Die Umwelt auf dem Schirm

Nutzbar sind solche Displays etwa für elektronisches Papier, zum Beispiel für E-Books, das digitale Informationen so präsentiert, dass sie aussehen wie gedruckt. Der Clou: Reflektierende Displays verbrauchen nur wenig elektrische Energie – und auch bloß, um etwa eine Seite in einem Buch aus E-Papier umzublättern. Um Bilder oder Buchstaben mit elektronischer Tinte sichtbar zu halten, wird kein Strom benötigt. Außerdem liefern reflektierende Bildschirme einen sehr natürlichen Farbeindruck, sagt Zhang.

Diese Technik ist bereits etabliert. Ihre Vorteile: Elektronisches Papier ist, wie sein greifbares Pendant, umso besser lesbar, je heller die Umgebung ist. Darin unterscheidet es sich von selbstleuchtenden Displays wie LEDs oder LCDs, die eine Hintergrundbeleuchtung benötigen. In grellem Sonnenlicht, etwa im Urlaub am Strand, leuchten zwar auch solche Displays heller, dennoch sind sie schlechter lesbar. Der Grund: Die selbstleuchtenden Bildschirme müssen energieaufwendig ihre Umgebung überstrahlen – während reflektierende Displays ihre Helligkeit gerade aus dem Licht der Umgebung beziehen.

Allerdings: Die Vorteile bei Energieeinsparung, Lesbarkeit und Augenfreundlichkeit werden mit einigen Nachteilen erkauft. So haben reflektierende Displays eine langsame Bildwiederholfrequenz das heißt: Sie sind nicht in der Lage, schnelle Bewegungen darzustellen und funktionieren nur in einem beschränkten Temperaturbereich. Wenn es um kurzlebige Anwendungen geht, ist das aber kein Problem, zum Beispiel in Sensoren oder smarten Etiketten.

Nach Gebrauch auf den Kompost

Ein weiterer Pluspunkt der Reflexionstechnik: Sie bietet die Chance, die Menge an Elektroschrott zu verringern. Davon fielen 2019 weltweit rund 54 Millionen Tonnen an. Eine Lösung haben nun Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gefunden: Sie haben neuartige Displays entwickelt, die nach ihrem Gebrauch vollständig verrotten. „Die Displays eignen sich unter anderem für Medizinartikel, die nach dem Benutzen rasch entsorgt werden müssen, oder für Einwegverpackungen von Lebensmitteln“, erklärt Manuel Pietsch, Physiker am Lichttechnischen Institut des KIT in Heidelberg. Das können etwa EEG-Sensoren zum Messen der Hirnströme sein. Sie werden aus hygienischen Gründen nicht gereinigt und wiederverwendet, sondern weggeworfen. Nützlich wären kompostierbare Displays auch bei Etiketten, die dazu dienen, die Kühlkette von Medikamenten zu verfolgen oder die Qualität von Lebensmitteln zu überwachen.

„Mit unserer Entwicklung konnten wir zum ersten Mal nachhaltige Bildschirme aus überwiegend natürlichen Materialien herstellen“, sagt Pietsch. „Das Display wird dazu auf eine biologisch abbaubare Folie aus Zellulose gedruckt und danach in Gelatine eingekapselt.“ Da die Gelatine ein wenig klebt und das gesamte Display biegsam ist, lassen sich daraus hergestellte Etiketten sogar passgenau am Handrücken oder am Körper anbringen. Nur die Elektroden, über die ein elektrischer Strom zugeführt wird, sind aus Gold. Doch das ist kein Problem, meint der Forscher aus Heidelberg, „denn Gold ist chemisch inert.“ Das heißt: Es reagiert nicht mit anderen Substanzen. Die bislang hergestellten Forschungsmuster der Displays verrotten zwar nicht komplett – nach zwei Monaten sind sie nur zu rund 80 Prozent zerfallen. „Doch das optimieren wir gerade“, versichert Pietsch.

Schwächen beim Bildkontrast

Auch die kompostierbaren Displays aus den KIT-Labors nutzen einen elektrochromen Effekt, den das organische Ausgangsmaterial zeigt. Liegt eine elektrische Spannung an, ändern die Moleküle ihre optischen Eigenschaften: Das Material absorbiert und reflektiert bestimmte Wellenlängenbereiche des Sonnenlichts, wodurch es farbig erscheint. Die Displays, die ohne anliegende Spannung transparent sind, leuchten dann zum Beispiel blau. Der Vorteil dieser Displays: Sie verbrauchen – wie elektronisches Papier – nur beim Umschalten Energie. Das verringert den Bedarf deutlich im Vergleich zu aktiven Bildschirmen, die ständig strahlen müssen. Das Manko: Ein Umschaltvorgang dauert je nach Pixelgröße zwischen einer und drei Sekunden, und der Bildkontrast ist relativ schwach. Das ließe sich zwar verbessern, meint Pietsch. Denn es gibt auch elektrochrome Moleküle, die in weniger als einer Sekunde schalten und deutlich bessere Kontraste bieten. „Doch die sind nicht biologisch abbaubar.“

Herstellung per Tintenstrahl

Das komplette Display lässt sich mit einem Tintenstrahldrucker herstellen. Das macht die Fertigung einfach und kostengünstig – und spart Ressourcen. Denn Material wird nur dort aufgebracht, wo es nötig ist. Abfälle bei der Herstellung gibt es nicht. Fast alle Monitorgrößen seien möglich, betont Pietsch: von kleinen Etiketten im Format weniger Quadratmillimeter bis zu mehreren Quadratmeter großen Flächen – soweit eben der Drucker reicht. Und es geht schnell: „Das Drucken eines Displays im Format von 20 mal 20 Zentimetern dauert zehn Sekunden“, sagt der KIT-Forscher.

Je nach Material lassen sich mit drei unterschiedlich farbempfindlichen Substanzen, die kombiniert werden, verschiedene Farben darstellen. Die Technik ermöglicht also echte Colordisplays, ohne dass dadurch die Kompostierbarkeit verloren geht. Zudem ist es möglich, zusätzlich Sensoren einzubauen, die etwa Helligkeit, Temperatur oder Wärme messen und die Daten direkt speichern – wichtige Informationen zum Beispiel bei Impfdosen, die durchgehend kühl bleiben müssen.

Ein Ziel der KIT-Entwicklung sind elektrische Bauteile, die sich nach dem Gebrauch entweder wiederverwenden lassen oder möglichst vollständig zerfallen – beispielsweise für Fernseher mit LED- oder OLED-Bildschirmtechnik. „Wir denken dabei an Komponenten, die von außen angeregt werden, um dann zu zerfallen“, erklärt Pietsch. Die Idee: Bestrahlt man die Werkstoffe mit UV-Licht oder erhitzt sie, werden sie für Mikroben angreifbar, die sie biologisch zerlegen. Zuvor sind sie robust und stabil. Ein solcher Zerfall wie auf Knopfdruck ist allerdings noch Zukunftsmusik.

Bei größeren Bildschirmen für Produkte wie Fernseher, Smartphones oder Tablet-Computer dominieren bislang selbstleuchtende Elemente: sogenannte LEDs (lichtemittierende Dioden) oder die weiterentwickelten organischen LEDs, kurz OLEDs. Sie vermeiden Nachteile der früher verwendeten LCD-Technik, deren Anzeige auf Flüssigkristallen basiert. LCDs erzeugen transparente Bilder, die erst durch ein weißes Hintergrundlicht zum Leuchten gebracht werden. Die Technik bleicht die Farben aus und kann kein tiefes Schwarz darstellen, denn in LCD-Bildschirmen schimmert stets ein Rest des Hintergrundlichts durch. Displays mit selbstleuchtenden Elementen haben diese Schwäche nicht. Werden darin bestimmte Pixel abgeschaltet, wird es an den betreffenden Stellen total finster.

Groß und scharf soll es sein

Bei TV-Konsumenten gefragt sind hyperrealistische Displays im Großformat mit möglichst hoher Auflösung – also: eine große Fläche und kleine Pixel. Das steht dem Ziel entgegen, sparsamere, „grüne“ Displays zu entwickeln. Wohin die Reise derzeit geht, zeigt die aktuelle OLED-Technik. Sie ermöglicht besonders kleine Bildpunkte – bei kleinen Displays für Smartuhren ebenso wie bei Fernsehschirmen in Wanddimension. Und das kommt an: 2020 lieferten die großen Produzenten weltweit etwa 500 Millionen OLED-Displays aus.

Anders als anorganische LEDs nutzen OLEDs in den Pixeln selbstleuchtende organische Halbleiter. Die funktionieren bereits bei vergleichsweise schwachem elektrischen Strom und geringer Leuchtdichte, weshalb solche Displays einfacher herzustellen sind als LEDs. Allerdings gibt es Zweifel an ihrer Haltbarkeit. Denn organische Moleküle können ausbleichen und gelten als weniger widerstandsfähig als anorganische Substanzen. Da die genutzten Materialien auf Kohlenwasserstoffen basieren, sind OLEDs zudem empfindlich gegenüber Sauerstoff, Feuchtigkeit und Hitze.

Doch es drängen bereits Displays mit anderer Technik in den Markt, die solche Probleme ausräumen sollen: sogenannte MicroLEDs. Im Gegensatz zu OLEDs enthalten sie anorganische Verbindungen wie Galliumnitrid. Das bringt für die Bildschirmtechnik gleich mehrere Vorteile: So sind die Displays besonders hell, sehr langlebig und bieten einen guten Kontrast, hohe Transparenz sowie ein breites Farbspektrum.

Zudem sind sie biegsam und bestechen mit einer effizienten Energieausnutzung. Überdies sind die Reaktionszeiten bei Bildwechseln kurz und das Bild lässt sich selbst aus einem großen Blickwinkel betrachten. Das wird vermutlich ausreichen, um die bislang dominierenden Displaytechniken vom Markt zu verdrängen.

Als erstes Unternehmen brachte Sony 2016 unter der Bezeichnung „Crystal LED“ einen modularen MicroLED-Bildschirm auf den Markt. Bei der Größe solcher Displays gibt es im Prinzip keine Grenzen. Inzwischen produzieren Hersteller aus Fernost wie Sony, LG oder Samsung wuchtige Spezialbildschirme für Geschäftskunden – etwa zum Einsatz bei Messen oder in Sportstadien.

MicroLED-Bildschirme von Samsung für diesen Zweck bestehen aus mehreren Modulen, von denen jedes 0,81 Meter mal 0,45 Meter misst und mit bis zu 43.000 Pixeln bestückt ist. Die aktiven Leuchtelemente reichen bis an die Modulränder heran, sind aber nur erkennbar, wenn der Bildschirm ausgeschaltet ist. Das Unternehmen aus Südkorea bietet „The Wall“ – die Wand – in unterschiedlichen Größen bis zu 12,90 Meter mal 7,30 Meter an.

Ende 2020 hat Samsung – mit rund 20 Prozent Marktanteil der größte Produzent von Smartphones und Fernsehgeräten – zudem den ersten Fernseher auf MicroLED-Basis für den Hausgebrauch angekündigt. Er soll noch in diesem Jahr auf den Markt kommen und ein hochauflösendes Display im Format von 110-Zoll besitzen – das entspricht einer Bildschirmdiagonale von 2,80 Metern. Der Preis: rund 130.000 Euro. Noch größer wird ein weiterer MicroLED-Fernseher von Samsung sein, der später folgen wird. Er soll in der Diagonale üppige 165 Zoll messen, umgerechnet 4,20 Meter. Das entspricht einem Rechteck von 3,65 mal 2,05 Metern. Der voraussichtliche Preis des TV-Riesen: rund 340.000 Euro. Wer sich das monströse Gerät leisten will, benötigt allerdings Platz für Umbauten im Wohnzimmer: Wenn der Fernseher ausgeschaltet ist, lässt sich sein riesiges Display in fünf Teile zusammenfalten und komplett im Fußboden versenken.

Die Preise solcher Geräte dürften nicht auf Dauer so gewaltig bleiben. Denn das britische Marktforschungsunternehmen Omdia prognostiziert, dass die Produktionskosten rasch sinken werden – und die hergestellten Stückzahlen entsprechend steigen. Ausgehend von kaum 1000 Bildschirmen 2020, werden nach der Prognose von Omdia 2026 bereits 17 Millionen dieser Geräte ausgeliefert.

Solche Entwicklungen lassen für den TV-Energieverbrauch eigentlich nichts Gutes erwarten. Doch neue effiziente Technologien wie die MicroLEDs, bieten zumindest die Chance, dass der Energieverbrauch trotz immer größerer Bildschirmflächen nicht im selben Maß wächst wie die Ansprüche der Nutzer. Den Fortschritt belegt ein Vergleich mit älteren Techniken: Große LCD-Fernsehmonitore haben gerade mal eine Effizienz von drei Prozent. Geräte mit OLED-Technik können bereits mit einem zwei- bis dreimal so großen Wirkungsgrad aufwarten.

Die Effizienz von MicroLEDs übertrifft die von OLED-Bildschirmen nochmals deutlich: Die neue Technik ermöglicht einen Wirkungsgrad von bis zu 20 Prozent. Hinzu kommt: Die MicroLED-Technik steckt noch in einer frühen Phase ihrer Entwicklung. Das lässt für die Zukunft auf weitere Verbesserungen bei der Energieeffizienz hoffen.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…