Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien. Franz-B. Tuneke. Im Rahmen des Seminars im WS15/16 der Projektgruppe SolarDoorplate
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- Victor Adenauer
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1 Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien Franz-B. Tuneke. Im Rahmen des Seminars im WS15/16 der Projektgruppe SolarDoorplate
2 Agenda 1. Einleitung 2. Faktoren des Gesamtenergieverbrauches von Displays 3. Klassifikation von Display Technologien 4. Ultra-Low-Power Display Technologien 5. Zusammenfassung Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 2
3 Einleitung Niedriger Energieverbrauch immer erwünscht Besonders bei begrenzter Energieversorgung, Kosten reduzieren Mehrere Gründe Low-Power Displays zu nutzen mw/µw-bereich erfordert Kompromisse Größe (< 7 ) Monochrom Auflösung Aktualisierungsrate ( Geschwindigkeit ) Smart Tags, intelligente Briefmarken, Systeme aus SUS, Projekt: geringe Größe (2,7 ), monochrom, geringe Geschwindigkeit Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 3
4 Agenda 1. Einleitung 2. Faktoren des Gesamtenergieverbrauches von Displays 3. Klassifikation von Display Technologien 4. Ultra-Low-Power Display Technologien 5. Zusammenfassung Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 4
5 Faktoren des Gesamtenergieverbrauches von Displays Display Technologie (LCD, E-Paper, OLED, ) Verbrauch aktiver Betrieb (Display beschreiben) Verbrauch passiver Betrieb (Inhalt aufrechterhalten) Energie für Backlight Energie für Kühlung, nur in bestimmten Arbeitsumfeldern Beeinflussen des Energieverbrauchs mit Software Was wird dargestellt? (aktiv/passiv unterschiedlicher Verbrauch) Eigenschaften des Displays ausnutzen Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 5
6 Agenda 1. Einleitung 2. Faktoren des Gesamtenergieverbrauches von Displays 3. Klassifikation von Display Technologien 4. Ultra-Low-Power Display Technologien 5. Zusammenfassung Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 6
7 Klassifikation von Display Technologien E-Paper ist NICHT immer energiesparender als OLED/LCD E-Paper, LCD, (OLED) sind gängigste Technologien Power Consumption Level Power density (mw/cm²) High >250 Medium Low Ultra-low 0-10 Fernández, Casanova, Alonso. Review of Display Technologies Focusing on Power Consumption. Sustainability 2015, 7, Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 7
8 Agenda 1. Einleitung 2. Faktoren des Gesamtenergieverbrauches von Displays 3. Klassifikation von Display Technologien 4. Ultra-Low-Power Display Technologien (E-Paper) 5. Zusammenfassung Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 8
9 Ultra-Low-Power Display Technologien E-Paper - Einleitung 1970er von Nick Sheridon, bei Xerox-PARC entwickelt Ziel der Technologie: Aussehen von bedrucktem Papier nachahmen Grundprinzip: unterschiedlich geladene schwarze/weiße Partikel mit elektrischem Feld auf Displays anordnen Varianten: Electrowetting, Electrofluidic, Elektrophorese (E-Ink) Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 9
10 Ultra-Low-Power Display Technologien E-Paper - Funktonsweise Bildelemente sind Kapseln gefüllt mit: Einer durchsichtigen Flüssigkeit Schwarzen positiv geladenen Partikeln Weißen negativ geladenen Partikeln Zwei Elektroden Polarität der Elektroden gibt an, ob die schwarzen oder die weißen Partikel oben sind Light Bottom Electrode Transparent Top Electrode Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 10
11 Ultra-Low-Power Display Technologien E-Paper - Funktionsweise Graustufen durch Anpassung der Spannung (Stärke des elektrischen Feldes) Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 11
12 Ultra-Low-Power Display Technologien E-Paper - Funktionsweise Farben darstellbar mit Farb-Filtern (weiß reflektiert die Farbe) Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 12
13 Ultra-Low-Power Display Technologien E-Paper - Eigenschaften Bistabil: Kein Energieverbrauch im passiven Betrieb Aktiver Betrieb höherer Verbrauch als LCD/OLED Reflektiert Licht aus der Umgebung (Non-Emissive/Reflective) Monochrome Anwendungen (Farben schlechter als bei LCD/OLED) Langsame Aktualisierung des Bildes ggü. LCD/OLED Darstellung von Videos schwierig Energetisch auch nicht sinnvoll Ghosting-Effekt Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 13
14 Ultra-Low-Power Display Technologien E-Paper - Eigenschaften E-Ink LCD Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 14
15 Ultra-Low-Power Display Technologien E-Paper - Anwendungsbeispiele Lesegeräte für E-Books (Kindle etc.) Festplatten von Western Digital besitzen EPD als E-Label Teilweise in älteren Mobiltelefonen (z.b.: Motorola Motofone F3) Armbanduhren von Seiko, 2005 mit Segmentanzeige, 2010 mit Matrixdisplay Warenhauskette Billa benutzt E-Ink Displays als Preisschilder Generell überall dort, wo Papier benutzt wird Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 15
16 Agenda 1. Einleitung 2. Faktoren des Gesamtenergieverbrauches von Displays 3. Klassifikation von Display Technologien 4. Ultra-Low-Power Display Technologien (LCD) 5. Zusammenfassung Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 16
17 Ultra-Low-Power Display Technologien LCD - Einleitung LCD (Liquid Crystal Display, Flüssigkristallanzeige) Erstes funktionierende LCD Display: 1968, Radio Corporation of America Basis sind Flüssigkristallzellen in Twisted-Nematic-Technologie Viele weitere Varianten (STN, TSTN, FSTN, DSTN) Versuch LCD-Technologie zu optimieren Unterschiedliche Vor-/Nachteile Grundprinzip bleibt i.d.r. gleich der TN-Technologie Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 17
18 Ultra-Low-Power Display Technologien LCD - Funktionsweise Twisted-Nematic-Kristalle sind in natürlicher Form verdrillt Werden durch Anlegen von Spannung entdrillt Durchlassen von Licht kontrollieren TN-Zelle besteht aus: 2 Polarisationsfilter Transparente Elektroden Alignment Layer Schicht mit Twisted-Nametic-Kristallen Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 18
19 Ultra-Low-Power Display Technologien LCD - Funktionsweise Anordnung der Kristalle ändert sich durch Spannung Polarisationsfilter lassen nur Licht auf bestimmter Schwingungsebene durch Normally White Mode oder Normally Black Mode Zusätzliche Lichtquelle nötig Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 19
20 Ultra-Low-Power Display Technologien LCD - Eigenschaften TN-Technologie Nicht bistabil Energieverbrauch beim Aufrechterhalten und Aktualisieren Allerdings relativ wenig in beiden Betriebsarten Benötigt Hintergrundbeleuchtung (Emissive) Zusätzlicher Energieverbrauch Teilweise unlesbar bei direkter Lichteinstrahlung auf das Display Energieverbrauch skaliert schlecht mit der Größe (Backlight) Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 20
21 Ultra-Low-Power Display Technologien LCD - Anwendungsbeispiele Weiter Anwendungsbereich, nicht so spezialisiert wie E-Paper (TV, Bildschirme, Laptop, Smartphone, ) 2.7 Sharp Memory LCD Display Im Prototypen der SolarDoorplate Transflective (Reflective und Emissive, je nach einfallendem Licht) 1-bit Speicher für jedes Pixel, nur veränderte Pixel werden aktualisiert Senkung des Energieverbrauchs um das 130-fache Sehr energiesparend: passiv 50µW, aktiv 175µW Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 21
22 Agenda 1. Einleitung 2. Faktoren des Gesamtenergieverbrauches von Displays 3. Klassifikation von Display Technologien 4. Ultra-Low-Power Display Technologien (OLED) 5. Zusammenfassung Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 22
23 Ultra-Low-Power Display Technologien OLED - Einleitung OLED organische Leuchtdiode 1950 Entdeckung von Elektrolumineszenz in organischen Materialien 1987 erstes funktionierendes OLED-Display Grundprinzip: Licht wird in organischen Schichten erzeugt Mehrere Varianten, unterschiedliche organische Verbindungen Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 23
24 Ultra-Low-Power Display Technologien OLED - Funktionsweise OLEDs Bestehen aus organischen Schichten Elektronen und Löcher von Kathode/Anode Treffen aufeinander Zustand Exziton Geht in Grundzustand über Aussenden eines Photons Farbe des Lichts hängt vom Energieabstand zwischen angeregtem und Grundzustand ab Physikalische_Chemie/Yersin/BMBF.htm Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 24
25 Ultra-Low-Power Display Technologien OLED - Eigenschaften Emissive, aber ohne Backlight Schwarze Pixel benötigen keine Energie Wenig Energieverbrauch bei dunklem Hintergrund Hoher Energieverbrauch bei weißem Hintergrund Von Natur aus sehr niedriger Energieverbrauch, bis zu 81% weniger als LCD Displays Wenig Erfahrung über die Lebensdauer (nicht lange auf dem Markt) Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 25
26 Agenda 1. Einleitung 2. Faktoren des Gesamtenergieverbrauches von Displays 3. Klassifikation von Display Technologien 4. Ultra-Low-Power Display Technologien 5. Zusammenfassung Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 26
27 Zusammenfassung Drei potentielle Ultra-Low-Power Technologien E-Paper: Kapseln mit geladenen schwarzen/weissen Partikeln LCD: Flüssigkristalle mit Spannung entdrillen Durchlassen von Licht kontrollieren I.d.r. zusätzliche Lichtquelle (Backlight) benötigt OLED: organische LEDs emittieren je nach Energieunterschied andersfarbiges Licht Unterschiedliche Vor-/Nachteile unterschiedliche Anwendungsbereiche Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 27
28 Zusammenfassung E-Paper LCD OLED Kein Verbrauch im passiven Betrieb Geringer Verbrauch aktiver Betrieb Geringer Verbrauch aktiver Betrieb Vorteile I.d.R. Keine zusätzliche Lichtquelle Dunkle Pixel Verbrauchen weniger Schwarze Pixel verbrauchen nichts Keine zusätzliche Lichtquelle Hoher Verbrauch aktiver Betrieb ggü. LCD/OLED Skaliert schlecht mit Displaygröße Lebensdauer teilweise noch fraglich Nachteile Ghosting -> pro Aktualisierung mehr Verbrauch I.d.r. Backlight Verbrauch im passiven Betrieb Evtl. Umgebungslicht nötig Verbrauch im passiven Betrieb Deutlich mehr Verbrauch bei weißem Hintergrund Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 28
29 Zusammenfassung/Anwendungsmöglichkeiten Verschiedene Anwendungsmöglichkeiten E-Paper: Wenig Aktualisierungen, monochrom, keine schnellen Bildwechsel LCD: Viele Aktualisierungen, Farbe/monochrom, schnelle Bildwechsel OLED: Viele Aktualisierungen, Farbe/monochrom, schnelle Bildwechsel, möglichst viel dunkle Farben im Display, Preis für das OLED-Display egal Projekt E-Paper erfüllt alle Anforderungen Je nach Frequentierung der Räume könnte LCD sinnvoller sein Vergleich d. Technologien im Allgemeinen gestaltet sich schwierig besser einzelne Modelle für den konkreten Anwendungsfall Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 29
30 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 30
31 Quellen (1) Fernández, M.R.; Casanova, E.Z.; Alonso, I.G. Review of Display Technologies Focusing on Power Consumption. Sustainability 2015, 7, (2) Society For Information Display, Definitions and Standard Commitee, International Committee for Display Metrology (ICDM). Inormation Display Measurements Standard. Version 1.03, (3) zuletzt aufgerufen am (4) J. Heikenfeld, Prospects for Emerging e-paper Technologies, and a New Breakthrough in Eletrofluidic Displays, Texas nanotechnology Colloquium, Oct Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 31
32 Quellen (5) zuletzt aufgerufen am (6) Jens Ihlenfeld. Memory in Pixel LCD: Neue Displaytechnik von Sharp zuletzt aufgerufen am (7) Zuletzt aufgerufen am (8) Angel Ullan Nieto. The Basics of Organic Light Emitting Diodes. University of Gent. zuletzt aufgerufen am Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 32
33 Quellen (9) Organic Light-Emiting Diodes (OLEDs). University of Stuttgart. /index.en.html zuletzt aufgerufen am Grundlagen ausgewählter Low-Power Display Technologien 33
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