Die Display-Technologien von Consumer-Produkten weisen die Richtung auch für industrielle Anwendungen.

Die Display-Technologien von Consumer-Produkten weisen die Richtung auch für industrielle Anwendungen. Densitron

Bei Wearables geht es nicht nur um tragbare, sondern anziehbare elektronische Produkte. Auch die Display- und Touch-Branche sieht hier erhebliches Potenzial und investiert dementsprechend in passende Lösungen. Neben den Anbietern von diversen Consumer-Anwendungen können auch Hersteller von wertigen, professionellen Produkten von den neuen Technologien profitieren.

ECKDATEN

Der Markt für Displays ist immens und die technologischen Entwicklungen für Displays im Consumer-Bereich finden zunehmend auch Interesse für industrielle Anwendungen. Vom E-Paper bis zum Active-Matrix-OLED und Touchscreens in PCAP-Technologie reichen die Anwendungsmöglichkeiten und deuten auf eine wahre Display-Revolution hin.

Neben dem möglichst niedrigen Energieverbrauch steht das optische Design gerade bei Consumer-Anwendungen ganz oben auf der Prioritätenliste. Die Nachfrage nach ultra-dünnen, kompakten, vielleicht sogar flexiblen oder transparenten Displays, die sich beispielsweise nahtlos an die Form eines Armbands anpassen, steigt. Sehr interessant aus der Perspektive von Industriekunden sind die immer häufiger angebotenen kleinen, hochauflösenden, teilweise runden und sehr dünnen Displays, die ursprünglich für den Wearable-Sektor entwickelt wurden.

E-Paper für Low-Power-Anwendungen

Wenn eine monochrome Darstellung genügt, vorwiegend statische Bildinhalte vorliegen und das Umgebungslicht hell genug für eine gute Ablesbarkeit ist, gibt es Anwendungen für E-Paper-Displays. Dank Powerless Image Retain bleibt dabei ein statisches Bild stromlos auf der Anzeige stehen. Durch hervorragende reflexive Eigenschaften ist E-Paper besser lesbar als jede andere rein reflexive Displaytechnologie. Normalerweise sind E-Paper-Displays (EPDs) nur rund 1,4 mm dick, teilweise sogar dünner, wobei die Flächennutzung und Pixeldichte ähnlich ist wie bei TFTs. Der Traum einer papier- oder textilähnlichen Flexibilität ist vermutlich bei E-Paper oder auch OLED am ehesten realisierbar.

Ein E-Paper-Display zeigt ein statisches Bild dank Powerless Image Retain auch im stromlosen Zustand an.

Ein E-Paper-Display zeigt ein statisches Bild dank Powerless Image Retain auch im stromlosen Zustand an. Densitron

Nachteilig bei E-Paper sind die nur monochrome oder bestenfalls begrenzt farbige Darstellung und der träge Bildwechsel, der zudem viel Strom benötigt. E-Paper ist somit für Uhrzeit-Anzeigen ungeeignet und für kurzzeitige Animationen nur bedingt verwendbar. Eine Hintergrundbeleuchtung, zum Beispiel bei Nacht, setzt eine aufwendige Front-Beleuchtung wie bei den bekannten E-Readern voraus.

E-Paper eignet sich also durchaus für Wearables, die beispielsweise Messdaten langfristig aufnehmen, speichern und anzeigen und oft im Freien verwendet werden. Medizinische Messgeräte für professionelle Sportler oder Home-Care-Patienten, wo der normale Fitness-Tracker nicht ausreicht, sind ebenfalls mögliche Kandidaten.

TFT-Displays bleiben eine attraktive Wahl

Wie in anderen Industrieanwendungen setzen sich TFT-Displays auch bei Wearables durch. Vor allem dort, wo man eine hochauflösende, farbige Anzeige benötigt, um bewegte Bilder wie Filme und Animationen darzustellen. Preislich haben die TFTs die Nase vorne, in erster Linie wegen der dominanten Marktposition im Consumer-Bereich.

Transmissive Displays, also Displays, die von der LED-Hintergrundbeleuchtung abhängig sind, sind hier die bevorzugte Wahl. Sie stellen Farben gut dar und bieten einen hohen Kontrast, solange das Umgebungslicht – beispielsweise das Sonnenlicht – nicht zu hell ist. Für Wearables ist das leider nur bedingt gut, denn sie kommen oft im Freien zum Einsatz, und eine helle Hintergrundbeleuchtung erhöht den Energieverbrauch.

Optimal wären reflexive oder transflexive Displays, die das Umgebungslicht mittels Trans- beziehungsweise Reflexionsfolie nutzen und dadurch auf eine helle Beleuchtung verzichten können. Die Auswahl derartiger Produkte ist derzeit noch sehr begrenzt, weil die Technik grundsätzlich teurer ist. Auch optisch sind sie im Nachteil, zumindest solange man die Produkte im Laden testet, denn der Reflektor dämpft die Hintergrundbeleuchtung, sodass die Anzeige unter normalen Bedingungen wenig brillant erscheint. Erst im Freien wird ihr Vorteil offensichtlich.

TFTs verbrauchen immer Strom, solange Sie in Betrieb sind. Daher schaltet man das Display aus, wenn es nicht aktiv verwendet wird. Dennoch ist die Laufzeit von Batterie oder Akku solcher Geräte begrenzt, je nach Anwendungsfall zwischen einem Tag und mehreren Wochen. Vorteilhaft ist die gute Farbwiedergabe, und TFT-Displays können komplexe Bildinhalte auf kleinsten Raum darstellen. Sind winzige Menüführungen oder scharfe, farbige Bilder in einer Anwendung gefordert, ist man mit einem kompakten TFT gut beraten.

Durch den wachsenden Wearables-Markt werden TFTs unter 2,4 Zoll auch für Industriekunden besser verfügbar und zunehmend erschwinglicher. Formate wie 1,44, 1,77 und 2,0 Zoll sind mittlerweile etablierte Industriegrößen und dadurch auch langfristig verfügbar.

Passive-Matrix-OLEDs ermöglichen kontrastreiche Farbdisplays in äußerst dünnen Ausführungen.

Passive-Matrix-OLEDs ermöglichen kontrastreiche Farbdisplays in äußerst dünnen Ausführungen. Densitron

PMOLEDs auch in kreisrunder Ausführung

Für Wearables eignen sich auch die PMOLEDs (Passive-Matrix-OLED). Sie sind dünn, kompakt und sehr kontrastreich, da sie selbstleuchtend sind. Bilddiagonalen unter 1,0 Zoll sind bei PMOLEDs gängig, weil sich auf einer kleinen Fläche gut lesbare Inhalte anzeigen lassen. Auch beim Stromsparen überzeugen PMOLEDs. Der Stromverbrauch hängt von der Zahl der tatsächlich angesteuerten Pixel und nicht von der Anzeigefläche ab. In den meisten Benutzeroberflächendesigns sind höchstens 30 % der Pixel aktiviert. Ein OLED benötigt bei optimalem GUI-Design mit schwarzem Hintergrund und negativer Darstellung sehr wenig Strom und ist dabei gut lesbar. PMOLEDs ersetzen inzwischen auch wegen ihrer hohen Pixeldichte die einfachen LED-Anzeigen in Fitness-Armbändern und Uhren.

In professionellen Anwendungen kommen PMOLEDs bereits in Insulinpumpen, Taucherausrüstungen und anderen tragbaren Anwendungen zum Einsatz. Auch hier gibt es Displays in kreisrunder Form, beispielsweise das 1,07-Zoll-PMOLED von Densitron, das in erster Linie für den Smart-Watch-Bereich entwickelt wurde. Die üblichen Einwände gegen OLED wie Lebensdauer und die Tendenz zum Einbrennen sind bei Wearables kein Problem, da die Anzeige meist nicht länger als ein paar Minuten am Stück leuchten muss. So reichen auch 15 K Stunden (weiß) für jahrelangen zuverlässigen Betrieb.

PMOLEDS sind dünn, kompakt, sehr kontrastreich und auch in kreisrunden Ausführungen erhältlich. Sie können Inhalte auf kleinstmöglicher Fläche gestochen scharf darstellen.

PMOLEDS sind dünn, kompakt, sehr kontrastreich und auch in kreisrunden Ausführungen erhältlich. Sie können Inhalte auf kleinstmöglicher Fläche gestochen scharf darstellen. Densitron

Transparente und ultra-dünne PMOLEDs

Derzeit erreichen erste Prototypen durchsichtiger PMOLEDs eine Transparenz von 40 %. Experten vermuten, dass 60 % Transparenz schon Ende 2016 realisierbar sein werden. OLEDs werden immer dünner, daher beeindruckt das oben erwähnte runde Display nicht nur durch seine Form, sondern durch eine Dicke von nur 1 mm. In den nächsten Jahren sollen sogar 0,3 mm technisch möglich sein, sobald man die Displays auf Basis von hauchdünnen Glassubstraten fertigt. Diese Substrate sind flexibel und brechen nur bei extremen Knickversuchen. Bevor sie allerdings auf den Markt kommen, sind noch die langfristige Zellendichtigkeit und Bruchsicherheit der Leitungen sicherzustellen. Produkt- und Modedesigner können daher schon bald mit den ersten biegbaren oder flexiblen OLEDs interessante Produkte entwickeln.

Zusammenarbeit mit TI beim PMP9792-Referenz-Design

Texas Instruments in Freising hat das Referenz-Design der neuesten Wearable System-Solutions um ein kleines OLED von Densitron ergänzt. Das Referenz-Board PMP9792 beinhaltet neben dem sehr kleinen Multi-Rail-DC/DC-Converter TPS62770 auch Chips aus dem Bereich Data Acquisition, Ultra-low-power-Wireless-MCUs und FRAM-Mikrocontroller. Mit dem Board lässt sich das monochrome 1,3-Zoll-PMOLED DD-12864WE-10A effizient mit Spannung versorgen. Fast jedes andere PMOLED, allen voran die runde 1,7-Zoll-Ausführung, passen genauso gut in das Design.

TI ist auch im Bereich E-Paper sehr involviert. Die Densitron Evaluation-Kits für EPDs von 1,44 bis 2,7 Zoll basieren auf dem TI-Launchpad MSP430, die optimale Plattform, um kompakte E-Paper-Displays besser kennen zu lernen.

Ein kleines OLED von Densitron ergänzt das Referenz-Design der Wearable-System-Solutions von Texas Instruments.

Ein kleines OLED von Densitron ergänzt das Referenz-Design der Wearable-System-Solutions von Texas Instruments. Densitron

AMOLED – Technologie mit viel Potenzial

Wo PMOLEDs an ihre Grenzen stoßen, geht man zumeist zu TFTs oder AMOLED (Active Matrix OLED) über. Ein TFT-ähnliches Substrat übernimmt die Direkt-Ansteuerung der Pixel, sodass größere Formate und deutlich höhere Auflösungen als bei PMOLED möglich sind. Bei Wearables geht es in erster Linie um hohe PPI-Raten (Pixels per Inch), die ein scharfes und leicht zu lesendes Display ermöglichen. Die großen Anbieter von komplexen Smart-Watches setzen daher auf AMOLEDs, da sich damit PC-ähnliche Inhalte auf kleinsten Raum anzeigen lassen. Außerdem können AMOLEDs dünner als TFT-Displays sein, da sie keine Hintergrundbeleuchtung benötigen, und sie eignen sich auch für flexible Displays, denn im Gegensatz zu TFT/LCD muss man keine konstante Schichtdicke (Cell-Gap) einhalten.

Obwohl AMOLEDs große optische Vorteile gegenüber vergleichbaren TFTs bieten, wie höhere Kontrast- und Blickwinkelwerte und satte Farben, sind sie für Industriekunden derzeit schlecht verfügbar und daher bedingt empfehlenswert. Am Markt verfügbare Produkte sind oft Restposten, die in der Regel bereits abgekündigt und von Nachfolgern abgelöst wurden. Auch sind vergleichbare TFTs gegenüber AMOLEDs kostengünstiger. Dieser Rückstand könnte sich im Zeitraum 2017 bis 2018 rasch aufholen lassen, sobald die Hersteller den Industriemarkt ins Visier nehmen und größere Produktionsmengen und ein erhöhter Wettbewerb den Preis drücken. Auch wegen des einfachen Aufbaus müssten AMOLEDs deutlich günstiger herzustellen sein als TFTs.

Touchscreens in PCAP-Technologie

Viele Industriekunden wünschen sich Touchscreens auf immer kleineren Displays, so wie man es von der Smart-Watch kennt. Kapazitive Touch-Lösungen mit 1- bis 2-Zoll-Format sind technisch realisierbar, auch für Industrieanwendungen. Die geringe Bilddiagonale lässt jedoch kaum mehr als eine einfache Gestensteuerung zu. Realisierbar sind die Ein-/Aus-Funktion und grobe Tasten, jedoch nicht aus technischen Gründen, sondern weil die menschliche Bedienung zur Herausforderung wird. Erfahrungsgemäß ist ein PCAP-Touch mit voller Funktionalität in Kombination mit einem TFT oder AMOLED ab etwa 2,4 Zoll sinnvoll. Dennoch kommen immer mehr kleine PMOLEDs mit Touch-Option auf den Markt, denn ein PCAP lässt sich sehr ästhetisch in das Produktdesign integrieren, vor allem in Kombination mit einer kundenspezifischen Deko-Abdeckung. Sinnvoll ist ein PCAP in jedem Fall dort, wo es separate Druckknöpfe vollständig ersetzt oder überflüssig macht und somit ein größeres Display bei gleichen Gerätemaßen ermöglicht.

Durch die steigenden Fertigungskapazitäten in Fernost sinken die Stückkosten und die Mindestabnahmemengen. Dennoch tendieren Lieferanten im Industriesektor zu den ertragsreicheren großen Diagonalen ab 3,5 Zoll. Bei kleineren Touchscreens wird eine ausreichend große Stückzahl vorausgesetzt. Standard-Touch-Displays, wie sie Densitron ab dem vierten Quartal auf 3,12-Zoll-OLED-Basis anbieten wird, können dann die zunehmende Nachfrage nach kleinen Touchscreen erfüllen.

Was die Zukunft bei den Display-Technologien noch bringen wird, ist extrem spannend. Displays, die man wirklich wie ein Kleidungsstück tragen kann, sind noch keine bezahlbare Realität, aber man kann mittlerweile sehen, dass die Reise dorthin geht. Die Display-Revolution kommt, und es bleibt spannend.