E-Paper aus photonischen Kristallen

Kanadische Forscher arbeiten an einem flexiblen elektronischen Papier mit vollem Farbspektrum. Der neuartige Bildschirm setzt sich aus so genannten photonischen Kristallen zusammen. Im Gegensatz zu ähnlichen Ansätzen aus dem aufstrebenden Forschungsfeld ist dies die erste Technologie, bei der jeder einzelne Bildpunkt (Pixel) eine gewünschte Farbe annehmen kann.

"Man erhält eine wesentlich hellere und intensivere Farbdarstellung", erläutertAndré Arsenault, Chemiker an der University of Toronto und Mitbegründer des Start-ups Opalux, das die Technologie nun vermarkten soll. Getauft wurde sie auf den Namen "P-Ink" – als "Tinte" aus photonischen Kristallen.

Elektronisches Papier, so genanntes E-Paper, wird bereits von mehreren Firmen produziert – etwa vom MIT-Spinoff E Ink oder dem französische Anbieter Nemoptic. E Ink verwendet einen Prozess, bei dem Bilder mit Hilfe elektronisch kontrollierter schwarzer und weißer Partikel innerhalb kleiner Mikrokapseln aufgebaut werden. Nemoptic setzt dagegen auf drehbare nematische Flüssigkristalle. Der Vorteil beider Bildschirme: Sie lassen sich auch im Hellen sehr gut ablesen und brauchen nur wenig Strom. Außerdem sind sie vergleichsweise dünn.

Während Darstellungsqualität und Kontrast bei schwarz-weißen E-Paper-Displays bereits fast echtem Papier gleich kommen, ließen sich Farbbilder bislang nur schwer herstellen, weil jeder Bildpunkt auf eine Primärfarbe beschränkt war. Um mehrere Farben zu zeigen, müssen die Primärfarben in Dreiergruppen zusammengefasst werden. Jedes Trio enthält also einen roten, grünen und einen blauen Bildpunkt. Variiert man nun die Intensität der verschiedenen Pixel innerhalb dieser Gruppen, erhält man verschiedene Farben. Laut Arsenault ergibt sich so jedoch nur eine eher blasse Darstellung. Um den ganzen Schirm rot zu färben, leuchteten dann eben nur ein Drittel aller Pixel.

P-Ink sei da anders: "Wir können 100 Prozent der Fläche einfärben." Der Grund: Jeder Pixel kann auf jede Farbe des sichtbaren Spektrums eingestellt werden. Das erhöhe die Farbhelligkeit um das Dreifache. "Das macht einen großen Unterschied", sagt Arsenault.

Erreicht wird diese Farbenpracht durch die Kontrolle der Abstände zwischen den photonischen Kristallen, was wiederum die Wellenlänge des Lichtes beeinflusst, das reflektiert wird. Photonische Kristalle sind das optische Äquivalent zu Halbleiter-Kristallen. Während Halbleiter-Kristalle den Elektronenfluss steuern, beeinflussen photonische Kristalle die Bewegung von Lichtphotonen.

Obwohl in diesem Bereich in jüngster Zeit viel geforscht wird, um beispielsweise photonische Kristalle für Glasfaserleistungen oder Quantenrechner einzusetzen, handelt es sich doch um ein sehr altes Phänomen. Photonische Kristalle sorgen beispielsweise dafür, dass Opale in allen Regenbogenfarben schillern. "Es gibt viele Organismen, deren Färbung nicht durch Farbstoffe hervorgerufen wird. Das ist die Basis unserer Technologie", meint Arsenault.

Bei P-Ink besteht jedes Pixel eines Displays aus Hunderten von Quarz-Kügelchen. Jeder dieser photonischen Kristalle hat einen Durchmesser von 200 Nanometern und ist in einem schwammartigen, elektroaktiven Polymer integriert. Diese Materialien stecken zwischen einem Elektroden-Paar mit einer Elektrolyt-Flüssigkeit. Wird nun eine Spannung angelegt, wird das Elektrolyt-Material in das Polymer hineingezogen, so dass es sich ausdehnt.

Diese Ausdehnung treibt die Quarz-Kügelchen auseinander, womit sich auch ihr Brechungsindex verändert. "Mit zunehmender Distanz zwischen ihnen wird die reflektierte Wellenlänger größer", erläutert Arsenault. P-Ink sei außerdem bistabil – das heißt, dass ein Pixel, der auf eine Farbe "eingestellt" wurde, diese Tage lang beibehält, ohne dass eine Stromquelle notwendig wäre. "Außerdem ist das Material an sich flexibel", so Arsenault.

Die Technologie wurde zusammen mit Geoffrey Ozin und Daniel Puzzo an der University of Toronto sowie Ian Manners an der University of Bristol entwickelt. Die Forschergruppe zeigte 0,3 Millimeter große Bildpunkte, die unabhängig von einander eine große Anzahl von Farben darstellen konnten. Diese Pixelgröße wird auch bei vielen LC-Displaysverwendet. "Ein einzelnes Material kann damit alle notwendigen Farben eines Displays ohne Filter darstellen", sagt Arsenault.

Die Technologie beherrscht sogar noch weitere Tricks: Vergrößert man die Kristalle noch etwas weiter, wird es möglich, sie außerhalb des für den Menschen sichtbaren Lichts im Infrarotbereich zu nutzen. Eine Anwendungsmöglichkeit wären beispielsweise smarte Fenster, die durch eine unsichtbare Farbveränderung weniger Sonnenwärme durchlassen würden.

Jacques Angele, Mitbegründer des Opalux-Konkurrenten Nemoptic, sieht in der kanadischen Arbeit einen Schritt nach vorne: "Das Ziel dieser neuen Farbdisplay-Technologien ist eine vergleichbare Qualität wie Papier. Aktuell können wir nur 30 Prozent seiner Helligkeit darstellen."

Edzer Huitema, Technologiechef der niederländischen Firma Polymer Vision aus Eindhoven, sieht gar eine "spektakuläre Innovation". Selbst bei traditionellen Bildschirmen wie Röhre, LCD oder Plasma müssten immer mindestens drei oder gar vier verschiedenfarbige Pixel eingesetzt werden, um die Farben zu erzeugen. "Das ist eine große Einschränkung aller bisherigen Technologien", meint er. Ließe sich nun aber die Farbe jedes einzelnen Pixel kontrollieren, steige nicht nur die gesamte Farbqualität, sondern auch die Auflösung um einen Faktor von mindestens Drei.

Angele sieht aber bereits Konkurrenten für die Kanadier. So hätten sowohl Kent Displays aus dem amerikanischen Ohio als auch der japanischer Elektronikkonzern Fujitsu mit drei farbigen Bildpunkten experimentiert, die übereinander gelagert werden. So lässt sich ebenfalls jeder einzelne Pixel ansprechen. Allerdings leidet darunter die Helligkeit, weil dieser "optische Stapel" zu Verlusten führt. Außerdem ist die Technologie noch schwierig zu implementieren und vergleichsweise teuer.

Arsenault glaubt, dass Opalux innerhalb von zwei Jahren erste Produkte auf dem Markt haben wird – anfangs vermutlich für Werbetafeln. Es könne allerdings noch eine Weile dauern, bis sich mit P-Ink jeglicher Bildschirm ersetzen lasse: "Das Hauptproblem ist, dass wir noch nicht bei Schaltgeschwindigkeit sind, die sich für Video eignen."

Aktuell lassen sich Pixel in weniger als einer Sekunde umschalten, was in etwa so schnell wäre wie bei den aktuell angebotenen E-Paper-Bildschirmen. "Wir stehen aber noch ganz am Anfang unserer Entwicklung und es gibt noch viel Raum für Verbesserungen bei Material und Darstellungsgeschwindigkeit", gibt sich Arsenault optimistisch. (bsc)