OLED sticht TFT: Vorteile eines OLED-Displays im Industrie-Alltag

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OLED-Displays gelten als lichtschwach und kurzlebig. Doch das gilt nicht mehr für aktuelle Modelle. Wir vergleichen aktuelle OLED- und TFT-Technik und zeigen die Vorteile des „OLEDs“ für die Industrie.

Wer ein OLED-Display einsetzen will, wird schnell mit Vorurteilen konfrontiert: lichtschwach, kurzlebig und unzuverlässig. Doch diese Aussage mag für Displays zutreffen, die vor 15 Jahren gefertigt worden sind. Die Technik hat sich gewandelt. Seit großflächige OLED-Displays hergestellt werden können und kommerziell verfügbar sind, rückt die Technik verstärkt in das Bewusstsein der Elektronikmarkt-Kunden.

OLED steht für „Organic Light Emitting Device“. Dabei bezeichnet Organic die Materialien, die zur Funktion des Displays beitragen – es sind Materialien der organischen Chemie. Im Gegensatz dazu basieren TFT auf Halbleiter-Materialien der anorganischen Chemie. Im Folgenden soll der Oberbegriff „LCD“ für alle Flüssigkristall-Techniken stehen. Außerdem werden nur passive Displays betrachtet, also solche, bei denen das Bildelement allein durch Anlegen einer Spannung schaltet, und nicht noch wie bei TFTs ein Transistor als aktives Bauteil im Spiel ist.

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Ein OLED-Display ist dünner als ein TFT

LC-Displays wirken als Ventil für existierendes Licht, das meistens von einer Lichtquelle hinter dem Display stammt. Die Transparenz aller Schichten liegt deutlich unter 10%, das heißt, dass 90% des Lichtes verloren gehen. Da Displays auf Basis von OLED kein Backlight benötigen, können sie dünner als LC-Displays ausgeführt werden. Die organischen Materialien bestimmen die Wellenlänge und damit die Farbe des Lichts. Da die Leuchtmaterialien anders als bei TFT nicht auf das Backlight-Spektrum und die Durchlasskennlinie des Farbfilters abgestimmt werden müssen, wird ein großer Farbraum, der sogenannte Gamut, erreicht (Bild 2).

Während beim LC-Display die Leistungsaufnahme hauptsächlich vom Backlight bestimmt wird und konstant ist, nehmen bei OLED nur die aktiv leuchtenden Bildelemente Strom auf. Ein OLED-Display erreicht ohne zusätzliche Streufolien einen weiten Betrachtungswinkel von nahezu 180°, ohne dass es zu Farbabweichung oder Kontrastverlust kommt. Der Kontrast von OLED ist sehr hoch, da in dunklen Bereichen kein vom Backlight beleuchteter Hintergrund durchscheint.

Mit OLED sind weite Temperaturbereiche möglich. Nur Low-End-Anwendungen kommen mit segmentierten Displays aus. Die vielseitigsten Einsatz-Möglichkeiten bieten OLED als Punktmatrixdisplays. Sie sind in verschiedenen (monochromen) Farben wie gelb, grün, blau-grün, orange, weiß, rot und blau verfügbar. Bringt man zwei Farbstoffe nebeneinander auf demselben Substrat an, können mit dem „Area Colour“ genannten Effekt zwei Bildschirmbereiche mit unterschiedlicher Farbe angezeigt werden. Das Bild 3 zeigt monochrome Displays in verschiedenen Farbausführungen, im Uhrzeigersinn von links oben grün, gelb, orange, blau-grün und in der Mitte weiß.

Die Helligkeit eines OLED-Displays im Vergleich zum TFT

Beim Studium eines Datenblatts fällt auf, dass die angegebene Helligkeit im Vergleich zu TFT eher niedrig ist: je nach Farbe liegt sie zwischen 80 und 150 cd/m². Daraus zu schließen, OLED seien schlecht ablesbar, ist nicht richtig: Die Ablesbarkeit hängt vom Kontrast, also dem Verhältnis zwischen hell (eingeschaltetes Pixel) und dunkel (Hintergrund) ab. Der Hintergrund ist bei OLED sehr dunkel, da hier kein Backlight von hinten durchscheint. Anders als TFT benötigen OLED für ihre Funktion zwar keinen Polfilter, können aber mit ihm den Kontrast steigern, indem Reflexionen des Auflichts eliminiert werden. Eine absolut hohe Helligkeit ist für das Ablesen nicht nötig. Als Beispiel seien Sportuhren mit Pulsmesser genannt, die auch bei großer Helligkeit im Außenbereich ablesbar sind.

Die Lebensdauer von OLED wird ebenso definiert wie von TFT: Sie bezeichnet die Zeit, die vergeht, bis die anfängliche Helligkeit auf 50% zurückgegangen ist. Bei einem TFT lässt die Helligkeit des LED-Backlights nach, bei OLED das Display selbst. Im Betrieb hängt die Lebensdauer von verschiedenen Faktoren ab, vor allem Temperatur und Helligkeit. Je nach emittierter Farbe haben Leuchtmaterialien unterschiedliche Lebensdauern, von blau mit 30.000 h bis hin zu gelb mit 150.000 h. Umwelteinflüsse sind unabhängig vom Betrieb und begrenzen die Lebensdauer bei Lagerung. Feuchtigkeit und Sauerstoff reagieren chemisch mit den organischen Materialien. Sie sind durch das Design der Verkapselung der Zelle gut beherrschbar und spielen nur eine untergeordnete Rolle.

So lassen sich unerwünschte Display-Effekte vermeiden

Der Effekt der (differentiellen) Alterung einzelner Pixel durch den Betrieb ist unter verschiedenen Begriffen bekannt: Burn-in, Image Sticking, Persistence oder Ghosting. Das menschliche Auge erkennt Unterschiede in der Helligkeit recht gut. Daher sollte der GUI-Designer dafür sorgen, dass alle Pixel eines Displays ungefähr gleich lang eingeschaltet sind und statische Bildinhalte vermeiden. In manchen Applikationen ist das nicht möglich, also müssen andere Strategien befolgt werden. Ein Bildschirmschoner eignet sich, wenn der Display-Inhalt nicht permanent abgelesen werden muss. Der Schutz greift dann, wenn der Anwender nicht aktiv mit dem Display arbeitet, wie bei Status-Anzeigen, Energie-Zählern oder Messgeräten. Der originale Bildinhalt wird durch einen Tastendruck, eine Touch-Betätigung oder Änderung von Werten reaktiviert. Da die Lebensdauer vom Farbstoff abhängt, kann es von Vorteil sein, die Displayfarbe danach auszuwählen.

Das Thema Stromversorgung lässt sich in zwei Teile aufteilen: Eine Spannung versorgt die Logik des Treibers und des Interfaces und die andere mit typisch 8 bis 16 V betreibt das Display. Manche Treiber haben eine interne Ladungspumpe, die von der Logikspannung gespeist wird. Da der Anzeigeumfang eher klein ist, können OLED-Displays auch über Schnittstellen mit niedrigen Datenraten angebunden werden. Das kann I²C, SPI oder auch ein 8-Bit-Datenbus mit entsprechenden Steuersignalen sein. Der Bildspeicher befindet sich auf dem Modul, so dass einmal eingeschriebene Informationen bis zur nächsten Änderung oder dem Abschalten der Versorgung erhalten bleiben. Die Host-CPU braucht also anders als bei TFT nicht kontinuierlich Daten anzuliefern. Der Bildspeicher umfasst beispielsweise bei einer Auflösung von 128 x 64 nur 1 kByte und ist damit klein genug, dass auch leistungsschwache Mikrocontroller das Display in kurzer Zeit beschreiben können (Bild 4). Manche Treiber-ICs bringen komfortable Verwaltungsfunktionen für den Bildspeicher und Zeichnungsprimitive mit.

Einsatz der OLED-Technik

Ein Display mit OLED-Technik lässt sich überall dort einsetzen, wo eine kleine Anzeige mit nicht allzu hohem Informationsgehalt dem Anwender Auskunft über den Status eines Systems geben kann. Beispiele aus der Praxis sind Weiße Ware, professionelles Audio (Konferenzsysteme, Rufanlagen, Mischpulte, tragbare Mikrophone), Alarmanlagen, portable Zahlungsterminals (EC/Kreditkarte, Fahrkarten/Tickets), Settop-Boxen (designgetrieben: der Display-Hintergrund ist tiefschwarz), DSL- und LAN-Router, tragbare Medizin-Geräte zur Bestimmung von Blutsauerstoff, Glukose und Blutdruck, einfache Verkaufsautomaten wie beispielsweise für Zigaretten- oder Geldwechselautomaten, „Sensoren“ zur allgemeinen Datenerfassung in der Industrie, Test- und Messgeräte, sowie zur Messung des Verbrauchs wie bei Gas, Wasser oder Elektrizität.

Die Hersteller von OLED-Displays arbeiten ständig an der Weiterentwicklung. Auch getrieben durch den Einsatz in Consumer-Geräten wie TV und Lifestyle werden künftige Display-Generationen verfeinert: im ersten Schritt werden die Substrat-Gläser dünner, Konturen müssen nicht unbedingt rechteckig sein, und durch eine optimierte Fertigung können die Ränder des Displays schlanker sein. In der nächsten Generation stehen flexible Substrate zur Verfügung, die 2D-gekrümmte Oberflächen oder biegbare Displays ermöglichen. Das Fernziel ist hierbei, das Display aufrollen zu können. Anwendungen sind Displays für Wearables, die am Körper oder in der Kleidung integriert werden.

Ausblick: Höhere Transparenz eines OLED-Displays

Ein weiterer Schritt ist die Optimierung der optischen Eigenschaften. Bislang bieten die OLED-Schichten nur eine eingeschränkte Transparenz von wenigen 10%. Zukünftige Materialien werden eine deutlich gesteigerte Lichtdurchlässigkeit ermöglichen, was den Weg für neuartige Anwendungen frei macht. Im Ziel sind dabei Headup-Displays oder Brillen für Augmented Reality. Möglich sollen auch optische Messinstrumente sein wie Lupen mit eingeblendetem Fadenkreuz oder einem Lineal.

Effiziente OLED-Displays: Auf der Suche nach einem perfekten Emitter-Material

* Rudolf Sosnowsky ist Leiter Technik bei Hy-Line Computer Components Vertriebs GmbH in Unterhaching.

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