Electric Skin: Nanoforscher entwickeln hautähnliches Farbdisplay
Das weltweit erste dehnbare Farbdisplay hat ein Forscherteam der University of Central Florida entwickelt ( PDF(öffnet im neuen Fenster) ). Die Wissenschaftler nennen es Electric Skin. Je nach angelegter Spannung kann das Display alle Farben im sichtbaren Wellenbereich variabel annehmen. Für Debashis Chanda, der das Team der Nano-Optics Group anführt, lieferte die Inspiration die Natur: "Traditionelle Displays benötigen eine Lichtquelle - Chamäleons dagegen sind bereits mit der Fähigkeit geboren, das Farbspektrum ihrer Haut ganz ohne eine Beleuchtung anzupassen."
Das Besondere am Electric Skin ist die Beschaffenheit: Durch den hauchdünnen Aufbau lässt sich das Material auf flexible Trägerstoffe kostengünstig aufdrucken. "Technologien wie LCD sind sperrig und starr. Oktopusse dagegen können ihre Hautfarbe in komplexen Mustern und Farben anpassen, während sie sich dehnen oder zusammenziehen. Wir fragten uns: Können wir ein hautähnliches Display erschaffen?"
Mit dem Nanodrucker zum Displayshirt
Die Anwendungen sollen so vielfältig sein, dass einem Einsatz praktisch nur die eigene Phantasie Grenzen setzt. Denkbar ist ein militärischer Einsatz für eine Camouflage-Uniform, die der Soldat je nach Terrain beliebig anpassen kann. Im zivilen Bereich könnte das T-Shirt, das Kleid oder nur die Krawatte beliebige Muster oder Farben annehmen. Das gesamte Konsumverhalten könnte beeinflusst werden.
Ob der Bedarf an immer dünneren Bildschirmen für die Unterhaltungselektronik ein Sprungbrett liefert, ist noch nicht absehbar. Nicht nur der Preiskampf ist hart, auch die Anforderungen an Pixeldichte, Kontrast und Reaktionszeit sind hoch. Letztere soll unter 90 Millisekunden liegen, Zahlen zum Kontrastverhältnis liegen jedoch nicht vor. Da keine externe Beleuchtung notwendig ist, ist theoretisch von deutlich höheren Werten als bei traditionellen LC-Displays auszugehen.
Realistisch ist das Szenario, dass die Technik die Basis für all jene neuen Geräteklassen liefert, für die man flexible OLED-Panels zur Marktreife bringen möchte. Die Produktion der organischen Leuchtdioden, die ähnlich flexibel gefertigt werden können, ist für die Displayzulieferer derzeit nur bei kleineren Diagonalen wirtschaftlich. Ebenso ein Faktor ist die im Verhältnis zu LC-Displays viel kürzere Lebensdauer. Genau dort könnte die Electric Skin neue Maßstäbe setzen, da keine organischen Ausgangsstoffe einfließen.
Der Aufbau der Electric Skin kann grob in zwei Bereiche gegliedert werden: eine reflektierende Metallschicht und eine darüberliegende Anordnung aus Flüssigkristallen. Diese können die Polarisation des eintreffenden Lichts, das von der 30 nm dünnen Aluminiumschicht wieder reflektiert wird, variabel anpassen. Die Anordnung der Kristalle kann durch das Prinzip des Oberflächenplasmons angepasst werden.
Variable Polarisation dank Oberflächenplasmons
Aufgrund der angelegten Spannung werden freie Elektronen im Metall angeregt, wobei longitudinale elektronische Schwingungen parallel zur Oberfläche auftreten. Die resultierende elektrische Feldstärke, die je nach Spannung variiert, hat einen Einfluss auf die Orientierung der Flüssigkristalle und damit auf die Wellenlänge des Lichts. Dabei kann das volle Farbspektrum im sichtbaren Wellenlängenbereich dargestellt werden. Die plasmonische Nanostruktur, deren Beschaffenheit an Eierkartons erinnert, ist für die Polarisation entscheidend.
In einer Publikation der Zeitschrift Nature Communications gehen Chanda und sein Team auch auf bestimmte Rahmenbedingungen ein: Da das elektrische Feld exakt im Raum über der metallischen Oberfläche am stärksten ist, sollte die Pixelgröße einen gewissen Größenbereich nicht unterschreiten, da sonst der Effekt des Oberflächenplasmons verloren geht. Der angegebene Wert von 2,1 µm ist jedoch dermaßen gering, dass wir die Grenzen vermutlich noch eine längere Zeit nicht erreichen werden. Zum Vergleich: Ein Pixel eines Ultra-HD-Displays (3.840 x 2.160 Bildpunkte) auf 5 Zoll ist mit 28 µm mehr als 13-mal so groß.
Display mit vielen Vorteilen
Das Prinzip, das ein wenig an die LCoS-Technik erinnert, kann daher als Weiterentwicklung der LC-Technik angesehen werden. Bei LCoS-Displays (Liquid Crystal on Silicon), die in Projektoren zum Einsatz kommen, wird das Licht im Gegensatz zu einem LCD nicht durchgelassen, sondern reflektiert. Aber auch bei LCoS ist das Trägermaterial, das aus einer Anordnung aus Dünnfilmtransistoren auf einer starren Leiterplatte besteht, nicht flexibel.
Somit dürfte in der Electric Skin sehr viel Potenzial liegen: Die Vorteile der Flexibilität, die man aus der OLED-Technik kennt, werden mit den polarisierenden Eigenschaften der LCoS-Technik verbunden, ohne mit den Nachteilen der kontrastmindernden Beleuchtung der LCD-Technik zu kämpfen. Auch das Problem der sichtbaren Leiterbahnen, die aufgrund der eingeschränkten Füllrate zum Fliegengitter-Effekt führen, ist ausgeschlossen, da es keine Leiterbahnen mehr gibt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass dank der plasmonischen Nanostrukturen die Anzahl der Subpixel reduziert werden kann. Während bei LCD meist drei Subpixel (RGB oder CYM) verwendet werden, kann die Zahl hier auf zwei reduziert werden, um dieselben optischen Eigenschaften zu liefern. Dadurch sind noch höhere Pixeldichten möglich.
Chanda ist sich seiner Errungenschaft bewusst und stellt derzeitige Verhaltensweisen bereits infrage: "Warum soll ich 50 Hemden in meinem Kleiderschrank aufbewahren, wenn ich Farbe und Muster anpassen könnte?" Das Forscherteam nutzt bereits ein simples Nanodruckverfahren, um die reflektierende Metallschicht auf großen Flächen anzubringen. "Dieses Verfahren ist billig und ermöglicht flexible Displays, die das volle Farbspektrum abdecken können. Eine einzigartigte Kombination."