E-Book-Reader leben von ihrer „elektronischen“ Tinte und dem fast papiergleichen Bildschirm, der auch in der Sonne gut lesbar ist. Was steckt hinter dieser Technik und warum können Tablets und Laptops davon nicht profitieren?

Licht trifft auf Kristalle, die bestimmte Wellenlängen herausfiltern – das LC-Display-Prinzip benötigt dafür dauerhaft Strom. Die "elektronische" oder "digitale" Tinte kommt dagegen gänzlich ohne interne Lichtquellen aus.

Licht trifft auf Kristalle, die bestimmte Wellenlängen herausfiltern – das LC-Display-Prinzip benötigt dafür dauerhaft Strom. Die „elektronische“ oder „digitale“ Tinte kommt dagegen ganz ohne interne Lichtquellen aus.

Anfangs wurden E-Book-Reader belächelt: Ein Gerät nur zum Lesen von digitalen Büchern? Kaum vorstellbar, dass sich eine solche Gerätegattung durchsetzen würde. Als Anfang 2010 die ersten Tablet-PCs auf den Markt kamen, hielten dies nicht wenige für das Ende der eben erst gestarteten E-Book-Reader. Doch Kindle & Co. konnten sich behaupten, und zwar aus demselben Grund, dem sie ihren Erfolg zu verdanken hatten: der elektronischen Tinte.

Darstellung auf einem Monitor

Das Geheimnis der E-Reader ist deren Bildschirm. Im Gegensatz zu Computermonitoren wird das Bild passiv erzeugt; doch was heißt das? Bei Monitoren werden Flüssigkristalle elektrisch angeregt; derart beleuchtet, erzeugen sie die bekannten Pixel, allerdings nur, so lange ein Strom anliegt. Stoppt die Elektronenzufuhr, so richten sich die Kristalle wieder in ihre Ursprungsposition aus. Zusätzlich benötigt ein aktueller Computerbildschirm eine Hintergrundbeleuchtung. Diese scheint durch die Kristalle hindurch; je nach Stellung der Kristalle werden nur bestimmte Wellenlängen durchgelassen – auf dem Schirm entstehen die bekannten Farben.

Elektronische „Tinte“

Während Computerbildschirme also eine aktive Beleuchtung benötigen, ist dies bei E-Reader-Displays nicht notwendig. Der Vorgang läuft umgekehrt ab: Erst wird mit einer geringen Spannung ein Bild erzeugt, danach ist keine weitere Ladung mehr erforderlich und der Stromfluss kann gestoppt werden. Das Bild oder Muster bleibt auf dem Display bestehen, tatsächlich hält es sich in der Praxis bis zu mehrere Wochen lang! Wie die Darstellung im Detail funktioniert, erklären wir weiter unten.

Einer der bekanntesten Hersteller entsprechender Displays ist die US-amerikanische „E Ink Corporation“ – der Begriff „E-Ink“ (zu deutsch: „E-Tinte“) hat sich aber auch als Synonym für die gesamte Darstellungstechnik etabliert. Gelegentlich spricht man auch von „E-Paper“, also elektronischem Papier.

Weitere Vorteile

Elektronische Tinte kommt auch andernorts zum Einsatz – hier bei einem Fahrrad (Bild: e-ink)

Elektronische Tinte kommt auch andernorts zum Einsatz – hier bei einem Fahrrad (Bild: e-ink)

Die Tatsache, dass einmal erzeugte Inhalte dauerhaft bestehen bleiben, ist ein Traum für Ingenieure. Der Akku, wunder Punkt eines jeden Handys und Laptops, wird bei dieser Form der Bilderzeugung praktisch nicht beansprucht. Allerdings kostet jede Neuausrichtung der „Tinte“ ein wenig Energie. Wechseln also Teile des Bildes, so wird immer auch ein bisschen Strom benötigt. Dennoch hält ein normaler E-Book-Reader wochenlang durch, und die meiste Energie geht durch Hintergrundbeleuchtung und Selbstentladung verloren, nicht aber durch das Display.

Ein E-Ink-Bildschirm hat aber noch andere Vorteile: Das Bild flimmert nicht und es gibt keine Spiegeleffekte. Weil die Anzeige passiv erzeugt wird, kann man sogar in der prallen Sonne lesen – und das völlig problemlos, so wie in einem echten Buch. Außerdem kann man das Display aus jedem Blickwinkel betrachten; bei einem PC-Monitor verschwindet der Inhalt ab einem Winkel von etwa 30 bis 60 Grad.

Nachteile und Grenzen

Der größte Schwachpunkt elektronischer Displays ist die schlechte Farbdarstellung. Bei allen Geräten mit entsprechender Technik sind die Farben blass und nicht mit der prächtigen Darstellung auf einem Tablet-PC zu vergleichen. Auch für Videos oder andere schnell wechselnde Inhalte ist ein E-Ink-Schirm nicht zu gebrauchen. Die Darstellung ist träge und beim ständigen Wechsel der Bildinhalte geht auch der Energiespareffekt verloren.

Funktionsprinzip elektronischer Tinte

1. „Tröpfchen“ mit Partikeln

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Elektronisches Papier besteht aus Millionen winziger „Tröpfchen“. Diese Tröpfchen sind Kapseln, die kaum dicker sind als ein menschliches Haar. Jede Kapsel enthält ihrerseits eine Reihe von Partikeln, die entweder positiv geladen sind (hier im Bild weiß dargestellt) oder eine negative Ladung tragen (im Bild schwarz). Die Kapseln sind mit einer Flüssigkeit gefüllt, so dass die Pigmente darin schwimmen. Die Flüssigkeit ist aber nicht transparent! Ein Betrachter kann immer nur die obere Hälfte der Kapseln sehen – der Rest bleibt in einer Art Schatten darunter verborgen. In der Darstellung wäre das Papier (oben) jetzt weiß.

2. Spannungseinfluss

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Im Ausgangszustand liegt eine positive Spannung am unteren Rand (der Bodenelektrode) des E-Papiers an. Da sich unterschiedliche Ladungen anziehen, richten sich die Partikel in den Kapseln so aus, dass die negativ geladenen Teilchen nach unten zeigen. Die weißen und positiv geladenen Partikel „wandern“ dagegen nach oben und sind sichtbar – das „Papier“ ist weiß.

3. Textdarstellung

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Um Text oder Bilder darzustellen, wird die Spannung für eine oder mehrere Kapseln einfach gewechselt. Nun ist der untere Teil negativ geladen, die Partikel in den Kapseln beginnen sich neu auszurichten.

Nach einigen wenigen bis mehreren hundert Millisekunden ist der Vorgang abgeschlossen. Alle negativ geladenen Partikel sind an die obere, sichtbare Seite der Kapsel gewandert. Sie sorgen jetzt dafür, dass der Betrachter an dieser Stelle einen winzigen schwarzen Punkt erkennt. Steuert man auch benachbarte Kapseln mit entsprechender Ladung an, so lassen sich Buchstaben und Muster (= Bilder) formen. Die Trägheit der Partikel, respektive der Flüssigkeit, bei diesem Vorgang ist auch der Grund dafür, dass der Seitenwechsel bei einem E-Book-Reader relativ langsam vonstatten geht.

4. Höhere Auflösung und Schattierungen

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Die Spannung am Boden einer Kapsel kann auch geteilt werden. In diesem Fall ist der eine Teil positiv, der andere negativ geladen. Entsprechend richten sich die Partikel im Inneren aus. So wird die Auflösung erhöht und die Darstellung noch schärfer. Graustufen werden ähnlich erzeugt. Hier muss aber zusätzlich die anliegende Spannung variiert werden, und zwar in Abhängigkeit der vorhergehenden Verteilung der Pigmente in der Kapsel. Dies erfordert eine aufwendige Steuerung durch einen Controller; gelegentlich müssen alle Kapseln zurückgesetzt werden, was sich in einem kurzen Flackern des Displays äußert.

Bilder: e-ink.com

Infografik E-Tinte

Hier noch einmal alle Schritte in einer gemeinsamen Infografik:

So funktioniert Elektronische Tinte (Infografik eigene, Bilder: e-ink)

So funktioniert Elektronische Tinte (Infografik eigene, Bilder: e-ink)

 

Elektronische (digitale) Tinte im Video

Das folgende Lehrvideo verdeutlicht noch einmal das Funktionsprinzip:

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