Display-Techniken, die Energie sparen.
Helle Umgebungen: Displays im Freien müssen gegen das Sonnenlicht ankämpfen. Dazu ist ein hoher Kontrast notwendig, was Energie kostet. Es gibt Display-Techniken, die Energie sparen.
(Bild: Data Modul)

Displays sind in der Industrie als Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine nicht mehr wegzudenken: Sie visualisieren wichtige Informationen, erleichtern den Informationsaustausch und unterstützen bei einer fehlerfreien Kommunikation. Optische Parameter wie Auflösung und Farbtreue sind entscheidend für professionelle Anwendungen in der Medizintechnik oder der Industrie. Dabei kommt es vor allem auf einen niedrigen Energieverbrauch der verwendeten Displays an.

Gefragt sind Produkt- und Gerätedesigns für den mobilen Einsatz und Geräte, die zwischen verschiedenen Stromversorgungsquellen wechseln können. Sie sind in der Regel kompakter und können auf Wunsch beispielsweise auf einen Akku- oder Batteriebetrieb umgestellt werden. Herkömmliche TFT-Displays benötigen vergleichsweise viel Energie und sind deshalb für viele Anwendungen ungeeignet. Abhilfe versprechen Low-Power-Komponenten. Solche Displays benötigen weniger Energie und sind gleichzeitig in der Lage, hochwertige Inhalte darzustellen. Damit sinkt der Energiebedarf und es sind unter anderem auch längere Akkulaufzeiten möglich.

Die Stärken der verschiedenen Display-Techniken

Auf der Seite der energiesparenden Techniken gibt es verschieden Display-Typen, die über einen besonders geringen Stromverbrauch verfügen. Neben alternativen TFT-Varianten wie Reflective TFTs und Blanview Displays, stehen energiesparende Techniken wie MIP (Memory-In-Pixel) oder E-Paper-Displays zur Auswahl. Jede der genannten Techniken hat ihre Vor- und Nachteile. Das muss für einen späteren Einsatz der verwendeten Displays im Vorfeld genau geklärt werden.

Damit das Display zur späteren Anwendung passt, müssen die notwendigen Rahmenbedingungen geklärt sein. Als eine erste Orientierung ist es hilfreich, sich einen Überblick über die gängigen Display-Techniken mit ihren jeweiligen Stärken zu verschaffen.

Bei den MIP- (Memory-In-Pixel-)Displays handelt es sich um eine spezielle TFT-LCD-Technik mit einer einfachen Struktur aus Flüssigkristall, Glas, Polarisator und FPC-Farbfilter. Sie wurde speziell für sehr geringe Leistungsaufnahmen entwickelt. Die Technik basiert auf Low Temperature Poly Silicon (LTPS), bei dem jedes einzelne Pixel adressierbar ist. Technisch betrachtet wird bei Memory-In-Pixel-Displays jedem einzelnen Pixel ein eigenes statisches RAM (SRAM) als Speicherzelle zugeordnet.

MIP-Displays punkten beim Energieverbrauch

Bei einer TFT-Anzeige wird das dargestellte Bild etwa 60 Mal pro Sekunde elektronisch aufgefrischt. Dazu ist ein relativ hoher Energieaufwand notwendig. Anders bei einem MIP-Display. Hier werden die Informationen durch eine spezielle Kombination von Transistor- und Speicherkapazität so lange gehalten, bis sie überschrieben werden. Darüber hinaus reflektieren MIP-Displays sehr stark. Im Vergleich zu einer TFT-Anzeige ist eine zusätzliche Hintergrundbeleuchtung nicht notwendig, die mehr Energie benötigt.

So unterschiedlich wie die Low-Power-Displays sind, genauso verschieden sind ihre Vorteile und Einsatzmöglichkeiten. So eignen sich die MIP-Displays sehr gut für eine netzunabhängige Stromversorgung. Damit kommen sie für batteriebetriebene Applikationen oder für Geräte infrage, die über Solarzellen oder per Energy Harvesting mit Energie versorgt werden. Gegenüber herkömmlichen LC-Displays lassen sich bei MIP-Displays rund 80 Prozent der Energie einsparen. Zeigt das MIP ein Standbild an und ist damit keine permanente Datenübertragung oder -aktualisierung erforderlich, sinkt der Stromverbrauch noch einmal um 19 Prozent.

Somit verbrauchen die reflektiven MIP-Displays lediglich 0,5 bis ein Prozent der Energie, die ein vergleichbares Standard-TFT benötigt. Der niedrige Stromverbrauch bedeutet, dass die Displays lange Zeit im Akku- oder Batteriebetrieb genutzt werden können, ohne häufige Ladezyklen oder einen Batterietausch.

Zudem haben sie dank der aktuellen LTPS-Technik einen schmalen Rahmen von 1,2 bis 2,2 mm. Zum Vergleich: Ein 1,28''-Display misst eine Gesamtdicke von 0,8 bis 1,4 mm. Für MIP-Displays sind nur Displays mit kleinen Diagonalen sinnvoll, beginnend bei 1 bis 4,4''. Der Anwender hat die Wahl zwischen schwarz-weiß oder bis zu 262k Farben. Außerdem gibt es die Wahl zwischen runden und quadratischen Formen.

Energie sparende Displays sind vor allem für mobile Geräte (Wearables) interessant. Sie kommen beispielsweise in medizinischen Geräten zum Einsatz.
Energie sparende Displays sind vor allem für mobile Geräte (Wearables) interessant. Sie kommen beispielsweise in medizinischen Geräten zum Einsatz.
(Bild: Data Modul)

Die Schnittstelle eines MIPs ist vergleichsweise einfach gestaltet, da das Display nicht permanent mit den Bilddaten beschrieben werden muss. Eine serielle Datenübertragung ist ausreichend, sodass leistungsschwache Prozessoren für die Ansteuerung genügen. Die Reaktionszeiten liegen auf dem Niveau vergleichbarer Standard-TFTs. Einbußen bei der Darstellung sind nicht zu befürchten.

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Eingesetzt werden MIPs meist in Wearables wie Smartwatches, aber auch in tragbaren medizinischen Geräten wie Blutdruckmessgeräten, mobilen Navigationsdisplays oder in Displays der Gebäudeautomation und Preisschilder in Supermärkten.

Die E-Ink-Technik ist energiesparend und dünn

E-Paper-Displays benötigen immer nur dann Energie, wenn sich ihr Inhalt ändert. Außerdem bietet die E-Paper-Technik einen hohen Kontrast ähnlich wie ein Blatt Papier.
E-Paper-Displays benötigen immer nur dann Energie, wenn sich ihr Inhalt ändert. Außerdem bietet die E-Paper-Technik einen hohen Kontrast ähnlich wie ein Blatt Papier.
(Bild: Data Modul)

Die E-Paper-Displays enthalten Mikrokapseln mit einem mittleren Durchmesser von ungefähr 40 µm, welche positiv geladene weiße Partikel und negativ geladene schwarze Partikel in einem transparenten zäh flüssigen Polymer enthalten. Farbige E-Paper-Displays sind entweder mit farbigen Partikeln ausgestattet oder basieren auf schwarz-weißen Mikrokapselpartikeln mit vorgelagerten Farbfiltern.

Durch einmaliges, kurzzeitiges Anlegen einer elektrischen Spannung verändert sich die Ausrichtung der Partikel und ermöglicht so unterschiedliche Darstellungen. Die Ausrichtung der Kapseln und somit der jeweilige Inhalt bleiben dann bis zu mehreren Wochen lang stabil. Durch erneutes Anlegen einer Spannung kann der Inhalt wieder geändert werden. Angesteuert werden die Bildpunkte bei einem E-Paper-Display mithilfe passiver transparenter Elektroden über ein SPI-Interface.

Das E-Paper-Display im Einsatz

Die E-Paper-Displays sind sparsam, denn das Display benötigt nur dann Energie, wenn sich der Bildinhalt ändert. Außerdem lassen sich E-Paper-Displays selbst in sehr hellen Umgebungen sehr gut ablesen. Sie besitzen ein Kontrastverhältnis, das dem eines bedruckten Blatts weißem Papier gleicht.

Mit einer Dicke von einem Millimeter sind E-Paper-Displays sehr dünn und man kann sie in kompakte Anwendungen verbauen. Neben der üblichen schwarzen und weißen Variante sind Varianten mit bis zu 4.096 Farben möglich.

Damit eignen sich E-Paper-Displays für ganz unterschiedliche Anwendungen: Das beginnt vom Logistik-Tag, über Digital-Signage-Anwendungen, wie Hinweisschilder oder Wegweiser, bis hin zu elektronischen Preisschildern oder Etiketten in Supermärkten. Im Einzelhandel kann mithilfe der elektronischen Preisauszeichnung erheblich Zeit eingespart werden.

Über ein zentral gesteuertes Content-Management-System lassen sich die Preisschilder bestimmter Waren jederzeit elektronisch und ohne Zeitverlust anpassen oder ändern. Der aufwendige manuelle Austausch entfällt. Für die einfache Integration in ein System stehen serielle und parallele Schnittstellen zur Verfügung.

Verschiedene, energiesparende TFT-Varianten

Neben den alternativen Techniken wie E-Paper und MIP gibt es verschiedene TFT-Varianten mit geringerem Strombedarf im Vergleich zu herkömmlichen TFT Displays. Die reflective TFTs lassen sich bei Licht ablesen wie Papier, da sie ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen und zudem spezielle ICs verwenden.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen TFT-LC-Display werden bei dieser Variante hochreflektierende Silberelektroden verwendet, die das Umgebungslicht als Lichtquelle nutzbar machen und so in Kombination mit den speziellen ICs ein Maximum an Strom einsparen können. Durch den Wegfall der Hintergrundbeleuchtung reduziert sich zudem die Wärmeentwicklung und damit auch die Anzahl der benötigten Lüfter, was zusätzlich Energie spart.

Transflective TFTs im Freien

Eine weitere Möglichkeit sind transflective TFTs. Sie sind mit einem Front- und Backlight ausgestattet und lassen sich so auch nachts sehr gut ablesen. Eine zusätzliche Solarzelle oder ein Akku sorgen für die notwendige Energie.

Die transflective TFTs haben den Vorteil, dass sie sich sehr gut ablesen lassen. Im Freien passen sie die Helligkeit des Backlights dynamisch an. Zudem weisen sie eine hohe Reaktionszeit auf, wodurch schnelle, dynamische Inhalte ohne Qualitätsverlust angezeigt werden können.

Dank der patentierten Blanview-Technik hat man die Ablesbarkeit im Freien und bei direktem Sonnenlicht verbessert. Gleichzeitig ließ sich der Stromverbrauch senken. Blanview-Displays basieren nicht auf reflektierenden Elektroden, sondern verwenden eine integrierte reflektierende Schicht, die den Lichtweg der Hintergrundbeleuchtung nicht blockiert. Dadurch funktioniert die Reflexion bei gleichbleibender Transmission.

Patentierte Blanview-Technik

Dank der patentierten Blanview-Technik hat man die Ablesbarkeit im Freien und bei direktem Sonnenlicht verbessert. Gleichzeitig ließ sich der Stromverbrauch senken. Blanview-Displays basieren nicht auf reflektierenden Elektroden, sondern verwenden eine integrierte reflektierende Schicht, die den Lichtweg der Hintergrundbeleuchtung nicht blockiert. Dadurch funktioniert die Reflexion bei gleichbleibender Transmission.

Displays mit der patentierten Blanview-Technik eignen sich dazu, dauerhaft bei direktem Sonnenlicht verwendet zu werden. Sie erreichen auch bei hellen Umgebungen hervorragende Kontrastwerte. Die Anzeigequalität bleibt dank der eingebauten Hintergrundbeleuchtung durchgängig stabil und ist nicht vom Umgebungslicht abhängig, wie es zum Beispiel bei reflektiven oder transmissiven TFTs der Fall ist.

Ein besonderes Highlight der Technik ist der geringe Strombedarf, der um bis zu 70 Prozent niedriger ist als bei herkömmlichen TFT-Displays. Dabei wird weniger Wärme erzeugt und gleichzeitig weniger Energie für die Kühlung benötigt.

Dank des geringen Stromverbrauchs bei gleichzeitig hoher Bildqualität eignen sich Blanview-Displays für ganz unterschiedliche Applikationen im Freien oder in Gebäuden mit hellen Umgebungslichtsituationen. Sie lassen sich für mobile Endgeräte wie beispielsweise Funkgeräten, Fernsteuerungen, Messgeräte und andere Bedienterminals einsetzen. Bei den verfügbaren Schnittstellen gibt es die gängigen LVDS- und MPU/CPU-Schnittstellen. Blanview unterstützt auch RGB- und MIPI-Schnittstellen.

Fazit: Energie sparen bei den Displays

Displays mit der patentierten Blanview-Technik lassen sich dauerhaft bei direktem Sonnenlicht verwenden. Sie erreichen selbst bei sehr hellen Umgebungen noch gute Kontrastwerte. Die Qualität der Anzeige bleibt dank der eingebauten Hintergrundbeleuchtung durchgängig stabil und ist nicht vom Umgebungslicht abhängig, wie es zum Beispiel bei reflektiven oder transmissiven TFTs der Fall ist.

Ein besonderer Vorteil der Blanview-Technik ist der geringe Strombedarf, der um bis zu 70 Prozent niedriger ist als bei herkömmlichen TFT-Displays. Dabei wird weniger Wärme erzeugt und gleichzeitig weniger Energie für die Kühlung benötigt.

Dank des geringen Stromverbrauchs und einer gleichzeitig hohen Bildqualität, eignen sich Blanview-Displays für ganz unterschiedliche Applikationen im Freien oder in Gebäuden mit hellen Umgebungslichtsituationen. Sie lassen sich unter anderem für mobile Endgeräte wie Funkgeräte, Fernsteuerungen, Messgeräte und andere Bedienterminals einsetzen.

Bei den Schnittstellen gibt es die gängigen Vertreter LVDS und MPU/CPU. Blanview unterstützt zudem RGB- und MIPI-Schnittstellen.

* Peter Jendros ist Produkt Manager bei der Display-Divison von Data Modul in München.

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