Lexikon

Elektronisches Papier

„Immer leichter, immer schmaler, immer preisgünstiger" lautet die Devise in der aktuellen Displayforschung. Neue Technologien aus diesem Bereich können sich darüber hinaus zusätzlich durch vielfältige Einsatzmöglichkeiten auszeichnen.

Die Ursprünge der Entwicklung des elektronischen Papiers liegen in der Displayforschung. Hier entstand bereits in den 1970er Jahren die Idee des elektronischen Papiers, denn die damaligen Displays zeichneten sich nicht durch ergonomische Vorteile oder gar gute Lesbarkeit aus. Der Gedanke, ein elektronisches Papier zu nutzen, hatte also besonderen Charme. Insbesondere die erfolgreiche Übertragung der typischen Charakteristika von traditionellem Papier – hohe Kontrastwerte, Unabhängigkeit vom Lichteinfallwinkel, Lesbarkeit auch bei ungünstigen Blickwinkeln sowie geringer Stromverbrauch – lassen das elektronische Papier als Bindeglied zwischen der Welt der elektronischen Informationen und der, in der zu Lesendes klassisch auf Papier gedruckt wird, erscheinen.

Elektronische Tinte

Nicholas K. Sheridon, seinerzeit noch Mitarbeiter im Xerox Palo Alto Research Center (PARC), gründete zur weiteren Erforschung der Grundidee 1998 die Firma Gyricon Media als Spinoff von Xerox. Neben Gyricon Media forscht E Ink als Spinoff des Massachusetts Institute of Technology (MIT)an einer vergleichbaren Technologie.

Ergebnis dieser Forschungstätigkeiten sind zwei unterschiedliche Ausprägungen der elektronischen Tinte, auf der letztlich das elektronische Papier basiert. Abbildung 1 bietet eine Gegenüberstellung der verschiedenen Technologien.

Die E-Ink-Technologie verwendet zur Darstellung eines Bildpunkts eine etwa haardünne Mikrokapsel. In diesen Kapseln sind positiv oder negativ geladene Partikel in einer öligen Flüssigkeit eingelagert. Zwischen zwei transparenten Kunststoffelektroden in Form eines Folienfilms wird eine große Anzahl dieser Mikrokapseln angeordnet. Die Anordnung der Kapseln ermöglicht eine Ansteuerung einzelner Bildpunkte über die Elektroden. Wird über die innere Elektrode ein elektrisch positives Feld angelegt, bewegen sich die weißen Partikel in Richtung Oberfläche der Mikrokapsel. Gleichzeitig wird über die äußere, transparente Elektrode ein negatives Feld angelegt, was die schwarzen Partikel nach innen bewegt und sie damit nichtsichtbar macht. Analog wird ein schwarzer Bildpunkt erzeugt.

Im Unterschied zu E Ink verwendet die Gyricon-Technologie zweifarbige Kügelchen, die einen elektrischen Dipol aufweisen. Die Kügelchen werden in einer dünnen, transparenten und flexiblen Kunststofffolie in Aushöhlungen gelagert, wo sie sich in einer Flüssigkeit drehen können. Analog zum elektronischen Papier von E Ink wird über Elektroden die farbige Ausrichtung der Partikel erzielt.

Im März 2003 präsentierte Siemens eine eigene Initiative zur Entwicklung eines elektronischen Papiers, basierend auf dem Einsatz elektrochromer Moleküle. Diese verändern ihre Färbung, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Der Kern dieser Displays besteht ebenfalls aus einer Folie, in die Elektroden eingeprägt sind. Über eine Steuerungselektronik werden abwechselnd bestimmte Teile durch Anlegen einer elektrischen Spannung aktiviert, um Bilder und Zeichen sichtbar zu machen.

Allen drei Ansätzen gemein ist die Nutzung der bistabilen Eigenschaft der benutzten Farbpigmente, d.h., eine Spannung muss lediglich zur Änderung eines Bildes angelegt werden. Anschließend hält das Material diesen Zustand bei, sodass ohne weiteren Stromverbrauch das einmal erzeugte Bild weiter angezeigt wird. Das anzuzeigende Bild kann mittels geeigneter Treiber sowie einem an das elektronische Papier angepassten Controller zur Darstellung gelangen. So können z.B. pdf-Dateien oder Bilddateien auf elektronischem Papier dargestellt werden.

Materialcharakteristika des elektronischen Papiers

Das elektronische Papier basiert auf diesen grundlegenden Technologien. Den drei Ansätzen gemein sind die Vorteile, die sie für den Einsatz als Display und insbesondere als elektronisches Papier geeignet erscheinen lassen:

  • Als Trägermaterialien der elektronischen Tinte kommen viele Materialien in Frage, z.B. Kunststoff, Metall usw. Dies gewährleistet eine hohe Anwendungsbreite, wobei sich Kunststoffe als Trägermaterial beim elektronischen Papier durchzusetzen scheinen. Dafür spricht die hohe Robustheit und Flexibilität der gewählten Kunststoffe.
  • Insbesondere im Vergleich zu Alternativtechnologien aus dem Bereich der Displayforschung (z.B. OLED, TFT, LCD) bestehen produktionstechnische Vorteile und gelangen kostengünstigere Materialien zum Einsatz.
  • Das Gewicht der Kunststoffe, die als Trägermaterial dienen, ist relativ niedrig.
  • Der Stromverbrauch ist aufgrund der bistabilen Eigenschaft der elektronischen Tinte sehr gering. Lediglich um eine Bildänderung herbeizuführen, muss eine Spannung angelegt werden. Dies führt dazu, dass für den Einsatz in mobilen Endgeräten kleine und leichte Stromversorgungseinheiten verwendet werden können.
  • Die Lesbarkeit des Displays (Reflexion, Kontrast, möglicher Betrachtungswinkel) ist teilweise erheblich besser als bei vergleichbaren Displaytechnologien.

Abhängig von der gewählten Einsatzart des elektronischen Papiers spielen die verschiedenen Vorteile eine unterschiedlich starke Rolle. Diese Materialcharakteristika ermöglichen gleichzeitig eine Abgrenzung zu anderen Displaytechnologien.

Zu nennen sind hier insbesondere organische Leuchtdioden (OLEDs),die zwar ebenfalls durch eine geringe Dicke, niedriges Gewicht sowie niedrigen Stromverbrauch gekennzeichnet, aber nur eingeschränkt flexibel und zudem sehr empfindlich sind. Außerdem sind bistabile LCD-Displays zu nennen, die jedoch den Nachteil der schlechteren Lesbarkeit haben, da diese abhängig von Betrachtungswinkel und Lichteinfallwinkel ist.

Als ergonomisches Charakteristikum bleibt noch die Rollbarkeit des Materials zu nennen. Wenngleich physische Hindernisse derzeit eine Faltbarkeit des elektronischen Papiers unmöglich machen, so kann das Material derzeit bereits auf einen Durchmesser von 1,5 cm gerollt werden.

Weiterentwicklungen

Unabhängig von den genannten Vorteilen ist zu erwarten, dass die Materialforschung zukünftig höher auflösende, leichtere und dünnere Displays, die auf elektronischer Tinte basieren, hervorbringen wird. So ist E Ink eine Kooperation mit Toppan, einem Unternehmen aus der Druckbranche, eingegangen, um die Forschungen an farbigem elektronischen Papier weiter voran zu treiben. Mit Philips wurde eine Kooperation bei der Entwicklung des elektronischen Papiers für PDAs gestartet. Nach den anfänglichen, niedrig auflösenden Displays wird der Schritt über die Erhöhung der Auflösung bis hin zu farbigen und flexiblen Displays vollzogen.

Die Haltbarkeit des Materials wird derzeit von den entwickelnden Unternehmen mit 5 Millionen Bildwechseln bzw. 30.000 Einsatzstunden angegeben.

Anwendungsgebiete Siemens präsentierte als Anwendung seines elektronischen Papiers ein 10 ×10 cm großes, in einem Stift eingerolltes Display für die Oberfläche eines PDA. Eine ca. DIN-A4-große Folie diente zur Darstellung einer Zeitungsseite und einer Anzeigenseite.

Der Ansatz der beiden amerikanischen Unternehmen E Ink und Gyricon Media stammt aus dem Bereich der Werbetafeln in Kaufhäusern. Hier bietet elektronisches Papier eine kostengünstige Alternative zum Druck von Papierwerbetafeln. Daneben setzt die Vossloh System-Technik GmbH Anzeigetafeln, die auf elektronischer Tinte basieren, ein.

Displays, die auf elektronischem Papier basieren, können substituierend – als Ersatz für andere Displaytechnologien – oder in ganz neuen Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Substituierenden Charakter haben sie sowohl beim Einsatz in Handys, PDAs, bei Anzeigetafeln oder E-Books als auch in Autoradios, GPS-Systemen und vielen anderen elektronischen Geräten. Die Einführung eines mit elektronischer Tinte von E Ink ausgestatteten E-Books in Japan steht kurz bevor.

Mit dem elektronischen Papier eröffnen sich daneben völlig neue Anwendungsszenarien. Denkbar ist beispielsweise der Einsatz in Werbetafeln, Regalstoppern, bei der Preisauszeichnung in Supermärkten oder bei textilen Displays (z.B. die Armbanduhr auf dem Hemdärmel).Daneben eignet es sich als elektronisches Whiteboard, für den Automotive-Sektor (z.B. Anzeigen in Automobilen)und als Material für (hochwertige)Verpackungen.

Ein gänzlich neues Anwendungsfeld entsteht durch den Einsatz des elektronischen Papiers als elektronische Zeitung. Die Flexibilität des Materials, verbunden mit niedrigem Gewicht und geringem Stromverbrauch, ermöglicht es, ein neues mobiles Endgerät – die elektronische Zeitung – zu entwickeln. Verbunden mit den Möglichkeiten der aktuellen Funktechnologien wie beispielsweise UMTS oder WLAN bietet sich den Zeitungslesern eine neue mediale Welt, die auch unterwegs nutzbar ist. Der innovative Charakter einer elektronischen Zeitung spiegelt sich vor allem in der Konvergenz von ergonomisch gewohnt handhabbarer Zeitung und der Integration in die Welt der digitalen Medien wieder.

Eine Abgrenzung zur heute schon bekannten, jedoch nur wenig erfolgreichen Internetzeitung zeigt eine Designstudie von IBM aus dem Jahr 1999.

Auch wenn hier noch nicht das elektronische Papier verwendet wurde (damals wurde lediglich eine Papierzeitung in einen Rahmen gespannt), so zeigen sich auf dem Bild doch zwei wesentliche Charakteristika einer Zeitung: Sie lebt vom Ambiente, also beispielsweise dem ortsunabhängigen Lesen (vielleicht auch mit einer Tasse Kaffee), und vom Gefühl, ein papierähnliches Medium in Händen zu halten.

Vielleicht steht daher mit Marktreife des (flexiblen und farbigen)elektronischen Papiers ein Anwärter für eine Anwendung in UMTS-Netzen in den Startblöcken. Angekündigt ist die Marktreife des Materials für das Jahr 2004/2005.Dann lassen sich auch die weiteren Potenziale der elektronischen Zeitung nutzen: Dazu zählen insbesondere die laufende Aktualisierbarkeit sowie die Personalisierbarkeit der Inhalte, Werbung und Anzeigen.

Literatur

  1. Battey, J.: Electronic paper gets its bearing.
    http://staging.infoworld.com/articles/hn/xml/
    01/04/16/010416hnetrend.xml ?Template=/storypages/ printfriendly.html
     (Abruf am 08.09.2002)
  2. Deussen, N.: Das Buch der Zukunft. In: Mobil 11, 46–47 (2001)
  3. Dienna, S./IBM: Electronic newspapers. Interactive Services 2000 Conference (2000), Konferenzvortrag.
  4. Ditlea, S.: The electronic paper chase.
    http://www.sciam.com/article.cfm
    ?articleID=0004C2D2-B938–1CD6B4A8809EC588EEDF
    &pageNumber=1&catID=2
     (Abruf am 31.03.2003)
  5. E Ink: Technology.
    http://www.eink.com/technology/index.html (Abruf am 31.03.2003)
  6. Gyricon Media: SmartPaper FAQ.
    http://www.gyriconmedia.com/smartpaper/faq.asp (Abruf am 31.03.2003)
  7. IDSA (Industrial Designers Society of America): IBM electronic newspaper.
    http://www.idsa.org/whatis/seewhat/idea99/winners/epaper.htm (Abruf am 31.03.2003)
  8. Schryen, G., Karla, J.: Elektronisches Papier - Displaytechnologie mit weitem Anwendungsspektrum. In: Wirtschaftsinformatik 6, 567–574 (2002)
  9. Siemens: Siemens Innovationen paperlike display.
    http://www.siemens.com/ index.jsp?sdc_rh=null&sdc_flags=null&sdc_sectionid=0&sdc_secnavid= 0&sdc_3dnvlstid=&sdc_countryid=0&sdc_mpid=0&sdc_unitid=999&sdc_ conttype=2&sdc_contentid=1060936&sdc_langid=0& (Abruf am 31.03.2003)

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Autor und Copyright

Dipl.-Kfm. J. Karla 
Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik und Operations Research, 
RWTH Aachen, 
Templergraben 64, 
52056 Aachen E-Mail: karla@winfor.rwth-aachen.de 
karla@winfor.rwth-aachen.de

DOI 10.1007/s00287-003-0333-1
© 2003 Informatik Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg