Elektronische Anzeigen im Einzelhandel auf Basis von E-paper

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1 Elgar Fleisch, Adrian Walter Report Nr. 12 Version 1.0 Elektronische Anzeigen im Einzelhandel auf Basis von E-paper Elgar Fleisch ist Professor für Technologieund Informationsmanagement, Direktor des Instituts für Technologiemanagement der Universität St. Gallen und Forschungsleiter des M-Lab. Adrian Walter ist Student an der Universität St. Gallen mit der Vertiefungs - richtung Finanzen, Rechnungslegung und Controlling. Abstract Elektronisches Papier ist eine neuartige Displaytechnologie, die viele bestehende Eigenschaften von Papier aufweist. Displays mit Papiereigenschaften ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen. Der Handel ist ständig bestrebt Kosteneinsparungen und Effizienzgewinne zu erreichen. Dem elektronischen Papier könnte hierbei in den nächsten Jahren eine entscheidende Rolle zukommen. Sobald die technologischen und betriebswirtschaftlichen Anforderungen des Einzelhandels erfüllt werden, kann der Einsatz von e-paper einerseits zur Prozessoptimierung, andererseits zur Unterstützung der im Einzelhandel vorherrschenden Geschäftsstrategien und verkaufsfördernden Massnahmen beitragen. Erste Einsatzgebiete sind ersichtlich, Prototypen wurden bereits erfolgreich erprobt. Der vorliegende Bericht analysiert heutige und zukünftige Anwendungen von elektronischem Papier im Handel. Kontakt Institut für Technologiemanagement Universität St. Gallen M-Lab

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... i Abkürzungsverzeichnis... iii 1 Einleitung Forschungsfrage und Forschungsmethode Aufbau der Arbeit Elektronisches Papier Ubiquitous Computing Definition von elektronischem Papier Technische Eigenschaften und Hersteller Smart und Radio Paper Ch-LCD Displays OLED Displays Weitere Displaytechnologien Voraussetzungen für den Einsatz von e-paper Technologie-Landkarte Anwendungsmöglichkeiten von elektronischem Papier Zukünftige Anwendungen von e-paper Anwendungs-Landkarte Preisanzeigen im Einzelhandel Individuelle Preisauszeichnung Prozessbeschrieb Problemstellungen und Verbesserungspotentiale Kostenrechnung Regalpreisauszeichnung Pilotversuch bei Volg mit elektronischen Anzeigen Preisanzeigen aus elektronischem Papier Anforderungen an e-paper aus der Sicht des Einzelhandels Gesetzliche Anforderungen Anforderungen der Konsumenten Standpunkt des Konsumentenschutzes Ableitung der technischen Anforderungen M-Lab i

3 4.6 Skizze des neuen Prozesses Preise anschreiben Einführung von e-paper im Einzelhandel Betriebswirtschaftliche Auswirkungen Handels-H-Modell Warenwirtschaft Marketing Personalwirtschaft Kostenrechnung Fazit und Schlussbemerkungen Literaturverzeichnis Anhang A: Partnerunternehmen der Entwicklungsfirmen Anhang B: Interviewverzeichnis M-Lab ii

4 Abkürzungsverzeichnis CDT CM Dpi EAN Eidg. EKK ERP ESL GPRS IPA KEF LED MDE OLED POS RFID RPA UbiComp UMTS SKS Cambridge Display Technology Category Management Dots per Inch European Article Number Eidgenössische Eidgenössische Kommission für Konsumentenfragen Enterprise Ressource Planning Electronic Shelf Labelling General Packet Radio Service Individuelle Preisauszeichnung Kritische Erfolgsfaktoren Licht emittierende Dioden Mobiles Datenerfassungsgerät Organic Light Emitting Diode Point of Sale Radio Frequency Identification Regalpreisauszeichnung Ubiquitous Computing Universal Mobile Telephone System Stiftung für Konsumentenschutz M-Lab iii

5 1 Einleitung Elektronisches Papier ist das Medium der Zukunft. Displays mit Papiereigenschaften sind in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Die Entwickler von e-paper haben sich zum Ziel gesetzt, die über 2000 Jahre alte Papiertechnologie abzulösen. Dick Brass, Vize-Präsident von Microsoft, hat im Rahmen der e-book World Konferenz vom November 2000 vorausgesagt, dass im Jahre 2018 die letzte Papierausgabe der New York Times erscheinen wird [vgl. Mann 2001]. Bis heute ist das Ziel, eine Zeitung aus elektronischem Papier herzustellen, eine Vision geblieben. Die e-paper Technologie ist noch nicht in der Lage, komplexe Inhalte auf einem papierähnlichen Material darzustellen. Erste Anwendungen der neuen Technologie zeichnen sich in anderen Gebieten ab, als Ersatz konventioneller LCD-Displays. Erste Prototypen dieser Technologie kommen seit 1999 im Einzelhandel zum Einsatz. Kosteneinsparungen und Effizienzgewinne erreichte der Einzelhandel in den letzten Jahren vor allem durch die breite Einführung von Scanner-Kassen, ERP-Systemen und der Regalpreisauszeichnung. Der zunehmende Wettbewerbsdruck veranlasst die Branche zur Suche nach weiteren betrieblichen Optimierungsmassnahmen. Dem elektronischen Papier könnte hierbei in den nächsten Jahren eine entscheidende Rolle zukommen. Sobald die technologischen und betriebswirtschaftlichen Anforderungen des Einzelhandels erfüllt werden, kann der Einsatz von e-paper einerseits zur Prozessoptimierung, andererseits zur Unterstützung der im Einzelhandel vorherrschenden Geschäftsstrategien und verkaufsfördernden Massnahmen beitragen. 1.1 Forschungsfrage und Forschungsmethode In dieser Arbeit wird der Einsatz von e-paper im Einzelhandel untersucht. Einzelhandel betreibt, wer gewerbsmässig Waren anschafft und sie unverändert oder nach im Einzelhandel üblicher Be- oder Verarbeitung in einer oder mehreren offenen Verkaufsstellen zum Verkauf an jedermann feilhält [Pepels 1998, 75]. Die Arbeit konzentriert sich im Rahmen der Prozessanalysen auf den Schweizer Lebensmittel-Einzelhandel. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sind zu einem grossen Teil auch auf andere Einzelhandelssparten, wie beispielsweise Sportgeschäfte übertragbar. Adressaten der Arbeit sind in erster Linie Wirtschaftsinformatiker und Vertreter des Einzelhandels. M-Lab 1

6 Neben der Frage, was elektronisches Papier überhaupt ist und welche Technologien unter diesen Begriff fallen, soll in dieser Arbeit untersucht werden, welche betriebswirtschaftlichen Auswirkungen durch die neue Technologie im Einzelhandel zu erwarten sind. Ein Hauptaugenmerk wird hierbei auf die Einführung von Preisanzeigen gelegt. Abgesehen von Literatur- und Internetrecherchen stützen sich die Resultate dieser Arbeit auf Interviews mit Vertretern des Schweizer Einzelhandels, befragt wurden Experten von Migros, Coop, und Spar. Die Interviews wurden teil-standardisiert durchgeführt, das heisst die Abfolge der Fragen ergab sich aus dem Gesprächsablauf [vgl. Stier 1999, 184]. Abgerundet wurde die Befragung durch verschiedene telefonische Anfragen, die vor allem dazu dienten die Aussagen im Technologieteil dieser Arbeit zu verifizieren und aktualisieren und durch einen Filialbesuch bei Volg in Mettmenstetten. 1.2 Aufbau der Arbeit Im ersten Teil der Arbeit werden Technologien, welche unter den Begriff elektronisches Papier fallen, vorgestellt. Hierzu wird der Begriff e-paper definiert und unter die Definition fallende Technologien abgeleitet. Zusätzlich wird versucht, die Technologien in einer Technologie-Landkarte zu ordnen. Abschliessend werden mögliche Anwendungen der neuen Wissenschaft in einer Anwendungs-Landkarte dargestellt. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf aktuelle Prozesse der Preisauszeichnung im Einzelhandel, wobei der Preisprozess der individuellen Preisauszeichnung bem Grossverteiler Migros dargestellt wird, und auf die Unterschiede zur Regalpreisauszeichnung hingewiesen wird. Abschliessend wird ein kurzer Blick auf erste Erfahrungen von Volg mit elektronischen Regaletiketten geworfen. Im dritten Teil der Arbeit werden die für eine erfolgreiche Einführung von e- Paper zu erfüllenden Anforderungen dargelegt. Hierbei wird sowohl auf die Anforderungen des Einzelhandels, als auch auf die Bedürfnisse der Konsumenten und des Staates eingegangen. Es folgen die Einführung von e-paper und Auswirkungen auf den Einzelhandel. Neben den erforderlichen Anpassungen wird der Prozess der elektronischen Preisauszeichnung skizziert. Die möglichen betriebswirtschaftlichen Auswirkungen werden in einer Übersicht dargestellt, wobei sich diese sowohl auf interne Prozesse als auch auf Strategien und Trends welche momentan im Einzelhandel vorherrschen, beziehen. M-Lab 2

7 2 Elektronisches Papier Seit über 2000 Jahren wird herkömmliches Papier hergestellt und verwendet. Im Laufe der Zeit wurde der Herstellungsprozess zwar weiterentwickelt, der ursprüngliche Verwendungszweck hat sich hingegen nur wenig verändert. Im Rahmen des Aufbaus und der weltweiten Vernetzung von Informationssystemen wurde oftmals die Vision des papierlosen Büros vorgebracht, in Wirklichkeit hat sich die Papierflut aber weiter ausgebreitet. So stieg allein die Papierproduktion in Europa und in den USA zwischen 1985 und dem Jahr 2000 um über 70 Prozent [vgl. FAO 2002]. Elektronisches Papier ist eine neuartige Displaytechnologie, die viele bestehende Eigenschaften von Papier aufweist. E-Paper kann Bilder und Text darstellen, in reflektivem Licht gelesen werden und hat einen grossen seitlichen Betrachtungswinkel. Die neuen Displaytechnologien, die im Rahmen dieser Arbeit unter dem Begriff e-paper subsumiert werden, haben gemeinsam, dass sie auf flexible Materialen (heute noch Plastikfolien) aufgetragen werden. Hinzu kommen weitere Schlüsseleigenschaften wie sparsamer Energieverbrauch und geringe Fertigungskosten. Elektronisches Papier ist eine Technologie, welche Teil des in den letzten Jahren aufkommenden Trend des Ubiquitous Computing ist. 2.1 Ubiquitous Computing Der Begriff Ubiquitous Computing wurde erstmals anfangs der neunziger Jahre von Mark Weiser am Xerox-Parc-Institut in Palo Alto verwendet. Weiser verstand unter dem Begriff die Allgegenwärtigkeit von Kleinstcomputern. Die Computer sind untereinander vernetzt und für den Anwender selbst nicht sichtbar [vgl. Weiser 1991]. [Weiser / Brown 1996] sagten voraus, dass die Ära des Ubiquitous Computing in den Jahren ausbrechen wird. Weisers Definition wurde von einigen Mitglieder der Ubicomp Community aufgegriffen und im Rahmen des Dagstuhl Seminars im September 2001 weiter verfeinert [vgl. Langheinrich 2001]. Die hierbei erarbeitete Definition des Ubicomp Begriffs umfasst fünf zentrale Elemente [vgl. Fleisch 2002]. Ubicomp Devices fügen sich nahtlos in die physische Welt ein, sie sind für den Benutzer in der Regel unsichtbar. Ubicomp Anwendungen greifen immer auf eine Vielzahl dieser Devices zu. Die Devices sind intelligent und untereinander vernetzt. M-Lab 3

8 Die Devices sind in der Regel mit einer Sensorik ausgestattet, die das Sammeln von Daten erlaubt. Die gesammelten Daten sollen den Devices ermöglichen, dezentrale Entscheidungen zu fällen und selbständig darauf zu reagieren. Die meisten dieser Devices sind mobil und agieren in Abhängigkeit ihres Standorts und der Anwesenheit weiterer Devices, mit welchen sie untereinander vernetzt sind. Daten können ohne Fremdeinwirkung selbständig ausgetauscht werden. Die grosse Anzahl unsichtbarer Devices verlangt neue Formen der Interaktion zwischen Mensch und Computer. Der betriebswirtschaftliche Nutzen von UbiComp liegt primär in der Möglichkeit, durch das Vermeiden von Medienbrüchen die Automatisation von Geschäftsprozessen weiter voranzutreiben. Ein weiterer Nutzen liegt in der verbesserten Komplexitätsbewältigung durch die Verteilung von Intelligenz [vgl. Fleisch 2001]. Händische Dateneingabe Spracheingabe Scannen von Barcodes Passive Tags Aktive Tags Lücke zwischen physischer und informatischer Welt - Kosten der Dateneingabe Informatische Welt ( Bits ) Inner- und überbetriebliche Informationssysteme (z.b. ERP) Lokale, regionale und globale Kommunikationsnetzwerke (z.b. Internet) Physische Welt ( Atome ) Menschen Betriebsmittel Produkte Menschliche Intervention notwendig Keine menschliche Intervention notwendig Jahr Abb. 2-1: UC vermeidet Medienbrüche Quelle: Fleisch 2001 Im Rahmen des UbiComp Trends werden neben den verschwindend kleinen Devices und deren Sensoren, der Energieversorgung und den Kommunikationsschnittstellen auch neue Displaytechnologien zum Einsatz kommen. Die Allgegenwärtigkeit von Kleinstcomputern wird neue Anforderungen an Displays stellen. Informationen müssen jederzeit und an jedem Ort abgerufen werden können. Displays müssen in Zukunft kostengünstig hergestellt werden können, mobil einsetzbar sein sowie einen geringen Energieverbrauch auf- M-Lab 4

9 weisen. Dem elektronischen Papier als neue Displaytechnologie dürfte somit im Rahmen des Ubiquitous Computing eine tragende Rolle zukommen. 2.2 Definition von elektronischem Papier Eine allgemeingültige Definition von elektronischem Papier gibt es bis heute nicht. Im Gegensatz zur Definition von herkömmlichem Papier, welche sich an der Beschaffenheit des Materials und am Herstellungsprozess orientiert [vgl. Brockhaus 2002], wird e-paper im Rahmen dieser Arbeit nach dessen Eigenschaften definiert. Erste Schritte in der Entwicklung des e-paper wurden 1975 von Nicholas Sheridon am Xerox-Parc-Institut vorgenommen [vgl. Mann 2001] wurde das Projekt eingestellt, bevor es in den neunziger Jahren wieder aufgegriffen wurde. Die Eigenschaften, die e-paper aus Sicht dessen Erfinder aufweisen muss, lassen sich wie folgt zusammenfassen [vgl. o.v. 2002b]: Flexibles Material Ähnliche materielle Eigenschaften wie Papier Es speichert Bilder und Text Hoher Kontrast und grosser seitlicher Betrachtungswinkel Kann elektrisch beschrieben und gelöscht werden Kostengünstige Herstellung Energie wird nur für den Zustandswechsel benötigt [Terry 2001] stellt in ihrer Definition den Begriff elektronische Tinte in den Vordergrund. Als zentrale Eigenschaft sieht sie die Möglichkeit, Informationen ohne Energieverbrauch darzustellen. Der in der Forschungsarbeit verwendete Begriff e-paper orientiert sich an den oben genannten Eigenschaften. Eine Übersicht über die von den verschiedenen Entwicklungsfirmen verwendeten Begriffe folgt im nächsten Punkt. M-Lab 5

10 2.3 Technische Eigenschaften und Hersteller Unter die Definition von e-paper fallen eine Vielzahl von Technologien. Zu beachten ist, dass bis heute noch keine Technologie existiert, die alle relevanten Eigenschaften aufweist. Die nachfolgend vorgestellten Technologien besitzen aber alle das Potential, in Zukunft eine Vielzahl der definierten Eigenschaften zu erfüllen. Gyriconmedia (Xerox) und E-Ink (MIT, Lucent, Philips) konzentrieren sich seit einiger Zeit auf die Herstellung von elektronischem Papier. Beide Firmen verfolgen den Ansatz, eine Substanz, die ins Papier eingearbeitet ist, mittels e- lektrischen Spannungen in verschiedene Farbzustände zu bringen. Der heute in den Medien verwendete Begriff des elektronischen Papiers bezieht sich meistens auf die Technologien von Gyriconmedia und E-Ink. Beide Firmen haben unterdessen eigene Begriffe für ihre Technologie vorgestellt. Gyriconmedia vermarktet seine Produkte unter dem Label Smart Paper. E-Ink hat seine Technologie bis anhin als elektronische Tinte bezeichnet und um dem Papierbegriff besser gerecht zu werden, hat E-Ink vor kurzem den Begriff Radio Paper eingeführt. Die deutsche Online Software GmbH vermarktet erste Produkte von E-Ink unter dem Namen Advanced Paper. Die Kent Universität befasst sich mit der Weiterentwicklung herkömmlicher LCD Displays mit dem Ziel elektronische Tinte zu entwickeln. Die Technologie wird momentan unter dem Namen Ch-LCD erforscht. Der dritte, heute noch weniger unter dem Begriff e-paper bekannte Ansatz, ist derjenige von Kodak und Cambridge Display Technology. Beide Firmen haben es sich zum Ziel gesetzt, neue Bildschirmtechnologien zu entwickeln. Dabei konzentrieren sie sich, allerdings mit verschiedenen Ansätzen, auf die Entwicklung sogenannter OLED-Displays. Hierbei handelt es sich um organische Materialien (Polymere), die beim Anlegen einer elektrischen Spannung zu leuchten beginnen. Diese Polymere können in sehr dünnen Schichten auf Trägermaterialien (z.b. Folien) aufgetragen werden. Erst in den Startlöchern stehen weitere Ansätze, die Displays mit Papiereigenschaften zum Ziel haben. Dabei handelt es sich einerseits um die Technologie von Visson, welche sich auf textile Displays konzentriert. Andererseits haben die Universität von Rochester, mit ihrer PCLC Technologie und Philips mit PDLC neue Displays vorgestellt, die entsprechend der OLED Technologie auf organischen Substanzen basieren. M-Lab 6

11 2.3.1 Smart und Radio Paper Xerox Gyriconmedia Die von Xerox entwickelte e-paper-technologie wurde unter dem Namen Gyricon (griech. Gyro=drehen, engl. Icon=Symbol) entwickelt [vgl. Mann 2001]. Erste Prototypen wurden unter dem Label Smart Paper vermarktet. Die Technologie basiert, ähnlich wie diejenige von E-Ink, auf winzigen Kügelchen die auf jeder Seite verschiedene Farben, wie beispielsweise schwarz und weiss aufweisen. Die Kügelchen schwimmen in einem zähflüssigen Öl und sind elektrisch polarisiert. Durch die Erzeugung eines elektronischen Feldmusters werden die Kügelchen gedreht. Bei den ersten Prototypen von Xerox wurde der Zustandswechsel der Kügelchen durch einen Drucker ausgelöst. In einem weiteren Versuch drehten die Forscher am Xerox-Parc-Institut die Kügelchen durch einen Bleistift [vgl. o.v. 2002b]. Gyriconmedia konzentriert sich momentan ausschliesslich auf Anwendungsmöglichkeiten im Retailbereich. Erste Prototypen neuer Preisschilder, die auf der Smart-Paper-Technologie basieren, werden gegenwärtig erprobt. Für die Verwaltung der neuen elektronischen Anzeigen hat Gyriconmedia mit MaestroWare eine eigene Software vorgestellt [vgl. o.v. 2002c]. Gemäss Aussagen von Robert Sprague [vgl. Interviewverzeichnis], CTO von Gyriconmedia, ist Gyricon bereits in der Lage, Displays mit einer Auflösung von 100dpi herzustellen. Die einzelnen Pixel können allerdings noch nicht direkt angesteuert werden. Zuerst werden die Pixel zu Segmenten zusammengefasst, welche dann angesteuert werden können. Ein Segment kann so ausgelegt werden, dass es beispielsweise einen Strichcode anzeigen kann. Das Display ist aber nur in der Lage den Strichcode hervorzuheben, Veränderungen sind nicht mehr möglich. Die Anzeige erfolgt im jetzigen Zeitpunkt zweifarbig, neben schwarz/weiss Displays sind auch andere Farbkombinationen möglich. Erste Displays werden gemäss Aussagen von Robert Sprague noch im Jahr 2002 auf den Markt kommen. Die Kosten sollen anfangs bei ungefähr 100 US-Dollar pro Quadratfuss liegen. Eine Partnerschaft mit dem 3M Konzern, der die Massenproduktion des Gyricon Papiers übernehmen sollte, wurde im Jahr 2001 wieder aufgelöst. Gründe hierfür lagen nach den Aussagen von 3M in den unterschiedlichen Zielsetzungen der beiden Unternehmen [vgl. Leo 2001]. M-Lab 7

12 E-Ink E-Ink wurde 1997 als Spin-Off des MIT gegründet ging E-Ink eine Partnerschaft mit Lucent ein und im Jahr 2001 wurde Philips als neuer strategischer Investor dazu gewonnen [vgl. Anhang A]. E-Ink verwendet für seine Technologie den Begriff elektronische Tinte. Die Technologie weist grosse Ähnlichkeiten zum Forschungsansatz von Gyriconmedia auf. Auch im Papier von E-Ink ist eine Flüssigkeit eingearbeitet. Diese Flüssigkeit besitzt aber selbst schon eine Farbe. In der Flüssigkeit sind dann andersfarbige Kügelchen eingelagert, die durch das Anlegen eines elektronischen Feldes an die Oberfläche steigen, die Flüssigkeit verdrängen und somit ein Pixel anzeigen. Die elektrischen Felder werden durch Plastiktransistoren erzeugt [vgl. Rötzer 2001]. Abb. 2-2: Funktionsweise von Electronic-Ink Quelle: E-Ink Ziel von E-Ink ist die Entwicklung von Radio-Paper. Hier handelt es sich um flexibles, digitales Papier das in hoher Auflösung auch farbige Anzeigen ermöglicht. Nach Schätzungen von E-Ink soll Radio-Paper im Jahr 2005 auf den Markt kommen. Im November 2000 stellte E-Ink das erste flexible Display vor. Die Anzeige wies eine Grösse von 5 x 5 Inch auf und war so dick wie ein Mousepad. 256 Pixel zeigten Informationen über E-Ink an [vgl. Ditlea 2001]. Seit Dezember 2001 kann bei E-Ink ein erster Design-Kit bestellt werden. Der Kit besteht aus insgesamt 8 Blättern in verschiedenen Grössen, wovon zwei Blätter animiert werden können [vgl. o.v. 2002d]. Nach Russ Wilcox, Vize- Präsident von E-Ink, sind Displays mit einer Auflösung von 200dpi bereits realisierbar, wobei Auflösungen bis zu 600dpi angestrebt werden [vgl. Terry 2001, 379]. M-Lab 8

13 Übereinstimmung mit der Definition des Begriffs e-paper Sowohl das von Gyriconmedia entwickelte Smart Paper als auch die von E- Ink vorgestellte elektronische Tinte fallen unter den in dieser Arbeit definierten Begriff des elektronischen Papiers. Beide Technologien weisen zentrale Vorteile gegenüber herkömmlichen Bildschirmtechnologien auf. Im Hinblick auf die Bildqualität bestechen beide Produkte durch hohe Kontrastwerte und einen, ähnlich zum herkömmlichen Papier, sehr grossen seitlichen Betrachtungswinkel. Ein weiterer zentraler Vorteil ist der äusserst geringe Energieverbrauch. Die statische Anzeige von Informationen benötigt bei beiden Forschungsansätzen keine Energie, diese ist nur für den Zustandswechsel der Kügelchen erforderlich. Beide Technologien kommen ohne Hintergrundbeleuchtung aus, dies wird durch die hervorragenden Kontrastwerte ermöglicht Ch-LCD Displays Ein weiterer Forschungsansatz für die Entwicklung von elektronischem Papier findet sich in der Weiterentwicklung konventioneller LCD-Displays. Forscher am Liquid-Crystal-Institut der Kent Universität in Ohio beschäftigen sich mit der Entwicklung einer Technologie namens Ch-LCD (cholesteric liquid crystal displays). Zur Unterstützung der Weiterentwicklung und zur kommerziellen Vermarktung der Ch-LCD Displays wurde 1993 die Kent Display Inc. gegründet. Die Forscher der Kent Universität arbeiten an der Entwicklung dieser neuen, reflektiven LCD-Displays mit dem Ziel, die Medienindustrie mit digitaler Tinte zu versorgen. Im Gegensatz zu herkömmlichen LCDs bietet deren Weiterentwicklung einige wichtige Vorteile. In erster Linie brauchen die Ch-LCDs keine Energie um den optischen Zustand zu halten. Analog zu den Technologien von E-Ink und Gyriconmedia wird Energie nur für den Zustandswechsel benötigt. Ch-LCDs können auf ein Plastiksubstrat aufgetragen werden, so dass sie ebenfalls flexibel werden [vgl. West 1998]. Weitere Eigenschaften sind die gute Lesbarkeit bei Sonnenlicht, der hohe seitliche Betrachtungswinkel, die grosse Helligkeit und der Kontrast. Ein weiterer Vorteil besteht darin, Displays mit Hilfe von Nachtsichtgeräten zu lesen, ohne dabei sichtbares Licht zu emittieren. Diese Displays eigenen sich vor allem für den militärischen Einsatz [vgl. o.v. 2002e]. Weitere potentielle Anwendungsfelder liegen im Bereich von PDA- und Mobil-Telefon-Displays. Ein erster Prototyp eines flexiblen Ch-LCD Displays wurde 1998 an der Kent Universität vorgestellt. Das Display hatte eine Grösse von 4x4 Inch und wies eine Auflösung von 80dpi auf. M-Lab 9

14 2.3.3 OLED Displays Kodak Kodak befasst sich seit den späten achtziger Jahren mit der Entwicklung von OLED (Organic Light Emitting Diode) Displays. Ziel von Kodak ist die Entwicklung von hochauflösenden, flachen Farbdisplays mit hervorragendem Kontrast und speziellen Helligkeitswerten. Die Technologie basiert auf organischen Halbleitern. Die organischen Schichten werden zwischen eine transparente Anode und eine metallische Kathode gebracht. Sobald die einzelnen Schichten mit einer elektrischen Spannung belegt werden (typischerweise ein paar Volt), beginnen die organischen Schichten zu leuchten. Kodak unterscheidet dabei zwischen einer Aktiv- und einer Passiv-Matrix-Version [vgl. o.v. 2002f]. Abb. 2-3 : Funktionsweise des Kodak OLED Displays Quelle: Kodak, Im Gegensatz zu den Passiv-Matrix-Displays besitzen die Aktiv-Displays eine integrierte elektrische Rückwandplatine, die höhere Auflösungen ermöglicht. Jedes Pixel kann dabei individuell durch die in der Rückwandplatine enthaltenen TF (thin film) Transistoren angesteuert werden. Die Aktiv-Matrix-Technologie ermöglicht ausserdem die Herstellung grossflächiger Displays. Die Passiv-Matrix-Displays haben eine einfachere Struktur und eignen sich somit vor allem für unkompliziertere und kostengünstige Anwendungen. Alle weltweit bedeutenden Hersteller von Displays arbeiten im Moment an eigenen OLED-Displays. Viele der Unternehmungen greifen dabei auf die von Kodak entwickelten und lizenzierten Technologien zurück. Zu den Partnern und Lizenznehmern von Kodak zählen unter anderem emagin, Sanyo, Pioneer, TDK, Samsung, NEC, Sony, Sharp, Xerox und Motorola [vgl. Anhang A]. M-Lab 10

15 Cambridge Display Technology Erste Forschungsarbeiten erfolgten im Cavendish- und Melville-Laboratory in Grossbritannien. Dabei stiessen die Forscher auf die Möglichkeit, Licht-emittierende Dioden (LED) aus selbstleuchtenden Polymeren herzustellen, worauf sie die Unternehmung Cambridge Display Technology gründeten. Neben zahlreichen Finanzgruppen treten auch die Cambridge Universität und Intel als strategische Investoren auf. Die grundlegende Funktionsweise der CDT Technologie ist derjenigen von Kodak sehr ähnlich. Licht-emittierende Polymere werden auf eine Oberfläche (Glas oder flexibles Plastik) aufgetragen, in die eine transparente Elektrode eingearbeitet ist. Das Polymer wird zwischen der Oberfläche und einer weiteren, nichttransparenten Elektrode, eingeklemmt. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung beginnt das Polymer zu leuchten. CDT ist es bereits gelungen, Polymere zu synthetisieren, die rotes, blaues und grünes Licht ausstrahlen. Jetzt konzentriert sich CDT auf die Konstruktion von Vollgrafikdisplays. Neben Intel zählen zu den Partnern von CDT unter anderem Toshiba, Seiko, Osram, Infenion, Philips, Uniax (DuPont), Alien Technoloy, Ritek und Covion (Hoechst) [vgl. Anhang A]. CDT hat sich zum Ziel gesetzt, folgende Eigenschaften in neuen OLED Displays zu vereinen [vgl. o.v. 2002a]: Flexible, sehr dünne Trägermaterialien Keine Hintergrundbeleuchtung Keine Farbfilter Hohe Kontrastwerte 180 Grad Betrachtungswinkel Hohe Auflösung Anzeige von bewegten Bildern Alle Pixelformen und Pixelgrössen sind möglich Batteriebetriebener Einsatz Stromverbrauch weniger als 5 Volt Das Display wird dem Endprodukt angepasst Einfache Integration in die Fertigung M-Lab 11

16 Vergleicht man die von CDT und Kodak angestrebten Eigenschaften mit der im ersten Teil dieser Arbeit vorgenommenen Definition von elektronischem Paper, wird deutlich, dass die OLED Technologie der Definition sehr nahe kommt. In einem Punkt entsprechen die OLED Displays allerdings nicht der Definition. Neben dem Zustandswechsel verbrauchen die Displays auch für die statische Anzeige von Informationen Energie. Einschränkungen können sich somit vor allem bei mobilen Anwendungen ergeben Weitere Displaytechnologien PDLC Display von Philips Philips hat im Jahr 2000 ein neues, fünf Quadratzentimeter grosses Aktiv- Matrix-Display vorgestellt. Die Technologie basiert auf den bereits in mobilen Computern eingesetzten Aktiv-Matrix-Displays, enthält aber neue Polymere, die die bis anhin verwendeten Vakuumkammern überflüssig machen. Abb. 2-4: PDLC Display von Philips Quelle: Verlag Heinz Heise, Das neue Display ist in der Lage mit 64 x 64 Transistoren insgesamt 256 Graustufen darzustellen. Bislang werden die Transistoren noch auf starres Glas aufgetragen, in einer weiteren Phase sollen flexible Trägermaterialien zum Einsatz kommen [vgl. o.v. 2000]. PCLC Display der Universität Rochester Ziel der Universität Rochester ist die Vereinigung der Eigenschaften von herkömmlichen Bildschirmen mit denjenigen von Papier, so dass ein faltbarer Bildschirm entsteht, den der Benutzer stets mit sich tragen kann. Die in Rochester entwickelte Technologie basiert auf sogenannten PCLC (polymer liquid crystal particels) Partikeln, auch Flakes genannt. Die Flakes schwimmen in einer Trägerflüssigkeit und durch das Anlegen einer elektri- M-Lab 12

17 schen Spannung können die Flakes ihren aktuellen Farbzustand wechseln oder ausgeblendet werden. Dabei wird Licht von den Flakes reflektiert und auch bei dieser Bildschirmtechnologie wird die Hintergrundbeleuchtung überflüssig. Die Flakes können auf verschiedenste Oberflächen aufgetragen werden. Gegenüber ihren Mitstreitern verfügt die Technologie der Universität Rochester über den grossen Vorteil, dass die Flakes bereits in einer Vielzahl von Farben vorliegen. Als zentralen Vorteil der PCLC-Technologie gibt die Universität Rochester die schnellen Reaktionszeiten der Flakes an, diese empfehlen sich vor allem im Zusammenhang mit bewegten Bildern. Im Gegensatz zu den Projekten ihrer Mitbewerber ist die PCLC-Technologie in absehbarer Zukunft noch nicht marktreif. Die Forscher sind immer noch darum bemüht, die Bewegungen der Flakes vollständig zu steuern [vgl. o.v. 2001h]. Textile Displays von Visson Visson Technology arbeitet an der Entwicklung textiler Displays. Seit dem Frühjahr 2001 tritt Philips als strategischer Investor von Visson auf. Visson verbindet textile Stoffe mit lichtemittierenden Materialien. Das Gewebe verfügt über eine eingebettete Matrixstruktur, die an jeder Faserkreuzung ein Pixel beinhaltet. Wenn diese Kreuzungen unter elektrische Spannung gesetzt werden, leuchten die Pixel. Abb. 2-5: Textiles Display von Visson Quelle: Visson, Visson ist sogar in der Lage, eine Elektrodenstruktur aufzubauen, die ohne feste Unterlage auskommt und so flexiblere Displays ermöglicht. Signifikante Vorteile dieser Technologie liegen nach Visson vor allem in der Möglichkeit, sehr grosse Displays herzustellen und mit geringen Fertigungskosten auszukommen. Ausserdem verfügt das Visson-Display über einen 360 Grad Betrachtungswinkel und ist nur 0.2 mm dick [vgl. o.v. 2002g]. M-Lab 13

18 2.4 Voraussetzungen für den Einsatz von e-paper Das Ziel aller involvierten Unternehmungen ist die kabellose Übertragung von Informationen auf ein vollkommen flexibles elektronisches Papier, das nahezu dieselben Eigenschaften wie herkömmliches Papier hat. Um diese Vision zu verwirklichen müssen verschiedene Voraussetzungen erfüllt werden. Die bereits flexiblen Displays mit den drehenden Kügelchen müssen weiter verfeinert werden. Je nach Anwendung ist eine sehr hohe Auflösung notwendig, um elektronisches Papier ohne Qualitätsverlust lesen zu können. Bereits bestehende Anwendungen (z.b. elektronische Preisanzeigen) kommen mit tieferen Auflösungen zurecht. Die Steuerung der Kügelchen muss durch einen im Papier eingearbeiteten Chip erfolgen, denn durch externe Steuerung der Kügelchen wird der Komfort der Anzeige erheblich eingeschränkt. So müsste eine elektronische Zeitung zum Beispiel immer in Kombination mit einem starren Steuerelement auf den Markt gebracht werden. Lucent, ein enger Kooperationspartner von E-Ink, ist es gelungen, erste Chips auf Papier oder Folien aufzudrucken. In Kombination mit der Technologie von E-Ink ist somit in Zukunft e-paper denkbar, das ohne externe, starre Steuerung auskommt. OLED Displays weisen, gemäss Aussagen von Dave Williams [vgl. Interviewverzeichnis], heute bereits Auflösungen von bis zu 2000dpi auf und sind in der Lage, vollfarbige, bewegte Bilder darzustellen. Weitere Anstrengungen sind vor allem im Bereich der Flexibilität der Displays und Steuerungs-Chips zu unternehmen. Die dritte zentrale Komponente ist ein integrierter Empfangsmechanismus im Papier, der in dem von E-Ink geprägten Begriff des Radio Paper bereits angedeutet wird. Die ersten Prototypen von elektronischen Preisschildern haben auf der Rückseite einen Pager, der das Papier mit Daten versorgt. Das Ziel der Forscher von E-Ink ist die Integration einer Antenne ins e-paper. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage aus welcher Entfernung die Daten auf das neue Medium übertragen werden können. Aktuelle Kleinstempfänger, wie beispielsweise die Travelclubkarte der Swissair, können Informationen nur aus sehr geringer Distanz, das heisst wenigen Metern, empfangen. Optimal wäre der direkte Datenempfang von einem Satelliten. Nach den Erkenntnissen mit ersten Versuchen, Sprachkommunikation über Satelliten abzuwickeln, scheint ein solches Szenario allerdings noch weit entfernt [vgl. o.v. 2001m]. M-Lab 14

19 Lokale Empfangsstrukturen (z.b. RFID) sind für einige Anwendungen denkbar. Sobald das e-paper aber in einem weiteren Radius mit Informationen versorgt werden muss, wird die Einführung von Empfängern mit grösseren Reichweiten (z.b. GPRS, UMTS) unabdingbar. Bis diese Empfänger jedoch direkt ins Papier eingearbeitet werden können, dürften noch etliche Jahre vergehen. Alternative Übertragungsmethoden In den ersten Prototypen von Xerox wurden die Daten nicht direkt auf das e- Paper übertragen. Das e-paper musste, um beschrieben zu werden, in eine Art Drucker eingelegt werden, der die Tintenmoleküle durch ein elektrisches Feld gedreht hat. Somit sind ein integrierter Steuerungschip und Empfangsmechanismen nicht notwendig. Der PC-Benutzer muss in Zukunft einen Ausdruck nicht mehr auf herkömmlichem Papier machen, er kann sämtliche Ausdrucke auf e-paper leiten. Der Benutzer muss zwar einen neuen Drucker erwerben, kann diesen aber genau wie den alten Tinten- oder Laserdrucker bedienen. Gerade in der schwierigen Übergangsphase zu einer neuen Technologie können somit die Benutzer langsam an die neue Technologie herangeführt werden. Sofern der Standort von e-paper nicht wechselt können die Informationen über Kabel auf ein festes Steuerelement übertragen werden. Sobald das e- Paper allerdings bewegt werden muss, ist dies nicht mehr möglich. 2.5 Technologie-Landkarte Anschliessend wird der Versuch unternommen, die einzelnen, bereits bestehenden Eigenschaften der vorgestellten Technologien in einer Technologie- Landkarte festzuhalten. Die Landkarte hat zwei Dimensionen, die die unterschiedlichen Eigenschaften von e-paper zum Ausdruck bringen sollen. Die Abszisse weist auf die Eigenschaften des Papier wie Flexibilität, Mobilität, geringer Energieverbrauch, Lesbarkeit, etc. hin. Die Ordinate zeigt die Eigenschaften von herkömmlichen Bildschirmen wie Auflösung, Anzahl der Farben und Displaygrösse. Zur Schaffung eines besseren Vergleichs werden in der folgenden Grafik auch bereits bestehende Technologien wie TFT- oder LCD- Displays berücksichtigt. Ziel der Grafik ist die ungefähre Positionierung des aktuellen Entwicklungsstandes der verschiedenen, als e-paper bezeichneten, Technologien. Die Einteilung erfolgte auf grund der vorgehenden Ausführungen über die Eigenschaften der einzelnen Forschungsansätze. M-Lab 15

20 Bildschirm OLED TFT-Screen Ch-LCD Visson PCLC PDLC E-Ink Gyricon LCD Papier Papier Abb. 2-6: Technologie-Landkarte Die Stossrichtung aller in dieser Arbeit vorgestellten Technologien zielt in die rechte obere Ecke der Grafik. Das Ziel liegt in der Entwicklung eines vollgrafikfähigen, farbigen Displays mit Papiereigenschaften. 2.6 Anwendungsmöglichkeiten von elektronischem Papier E-Paper bietet eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten. Nachfolgend werden diese aus der Sicht der Herstellerfirmen aufgeführt und ein Blick in die Zukunft zeigt, dass der Phantasie keine Grenzen gesetzt sind. Erste Prototypen von E-Ink und Xerox wurden bereits erfolgreich am Markt eingesetzt. Bereits 1999 stellte E-Ink eine erste auf elektronischem Papier basierende Preisanzeige vor. Der noch nicht biegbare Prototyp, bezeichnet als Immedia, wurde bereits in verschiedenen J.C. Penney Läden bei der Arizona Republic Zeitung sowie auf Tafeln die von Yahoo-Mitarbeitern durch die Strassen getragen wurden, verwendet. Die Auflösung betrug 2dpi. M-Lab 16

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