Durch die transparenten Displays können Schaufenster ganz Schnell zu Monitoren werden.

Bild: iStock, Christian Länger

Voller Durchblick Transparente Displays zum Hindurchschauen

04.10.2022

Normale Displays beeindrucken mit Leuchtkraft, hoher Auflösung und brillanten Farben. Doch ausgeschaltet sieht man schwarz – man kann durch sie nicht hindurchsehen. Anders bei transparenten Displays. Sie gibt es in verschiedenen Technologien. Ähnlich einer Brille für Augmented Reality kann dies an einer Maschine den Durchblick auf das Werkstück erlauben oder in einem Schaufenster auf die Exponate und dabei zusätzliche Informationen zu diesen geben.

Ein Farbdisplay besteht aus einzelnen Pixeln. In der Regel wird jedes Pixel aus drei Subpixeln in den Primärfarben rot, grün und blau gebildet. Farbabstufungen werden durch Ansteuerung mit weniger als 100-Prozent-Strom oder Spannung dargestellt. Die Bildelemente werden als Matrix zusammengeschaltet und zeilenweise angesteuert. In der Verdrahtungsebene befinden sich außer den Steuerinformationen für den Bildinhalt je nach Displaytyp auch die Stromversorgungsleitungen. Je mehr Leistung ein Bildelement für den Betrieb braucht, umso niederohmiger und damit massiver müssen sie ausgeführt werden. Bei Passiv-Matrix-LCD reicht das Anlegen einer Spannung, um die Flüssigkristallmoleküle zum Umschalten zu bewegen, bei Technologien wie LED muss ein Strom fließen, der die LED zum Leuchten bringt.

Zunächst muss zwischen emissiven und modulierenden Display-Technologien unterschieden werden. Dabei ist gemeint, ob das Display selbst Licht emittiert oder das einer Lichtquelle moduliert, die von hinten strahlt. In der Abbildung ist die Struktur eines emissiven transparenten Displays zu sehen. Das aktive Bildelement nimmt nur eine kleine Fläche ein, da es selbst nicht transparent ist. Der Rest des Subpixels steht für die Ansteuer- und Versorgungsleitungen des Bildelements zur Verfügung. Mit der Dicke des Materials nimmt die Leitfähigkeit zu, die Transparenz allerdings ab.

Betrachtet man die Pixelstruktur eines modulierenden Displays, so ist festzustellen: Um die Lichtquelle effizient auszunutzen, besteht der größte Teil des Subpixels aus dem modulierenden Teil. Bei Flüssigkristall-Displays befindet sich hier der Farbfilter. Jedes Subpixel wird über einen Transistor angesteuert, der einen Kondensator je nach Graustufe mit dem gewünschten Spannungspegel auflädt. Zwischen den Subpixeln befinden sich die Ansteuerleitungen. Die Abmessungen sind zum Beispiel bei einem 55-Zoll-Display mit FHD-Auflösung (1920 x 1080) für ein Pixel 630 µm und ein Subpixel 210 µm, abzüglich der Gaps.

Je nach Anwendung und Betrachtungsabstand werden unterschiedliche Technologien für Displays eingesetzt. Während Apple mit den „Retina“-Displays versucht, eine möglichst hohe Pixeldichte (Dot Pitch) bei minimalem Abstand zwischen den Pixeln (Gap) zu erzielen, ist es bei transparenten Displays genau umgekehrt: Die leuchtenden Pixel sind nicht transparent, aber der Raum zwischen ihnen kann transparent gestaltet werden.

Die Apertur

Unter dem Begriff „Apertur“ versteht man bei Displays den Bereich, aus dem das Licht austritt, im Verhältnis zur Gesamtgröße eines für ein Pixel genutzten Bereichs. Das emissive Display weist eine geringe aktive Fläche auf, aus der der Lichtstrom austritt. Dieses Design ist günstig für ein transparentes Display, bei dem die aktive Fläche undurchsichtig ist, da der größere Teil Licht von hinten durchfallen lässt.

Beim modulierenden Display ist es umgekehrt, da dort die großen Flächen das durchfallende Licht sperren oder passieren lassen. Hier ist in jedem Pixel die für Transistor und Kondensator verwendete Fläche intransparent. Die für die Verdrahtung benötigten Flächen scheinen entweder permanent durch (bei einem transparenten Display) oder werden bei einem normalen TFT mit einem Schwarzdruck (black mask) lichtundurchlässig gemacht.

Technologien transparenter Displays

Die grundsätzliche Voraussetzung für Transparenz ist, dass die Displaytechnologie erlaubt, dass Licht durch das Panel hindurch fallen kann. Bei reflektiven TN-Displays (Twisted Nematic) wie im Taschenrechner oder ePaper ist dies nicht der Fall. Das Display kann dann einzelne Segmente ausblenden (zum Beispiel TFT) oder Inhalte hinzufügen (transparentes OLED oder transparentes LED-Modul).

TFT

Dünnfilm-Transistor-Displays basieren auf einer Halbleitertechnologie. Elektrische Felder beeinflussen die Lage von zwischen zwei Glasplatten eingeschlossenen Flüssigkristallen. Auf diese Zelle sind Polfilter laminiert, die Licht nur in einer Polarisationsrichtung durchlassen. Durch das Feld wird die Polarisationsrichtung durchfallenden Lichts pixelweise geändert, und es kann zum Auge des Betrachters gelangen.

Die Lichtquelle befindet sich hinter dem Display, das Display selbst wirkt nur als Lichtventil. Wegen der vielen Schichten und Filter-Folien beträgt die Transmission eines TFTs deutlich weniger als 10 Prozent. Daher muss der Hintergrund sehr gut ausgeleuchtet werden, um ein akzeptabel helles Bild zu erzielen. Typische Anwendungen sind daher hinterleuchtete Vitrinen und Verkaufsautomaten, also Geräte, bei denen der Hersteller die Helligkeit der Beleuchtung selbst festlegen kann.

Sharp beschreitet einen Sonderweg: das neu entwickelte transparente TFT wechselt nur zwischen der Darstellung einer Farbe und dem transparenten Zustand. Die spezielle Displaytechnologie erlaubt jedoch eine hohe Transparenz von 60 Prozent. Für Anwendungen, bei denen der Hauptzweck des Displays in der Umschaltung zwischen transparent und undurchsichtig liegen, ist dies ideal. Es gibt zwei Varianten: eine, die ohne Energie transparent ist, und eine, die undurchsichtig ist. Bistabil ist sie nicht.

T-OLED

Beim Fließen eines Stroms durch die Materialien eines OLEDs rekombinieren Elektronen und Löcher. Die dabei freiwerdende Energie tritt als sichtbares Licht aus. Unterschiedliche Materialpaarungen sorgen für unterschiedliche Wellenlängen, die als verschiedene Farben wahrgenommen werden. OLEDs sind nicht transparent, bei der normalen Bauform emittieren die Pixel das Licht durch das Substrat hindurch, wodurch die Helligkeit reduziert wird.

Bei einem transparenten OLED besteht die Herausforderung, die Leitungen auf dem Display so auszuführen, dass sie gleichzeitig transparent und elektrisch leitfähig sind. Im Vergleich mit TFT müssen diese auch einen Stromfluss übertragen können, damit die OLED-Elemente leuchten. Im Unterschied zu TFT, die durchfallendes Licht filtern, emittieren OLED selbst Licht.

Die neue Technik von LG Display hat nicht viel mit der von OLED-TVs bekannten gemein: Der so genannte Stack wurde völlig neu entwickelt und die Materialien für die Leitungen wurden aus IGZO hergestellt, das gegenüber dem ansonsten verwendeten ITO einige Vorteile bietet. Damit konnte eine Transparenz von 40 Prozent bei gleichzeitig brillanten Farben hergestellt werden.

TLM

Transparente LED Module bestehen aus Folien, die mit Leiterbahnen aus transparentem Material, zum Beispiel ITO beschichtet sind. RGB-LEDs mit integriertem Treiber sind dort in Abständen von 10 bis 20 mm montiert. Die Folie ist flexibel und auf der Rückseite mit einer Klebeschicht versehen.

Dadurch kann sie einfach auf ein Trägerglas, zum Beispiel eine Schaufensterscheibe, laminiert werden. Die Abmessungen einzelner Module sind so kompakt, dass sich durch Anreihung Anzeigen nahezu beliebiger Größe erstellen lassen. Die Folie kann zugeschnitten werden, so dass auch nicht-rechteckige Anzeigen im Raster des LED-Pitches möglich sind.

Betrachtungsabstand und Pixel-Abstand

Displays für Digital Signage im Außenbereich müssen groß sein, damit sie aus der Ferne abgelesen werden können. Sie müssen skalierbar sein, weil dort die Bildformate nicht festgelegt sind und sich nicht an die gängigen Seitenverhältnisse halten, sondern den verfügbaren Raum optimal ausnutzen sollen. Bei manchen Applikationen wie zum Beispiel Schilder an Haltestellen sind die Abmessungen von den darzustellenden Informationen vorgegeben. Displays wie Wegweiser durch das Einkaufszentrum hingegen brauchen einen niedrigen Pixel Pitch, weil sie aus der Nähe betrachtet werden.

Ein wichtiger Aspekt ist der Zusammenhang zwischen dem Abstand des Betrachters und dem notwendigen Abstand der Pixel eines Displays. Hierbei geht man davon aus, dass ein optimales Verhältnis dann erreicht ist, wenn der Betrachter zum TV-Gerät je nach Auflösungen auch einen bestimmten Abstand einhält, nämlich bei 55-Zoll-Diagonale mit Full-HD-Auflösung ein Abstand von 3,5 m. Daraus lassen sie zwei Schlüsse ziehen: Um den gleichen Eindruck wie am TV-Gerät zu erzielen, sollte der Pitch nicht größer, also nicht unterhalb der Geraden sein. Um den gleichen Eindruck zu erzielen, braucht der Pitch aber auch nicht feiner zu sein, also nicht oberhalb der Geraden liegen.

Für transparente Displays bedeutet das, dass die Transparenz umso besser ist, je kleiner das aktive Bildelement bezogen auf den Pixel Pitch ist. Desto mehr Freiraum bleibt für den transparenten Bereich zwischen den Pixeln, der aber auch als Verdrahtungsebene gebraucht wird. Diesem Trend entgegen spricht, eine möglichst große Helligkeit bezogen auf die Gesamtfläche zu erzielen. Ist das Bildelement nur klein, muss es (im Falle von transparenten Pixeln wie beim TFT) sehr durchlässig sein. Bei aktiven Displays wie LED oder OLED muss das Bildelement eine hohe Leistung pro Fläche von Strom in Licht umsetzen, was die Alterung beschleunigt.

Skalierbarkeit

Besonders beim Einsatz in der Digital Signage ist ein einzelnes Display-Modul zu klein. Die Anordnung mehrerer Displays in Matrix-Anordnung vergrößert die Displayfläche. Um den Eindruck zu verstärken, sollten die Nahtstellen unsichtbar, das heißt die Ränder der einzelnen Module möglichst schlank sein. Anders als bei nicht-transparenten Displays können die Ansteuer-Elektronik und die Zuleitungen nicht hinter dem Display versteckt werden.

Mögliche Anordnungen zur Vergrößerung der aktiven Fläche zeigt das Beispiel des T-OLED. Die Ansteuer-Elektronik, die sich an einer Längsseite des Displays befindet, wird dabei so angeordnet, dass sie sich außerhalb des Blickfelds befindet. Sie kann auch hinter konstruktiven Elementen, wie zum Beispiel Fensterrahmen, verborgen werden. Geht man von einem Display im Seitenformat 16:9 aus, lassen sich damit die rot angegebenen Seitenverhältnisse abbilden.

Anwendungen für transparente Displays

Transparente Display haben sich in Europa im Gegensatz zu Asien noch nicht auf breiter Linie durchgesetzt. Ideen für Anwendungen gibt es bereits: Trennscheiben zur Wahrung des hygienischen Abstands, Trennscheiben von Besprechungsräumen mit steuerbarer Transparenz für Vertraulichkeit oder Abschattung

  • Frontseiten von Verkaufsautomaten und Tiefkühlschränken für Durchsicht auf das Produkt und gleichzeitige Darstellung von Informationen dazu Vitrinen mit Erläuterung der Exponate

  • Infotainment bei Produktpräsentationen, zum Beispiel Fahrzeug-Showroom

  • Informationen an Haltestellen von Bus und Bahn: Fahrplan und Lageplan; Fahrpläne und Werbung in Fahrzeugen des öffentlichen Personenverkehrs

  • Aufzüge mit Glasfronten, Flanken von Rolltreppen, Fensterfronten, transparente Türen

  • Schaufenster von Schnell-Restaurants

  • Lenkung von Personenströmen, wo eine Durchsicht gewährleistet sein muss

Dem Design der Inhalte ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Die Farbe „schwarz“ existiert nicht – dort ist das Display einfach transparent und zeigt den Hintergrund. Um die Transparenz zur Geltung zu bringen, muss der dargestellte Inhalt eher aus schlanken Linien als aus großen Flächen bestehen. Die folgenden Abbildungen zeigen typische Installationen.

Zusammenfassung

Displays beeindrucken mit ihrer Leuchtkraft, hohen Auflösung und brillanten Farben. Man kann jedoch nicht durch sie hindurch¬sehen. Dies ermöglichen transparente Displays: Sie erlauben den Durchblick auf das dahinter Liegende. Unterschiedliche Technologien verfolgen verschiedene Ziele: TFT als Lichtventil funktioniert am besten vor einer hell beleuchteten Lichtbox, in der Produkte präsentiert werden; das transparente OLED brilliert mit gleichzeitig sehr guter Transparenz und Emission von Licht durch die OLED-Pixel; die Multicolour-LEDs des transparenten LED-Moduls sind hell und auch aus großer Entfernung gut ablesbar.

So unterschiedlich wie die Technologien sind auch die Anwendungsfälle: Schaufenster zur Warenpräsentation, Fronten von Aufzügen oder Fenster in der Gebäudetechnik, „Augmented Reality“ an der Maschine oder Sicherheit durch Durch-Sicht im öffentlichen Bereich. Während in Asien Displays allgegenwärtig sind, gibt es in Europa noch viele Möglichkeiten, diese Technologie einzusetzen.

Bildergalerie

  • Struktur eines modulierenden Displays

    Struktur eines modulierenden Displays

    Bild: Hy-Line

  • Struktur eines emissiven Displays

    Struktur eines emissiven Displays

    Bild: Hy-Line

  • Zusammenhang zwischen Betrachtungsabstand und Pixel Pitch

    Zusammenhang zwischen Betrachtungsabstand und Pixel Pitch

    Bild: Hy-Line

  • Anordnung mehrerer Displays

    Anordnung mehrerer Displays

    Bild: Hy-Line

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