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Bild 1: Querschnitt eines E-Paper-Displays. (Bild: Pervasive Displays)

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Bild 1: Querschnitt eines E-Paper-Displays. Pervasive Displays

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Bild 2: Details des Frontplane-Laminats (FPL) eines E-Paper-Displays. Pervasive Displays

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Bild 3: Schlechte Materialien können zu Oberflächendefekten in E-Paper-Displays führen. Pervasive Displays

Viele Display-Techniken gelten heute als ausgereift und relativ standardisiert. Dazu zählen LCD, LED und sogar OLED. Im Gegensatz zu E-Papern ist jedoch keine dieser Standard-Display-Techniken als echter Ersatz für Papier gedacht. Und genau das ist für den Aufbau von E-Papern von grundlegender Bedeutung und bringt einige besondere Herausforderungen mit sich. Bei E-Papern handelt es sich weniger um eine Display-Technik als vielmehr um eine elektrophysikalische Anwendung.

Als echter Ersatz für Papier erwarten Anwender von E-Papern auch, dass sie in jeder Anwendung funktionieren, in der normalerweise Papier zum Einsatz käme. Dies steht im Gegensatz zur LED- oder LCD-Technik. Aus diesen Technologien hergestellte Displays sind normalerweise für den Einsatz im kommerziellen Temperaturbereich von 0 bis +70 °C ausgelegt. Displays, die für den anspruchsvolleren industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C qualifiziert sind, bieten in der Regel weniger Anpassungsmöglichkeiten, sind meist teurer und erfordern einen gewissen Schutz vor den rauen Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel größere Gehäuse.

Kundenspezifisches E-Paper-Format

Im Gegensatz dazu werden E-Paper-Displays häufig in einem kundenspezifischen Format geliefert, das den Betrieb über einen erweiterten Temperaturbereich miteinschließt. Zudem neigen Anwender meist dazu, weniger Kompromisse bei den Betriebsbedingungen einzugehen. Daher müssen Anbieter von E-Paper-Displays ihr Design als skalierbare, ganzheitliche Lösung betrachten, die unter allen Umgebungsbedingungen, denen Papier ausgesetzt sein könnte, funktioniert. Dies stellt erhebliche Anforderungen an die verwendeten Materialien und Prozesse. Pervasive Displays hat viele Jahre Erfahrung auf diesem Gebiet und hat die mit der Herstellung von E-Paper-Displays verbundene Forschung vorangetrieben.

Materialwissenschaft für E-Paper-Displays

Der Querschnitt eines E-Paper-Displays ist in Bild 1 dargestellt. Während das TFT-Substrat einem herkömmlichen Display ähnelt, sind der E-Ink-Film, der Kantenkleber und die Schutzfolie einzigartig für E-Paper-Displays. Zusammen bilden diese Materialien das Frontplane-Laminat (FPL). Bild 2 zeigt das FPL im Detail.

Während des Fertigungsprozesses wird das FPL über eine Walze, die die verschiedenen beteiligten Materialien presst und verdichtet, physikalisch am TFT-Substrat befestigt. Dabei werden mehrere Klebstoffe verwendet, die alle kritisch sind. So kommt Silberkleber zum Einsatz, um die Leitfähigkeit zwischen dem TFT-Substrat und der E-Ink sicherzustellen. Während des Walzprozesses wird der Silberkleber komprimiert. Hierbei kann es passieren, dass sich einige der Silberpartikel bewegen. Dies kann zur Bildung von Hohlräumen führen, die in Form von Vertiefungen oder Unregelmäßigkeiten auf dem Bildschirm sichtbar sind (Bild 3). Hat der Silberkleber keinen guten Kontakt und bilden sich Defekte, hat dies wiederum eine schlechte Bildqualität zur Folge.

Um dies zu umgehen, hat Pervasive Displays einen eigenen Silberkleber entwickelt, der die Silberpartikel in einer Paste suspendiert. Mit dieser Silberverbindung lassen sich Herstellungsfehler mindern. Es sind auch Designs mit zwei Silberpunkten möglich. Gegenüber einzelnen Silberpunkten besteht bei dieser Vorgehensweise ein geringeres Fehlerrisiko.

In ähnlicher Weise wurde auch der Klebstoff entwickelt, der zur Befestigung der Ränder der Schutzfolie an der Platte dient. Ziel war es, eine deutlich höhere Feuchtigkeitsbeständigkeit zu erzielen und die E-Paper-Displays unter variablen Betriebsbedingungen haltbarer zu machen. Der entwickelte Klebstoff ist sehr haltbar und schrumpft während der Aushärtungsphase nur sehr gering. So ergibt sich ein äußerst zuverlässiges und im Einsatz robustes Produkt. Dieser eigens entwickelte Dichtstoff für die Display-Kanten bietet eine mindestens 4,5-mal höhere Feuchtigkeitsbeständigkeit als gängige Klebstoffe.

E-Paper vor Umgebungseinflüssen schützen

Ein weiteres wichtiges Material für E-Paper-Displays ist die Schutzfolie. Das verwendete Material muss ein hohes Maß an optischer Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Lichtdurchlässigkeit bieten und gleichzeitig vor Umgebungseinflüssen schützen. Das entwickelte Schutzfolienmaterial bietet eine mindestens zehnmal höhere Feuchtigkeitsbeständigkeit als marktüblichen Materialien.

Durch diese Verbesserungen erhöht sich die optische Leistungsfähigkeit, da sich das Kontrastverhältnis für 2- und 3-farbige Produkte um 15 Prozent und der Farbindex für die 3-farbigen Produkte um 5 Prozent verbessern ließ. Auch spezielle Oberflächenbehandlungen wie 3H-Härte sind möglich, die dem Display eine höhere Beständigkeit gegen Chemikalien wie Alkohol, Aceton, Reinigungsmitteln und Parfums verleihen.

Für den Endanwender ist die Qualität der verwendeten Materialien weitgehend unsichtbar. Die Auswirkungen einer schlechten Materialauswahl sind es jedoch nicht. Sie werden im Laufe der Lebensdauer des Displays deutlich sichtbar. Um einen Ausfall im Feld zu vermeiden, ist es für die Nutzer von E-Paper-Displays wichtig zu wissen, dass nicht alle E-Paper-Displays in der gleichen Weise vergleichbar sind wie LED- und LCD-Displays. Es wird weiterhin daran geforscht, die Materialien stetig zu verbessern, die es ermöglichen, dass E-Paper ein echter Ersatz für Papier ist.

Alchin Wang

General Manager, Pervasive Displays

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