Skript Display Vortrag Raspberry Pi Newsletter, Workshop übernächsten Donnerstag (Grundlagen Netzwerktech) Display-Technologien (1) Motivation Auge: 130 Millionen Photorezeptoren -> 1,2 Millionen optische Projektionen Komplexe Verarbeitung in mehreren Stufen, Ergänzen / Aliasing; optische Illusionen – A = B vom Grauwert her, Beweis rechts. 14 millionen Pixel – ganzes Visuelles Feld 9000 kilobit / Sekunde (vom Hamster interpoliert) Ohr: 100 kb / Sekunde Geschmack: 1 kb / Sekunde 10 Milliarden Dreiecke pro Sekunde / 760 Millionen Dreiecke pro Frame Ca. 13-15 FPS, Wahrnehmung der Realität wird ca. jede 77 millisec aktualisiert. (~ EEG wacher Beta Bereich = 12 – 30 Hz) 300 dpi in 1 m Abstand – nahtlos. Alles was unter 1/60 sec passiert (16.6 ms) -> unter Wahrnehmungsgrenze -> Rad-Illusion (Rad steht oder dreht sich rückwärts) Schöne Aussichten (2) Geschichte der Bildschirm-Technologien Der Geist in der Lampe (3) CRT-Kathodenstrahlröhre / “Braunsche Röhre” 1897 von Karl Ferdinand Braun entwickelt, er tat 1906 den Vorschlag sie fürs Fernsehen zu verwenden als „Unsinn wie das Perpetuum Mobile“ ab. Kathodenstrahl: weil um 1900 nicht klar war, dass es sich bei der Strahlung um Elektronen handelt. Nachteile:  Platzbedarf, Gewicht  Strombedarf  (Flimmert) Twisted Nematic Liquid Crystal Display Oder „Schadt-Helfrich“-Zelle, nach den zwei Wissenschaftlern die sie entwickelt haben. Artikel in Applied Physic Letters war jahrelang einer der meistzitierten in der wissenschaftl. Literatur. Flüssigkristall: organische Verbindung, weist Eigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern auf. Oben transparente Elektrode (Indium-Zinn-Oxid, ITO) Zwei Polarisatoren in 90° Winkel, Kristalle drehen Licht. An (2 V Spannung) – Kristalle reorientieren sich, Licht blockiert = schwarz Rückseite: Spiegel = reflexiv oder Lampe = transmissiv Farbe: durch Farbfilter auf Subpixeln (R, G, B) TFT: Thin-film transistor Aktiv-Matrix Nachteile:  ½ Licht Verlust (Polarisator!) o Daher hatte RCA an Erforschung kein Interesse ...  Blickwinkel  Farbechtheit  Strombedarf unabhängig von Schwarz-Fläche  Schwarz ist nie ganz schwarz Alternativen: In-Plane Switching (IPS), VA (Vertical Aligned) LED Fernseher: hauptsächlich LCD mit LED-Backlight Plasmadisplay Große Bildschirme, Verkaufszahlen zurückgehend UV-Strahlen durch Niederdruckplasma wie Leuchtstofflampe, Edelgase (Neon + Xenon) Einzelne Zellen, individuelle Zündung durch Transistor Phosphor versch. Farben BaMgAl10O17:Eu2+ (blau), Zn2SiO4:Mn2+ (grün) und (Y,Gd)BO3:Eu3+ (rot; kann auch von Y(V,P)O4:Eu3+ oder Y2O2S:Eu3+ erzeugt werden) Vorteile:  Stromverbrauch nur in hellen Bereichen  Hoher Kontrast (500:1 – 18.000:1)  Großer „farbechter“ Blickwinkel, sehr schnelle Reaktionszeiten Nachteile:  Mindestens 32‘‘ Displays (Fertigungs-Ökonomie)  Hoher Kontrast (500:1 – 18.000:1)  Großer „farbechter“ Blickwinkel, sehr schnelle Reaktionszeiten  Recht hoher Stromverbrauch  Screen Burn-in o Phosphor überhitzt, verliert Leuchtkraft, und produziert „Geisterbild“ OLED (oder AMOLED) Organische Leuchtstoffe, Vorteile:  Einfach herzustellen o Bspw. durch Tintenstrahl oder Offset-Druck  Reaktionszeit 1000x schneller als LCD (1 microsec statt 1 millisec)  Stromsparend – nur helle Pixel sind an, volle Leuchtkraft (statt ½ wie bei LCD)  Sehr dünn, da keine Hintergrundbeleuchtung nötig o Sony Modul bspw 0,3 mm  flexible Displays realisierbar Nachteile  Lebensdauer (~ 5000 Stunden für weiße Lichtquellen, blaue Komponente!!)  Sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen (-> Kapselung -> Starrheit) o Flexible Displays: hohe Durchlässigkeit für Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit o ITO Elektrode (Indium Tin Oxide) ist spröde, geht bei biegen kaputt ...  Teurer als LCDs Active Matrix: Bahnwiderstände [Passiv-Matrix] nehmen linear mit der Größe zu, Treiberkraft reicht nicht aus, um jeweiliges Pixel anzusteuern -> jedes Pixel wird einzeln über einen eigenen Transistor angesteuert Das Rad der Zeit (4) Die Zeit schreitet voran, Menschen stellen immer höhere Anforderungen Smartphones, neue Einsatzbereiche, Sonnenlicht, Batterielaufzeiten Optische Illusion: Kopf hin und her bewegen, Ringe scheinen gegeneinander zu rotieren e-Ink (5) Papier  7 Liter und 2,5 kWh pro Kilogramm Papier (~200 Blatt) – oder für etwa 600 KB an Daten (Text)  0,1 mm Dicke  Deutsche Papierindustrie Nr 4 weltweit o 22,5 Millionen Tonnen an Papier, Karton, Pappe, ca. 40 % grafische Papiere, 6,4 % Hygienepapiere  80 % Reflexion, 20:1 Kontrast Gyricon, aus Xerox PARC 1970er Jahre Erstes e-Paper. Nick Sheridon und Fereshteh Lesani – zeigen die erste Rolle aus der Fertigung Ursprünglich als Computer-Bildschirm gedacht Idee: Papier wiederbeschreibbar (Xerox Maschine), Rolle aus Behälter ziehen, wird währenddessen beschrieben Schwarz/weiße Kügelchen – 100 µm Durchmesser, pos / neg geladen, in Öl, rotieren unter Spannung  20 % Reflexion, 6:1 Kontrast  Unlimitierte Blickwinkel e-Ink (Elektrophoretisch), z.b. Kindle 3 Elektrophorese = Wanderung geladener kolloidaler Teilchen durch ein elektrisches Feld Kapseln, 40 µm Durchmesser Flexible Displays möglich (wie Gyricon auch) Neue Generation schwarz, weiß, rot, „Cups“, gefrierunempfindlich ...     Kontrast 1:12 / 1:15, 45 % Reflexion 300dpi Auflösung Bessere Auflösung als Gyricon (3 x besser) Unlimitierte Blickwinkel Triton Farbpapier von eInk (Farbfilter!)  200 dpi Auflösung  5 Jahre Servicezeit Nachteile  Switching Zeit ~ ½ s  Ghosting  Dunkle Darstellung bei Farbe PlasticLogic displays Vollflexibel, elektrophoretisch Auflösung z.B. 1920 x 1280 bei 10,7‘‘ (326.4 x 217,6 mm) 150 dpi 16 Graustufen 900 ms Refresh Rate Neue electronic paper Technologien (5) Liquivista / Electrowetting Firma gehört Amazon!  Öltropfen wird durch statische Ladung verschoben (von Wasser umgeben)  Wird gehalten durch Oberflächenspannung (1000 x Gravitation bei den Abmessungen)  Farben durch Stacks – 3 Schicht-Architektur (übereinander) statt Lichtfilter, Absorption von jeweiligem Farbanteil (r/g/b) bzw. Custom Dyes möglich  Unter sehr vielfältigen Lichtbedingungen einsetzbar  60 % Reflektivität, 12:1 Kontrast (oder 18:1 bei 3 Stack)  Unlimitierter Blickwinkel  Video darstellbar  Graustufen  Stromaufnahme deutlich geringer als OLED / LCD (Faktor 4 oder höher), auch geringer als iMoD MEMS Einschränkungen  Farbspektrum eingeschränkt gegenüber z.B. OLED  Quasistabil, nicht bi-stabil (d.h. geringe Stromaufnahme für Betrieb auch statischer Inhalte immer erforderlich) Mirasol (Interferometric Modulator Display) Qualcomm, reflektive Anzeige Bild zeigt Qualcomm Toq Smartwatch Zwei Lagen deren Abstand elektrostatisch geändert werden kann, MEMS Ähnlich wie Schmetterlingsflügel Optische Interferenz zwischen den Lagen  Konstruktive oder destruktive Interferenz für eine bestimmte Farbe; Subpixel Vorteile      Energiebedarf ist sehr gering Bi-stabil [0 Energy wenn keine Änderungen] Angeblich energieeffizienter als E-Ink Video möglich [40fps] Gute Lesbarkeit in heller Umgebung  Farbig Nachteile  Hintergrundbeleuchtung nicht nutzbar Pixtronix Drei LEDs R / G / B speisen Licht ein, zyklisch abwechselnd Jedes Pixel hat einen optischen Shutter, keine Subpixel. Darstellung-Zeitlänge -> Helligkeit 1400 cd/m^2 in 12‘‘ display, 176° viewing angle Erwartet dass LEDs zuerst kaputt gehen (~300.000 Stunden MTBF) Vorteile        Höhere Auflösung! (keine Subpixel) Exzellente Schwarzwerte (Pixel geschlossen) Viewing angle 60 fps Video Energieverbrauch 1/10 von LCD Low-Cost Scalability  Besserer Kontrast als LCD (4500:1 TMOS vs. 2500:1 LCD) MTBFs TMOS 300.000 h OLED 10.000 h Plasma 30.000 h CTRS 40.000 h LCD 100.000 h Hohe Geschwindigkeit nötig Energieverbrauch bei statischem Bild Unter Sonnenlicht vermutlich nicht ablesbar Laser Tech 1963 – nach Erfindung des Lasers – vorgeschlagen, 1990er als Prototyp entwickelt (klobige Maschine) Vorteile von Laser:  Sehr gute Kontraste [50.000 : 1]  Helligkeit 500 cd/m^2  Projektion auf beliebige Flächen möglich  Scharfe Bilder  Sehr breites Farbspektrum – bis zu 90 % der menschlichen Wahrnehmung abdeckbar  Niedrige Energiekosten Nachteile Begrenzte Lichtstärke Grüner Laser durch Frequency Doubling Auch : Laser Phosphor Display („Prysm“) Großformat-Technologie Braucht weniger Energie als LED / LCD „braucht bis zu 75 % weniger Energie als vergleichbare Technologien“ Laser + Phosphor, „no burn-in issues“, 65.000 h Leben Ausblick: Quantum Dots Durch Größe des Dots wird Wellenlänge des Lasers eingestellt, bzw. der LED – sehr präzise Diese Quantum Dots sind heute schon real – bspw. für optische Datenkommunikation Auch für LEDs, ... Größe zwischen 5 und 50 nm Sony setzt diese Quantum Dots in high-End Fernsehern ein, für sehr gute Farbwiedergabe (als Backlight) Idee ist diese Dots ähnlich der OLEDs zu verwenden ... Bionic Contact Lens Augmented Reality Strom: Drahtlos Bio-kompatible linse Fläche: 1 cm^2, Dicke < 200 µm Radio – Frequenz wird “abgegrast”, -> LEDs werden davon betrieben, Fresnel Linsen projizieren das Bild auf die Retina (Weil Auge nicht auf Kontaktlinse fokussieren kann!) Self-Assembly -> Komponenten müssen in die richtigen Plätze, bestimmt durch ihre Form (werden auf die Oberfläche geworfen) 2013, Prototyp mit drahtloser Stromversorgung und einem Einzel-Pixel Display Getestet am Kanickel für bis zu 20 Minuten. Das Kanickel hat sich nicht beschwert. Alternative: Virtual Retina Display     Z.B: Laser Diode Kann das perfekteste Bild von allen liefern Energiesparsam, nur Licht was benötigt wird Privacy Microsoft HoloLens + Windows Holographic HPU – Holographic Processing Unit, und CPU / GPU Depth camera 120°x120° field of view Die Zukunft ist flexibel (6) . Optische Illusion: horizontale Linien sind wirklich parallel, obwohl es anders wirkt Bonus Gedruckte Elektronik (Papier mit Elektronik statt elektronisches Papier)  Elektrische Schaltungen die Papier als Träger und Teil der Schaltung (Dielektrikum) nutzen und Batterien auf Papier / CNT Basis OLET: Organic light-emitting transistor. Vorteil: weniger Bauelemente gegenüber OLED (Aktive Matrix kann komplett aus OLETs gebaut werden) SED surface-conduction electron-emitter display Matrix von kleinen Kathoden-Tubes für sub-pixel, mit Phosphor. Vorteile von CRTs mit Kompaktheit von LCDs, brauchen weniger Strom als LCD der Größe. 2010 Ende von SED Technologie Ferro Liquid Crystal Display Schnelle Schaltzeiten (< 100 µs), sehr klein baubar 120° viewing angle Magnetic polarisation effect is bistable -> low frame rate on low power Lack of gray scale except by time multiplexing Sensitivity to shock and vibration Telescopic pixel display (TPD) Microsoft MEMS, Spiegel die Licht zurückwerfen oder öffnen P-Ink http://de.wikipedia.org/wiki/P-Ink http://www.heise.de/tr/artikel/E-Paper-ausphotonischen-Kristallen-280299.html Schaltgeschwindikeit ähnlich wie bei eInk Photonische Kristalle Cholesterische LCD Displays Bistabil Temperaturempfindlich Paper battery Batteries are charged by the water vapor in the air, as long as humidity exceeds 40 % Spacer formed largely of cellulose Incorporates nanoscale structures to act as high surface-area electrodes to improve conductivity Non-corrosive, do not require extensive housing Electrolytes: ionic liquid, also naturally occurring electrolytes: human sweat, blood, urine Batteries employ nanotubes, Carbon nanotubes Also planned for the future are 3D stereoscopic displays that use eye tracking (via stereoscopic front-facing cameras) to provide full resolution 3D visuals. Paper electronics Papier als Substrat und dielektrische Schicht  Papier-Displays, Smart Labels, smart Packaging, Bio-applications, RFID tags  Sehr gute Performance Cenimat/I3N (Lissabon, Portugal) Field effect transistors with paper interstrate layer Biopolymere: Zellulose (“earth’s major biopolymer”) Physical support (substrate) Interstrate component of a FET [field effect transistor]