OLED-Display Funktionsweise, Vorteile und künftiges Potenzial organischer Displays

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OLED-Display – den Begriff haben wir schon gehört, aber wissen wir wirklich, was er bedeutet? Meist taucht er im Zusammenhang mit Mobiltelefonen oder Fernsehern auf und suggeriert eine vorteilhafte Technologie. Es wird mit brillanten Farben, geringem Stromverbrauch und einigem mehr geworben. Aber stimmt das?

OLED-Displays bestehen aus organischen lichtemittierenden Dioden. Das sind Halbleiter, die aus nur wenige Nanometer dünnen Schichten organischer Materialien bestehen und etwa 200-mal dünner sind als ein menschliches Haar. Diese Schichten sind zwischen zwei leitenden Elektroden eingebettet: der Anode und der Kathode. Die Hauptbestandteile einer OLED sind Substrat, Anode, Kathode und die organischen Schichten – Transport- und Emissionsschicht (Bild 1). In der Praxis sind es noch ein paar mehr Schichten, aber der Einfachheit halber beschränken wir uns auf das Wesentliche.

Wie erzeugen sie sichtbares Licht? Um OLEDs zum Leuchten zu bringen, wird zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt. Wenn Strom fließt, nimmt die Kathode Elektronen aus der Stromquelle auf und die Anode gibt Elektronen an die Stromquelle ab. Die hinzukommenden Elektronen laden die emittierende Schicht negativ auf, während die leitende Schicht positiv aufgeladen wird. Dies ist vergleichbar mit den n- und p-dotierten Schichten einer Silizium- oder Germaniumdiode. Positive Ladungen (Löcher) sind beweglicher als negative Elektronen, so dass sie die Grenze zwischen leitender und emittierender Schicht überspringen.

Die OLED ist selbstemittierend und strahlt ein flächiges Licht ab

Trifft eine positive Ladung (Loch, also ein fehlendes Elektron) auf ein negatives Elektron, heben sich die beiden Ladungen auf und geben dabei einen kurzen Energiestoß ab. Dabei wird ein Photon (Lichtteilchen) freigesetzt und es entsteht Licht. Fließt der Strom weiter, stoßen immer wieder Löcher auf Elektronen und erzeugen so kontinuierlich Licht. Diesen Vorgang nennt man Rekombination (Bild 2). Damit das erzeugte Licht auch sichtbar ist, muss mindestens eine der Elektroden transparent sein.

Im Gegensatz zu Leuchtdioden (LEDs), die eine punktförmige Lichtquelle darstellen, strahlen OLEDs als flächige Lichtquelle. Das Licht wird diffus und blendfrei abgestrahlt. Jeder einzelne Bildpunkt sendet sein eigenes Licht aus, man spricht von Selbstemittierung. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einem Flüssigkristall-Display (LCD), das eine Hintergrundbeleuchtung benötigt, um den dargestellten Inhalt sichtbar zu machen. Das organische Material für OLEDs besteht aus Kohlenstoffverbindungen. Verschiedene Verbindungen bestimmen die Farbe des abgestrahlten Lichts. Zum Einsatz kommen so genannte kleine Moleküle (Small Molecules) und Polymere (Large Molecules). Fast alle heute hergestellten OLED-Displays sind SM-OLEDs. Sie verwenden Kohlenstoffverbindungen mit kleinen Molekülen (Bild 3).

PLEDs oder P-OLEDs (OLEDs mit Polymeren) haben eine kürzere Lebensdauer und sind weniger effizient als SM-OLEDs. Dennoch wird in dieser Richtung weiter geforscht. Man geht davon aus, dass Polymere leichter zu verarbeiten sind (wie durch Drucken) und daher in Zukunft preiswertere Displays hergestellt werden können. Bisher ist dies nicht gelungen.

Der Unterschied zwischen AMOLED versus PMOLED

Was ist der Unterschied zwischen AMOLED- (Active-Matrix Organic Light Emitting Diode) und PMOLED- (Passive-Matrix Organic Light Emitting Diode) Displays? Der grundsätzliche Aufbau und die Funktion einer einzelnen OLED wurde oben erklärt. Von den Herstellern werden OLEDs mit ihren einzelnen Ebenen auf ein Substrat platziert, damit ein Display entsteht. PMOLED-Displays sind nach einem Rautenmuster aufgebaut. Anode und Kathode sind in Streifen senkrecht zueinander angeordnet. Die Schnittpunkte zwischen Anode und Kathode bilden die einzelnen Pixel, in denen das Licht ausgesendet wird.

Der Betrieb eines PMOLED-Displays ist einfach. Jede Zeile des Displays wird sequentiell (also eine nach der anderen) angesteuert. Über die Spalten wird der einzelne Bildpunkt ausgewählt. Die Elektronik enthält keinen Speicherkondensator, damit sind die Pixel einer Zeile die meiste Zeit ausgeschaltet. Um dies auszugleichen, wird ein höherer Strom verwendet, der die Pixel heller leuchten lässt. Ein einfaches Beispiel: hat die Anzeige 20 Zeilen, muss jede Zeile, die eingeschaltet ist, 20-mal so hell leuchten. In der Praxis ist der Wert nicht ganz so hoch, aber vom Prinzip her ist der Ansatz richtig.

Der Aufbau eines AMOLED-Displays und ein Vergleich zu PMOLED

AMOLED-Displays sind im Wesentlichen gleich aufgebaut und bestehen aus einer vollständigen Matrix von Anoden und Kathoden mit dazwischen liegendem organischem Material. Hinzu kommt eine Schicht aus Dünnschichttransistoren (TFT). Diese Technologie stammt von den LCDs und wird dort immer noch verwendet. Das TFT-Array unter der Anode steuert, welches Pixel leuchtet und gleichzeitig den Strom durch die Diode. Speicherkondensatoren an jedem Pixel merken sich den individuellen Zustand des jeweiligen Pixels.

Im Allgemeinen sind AMOLED-Bildschirme effizienter als passive Matrix-Bildschirme, da bei letzteren die externen Schaltungen für den Betrieb und die Ansteuerungsmethode mehr Energie verbrauchen. Außerdem bieten sie eine höhere Bildwiederholfrequenz, wodurch sie sich besser für größere Bildschirme wie Fernseher oder Monitore eignen. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf PMOLED-Displays. Warum nicht auf AMOLED-Displays, werden Sie fragen? Nun, für den industriellen Einsatz gibt es einige wesentliche Kriterien, die AMOLEDs derzeit nicht erfüllen.

Die Farbe Blau mit der geringsten Lebensdauer

Es handelt sich dabei zunächst um die Lebensdauer. Diese wird üblicherweise definiert als die Zeit, bis 50 Prozent der ursprünglichen Helligkeit erreicht sind. Derzeit haben AMOLED-Displays eine um die Hälfte bis zwei Drittel kürzere Lebensdauer als TFT-LCDs. Das liegt an den organischen Substanzen, die das farbige Licht aussenden. Die verschiedenen Farben Rot, Grün, Blau haben jeweils eine unterschiedliche Lebensdauer, so dass die Farbe mit der geringsten Lebensdauer zugrunde gelegt werden muss. Das ist Blau mit etwa 20.000 bis 30.000 Stunden. Im Vergleich dazu sind wir bei einem LCD bei 50.000 bis 70.000, vielleicht sogar 100.000 Stunden.

Zweitens ist die langfristige Verfügbarkeit zu berücksichtigen. AMOLED-Displays finden sich vor allem in der Unterhaltungselektronik wie Smartphones, Tablets und Fernsehern. Hier ist der Markt sehr schnelllebig. Die Geräte werden nur für kurze Zeit produziert, einige Monate, vielleicht ein Jahr, bevor die nächste Generation vom Band läuft. Die Stückzahlen sind entsprechend hoch, so dass sich dieser schnelle Wechsel auch wirtschaftlich rechnet. Umgekehrt verhält es sich beim industriellen Einsatz: Vergleichsweise geringe Stückzahlen und eine Verfügbarkeit von mindestens drei bis fünf Jahren, in Sonderfällen, etwa bei medizinischen Geräten, von zehn Jahren und mehr. Die AMOLED-Technologie ist aufwendiger und damit teurer als vergleichbare LCDs.

Elektrische und optische Eigenschaften eines PMOLED-Displays

Zu den elektrischen Merkmalen eines PMOLED-Displays gehören:

• niedriger Leistungsverbrauch,

• niedrige Spannung und

• weiter Temperaturbereich.

OLED-Displays zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch aus. Verantwortlich dafür ist der Verzicht auf eine Hintergrundbeleuchtung. PMOLED-Displays liegen in der Leistungsaufnahme deutlich unter TFT-LCDs und auch unter monochromen LC-Displays vergleichbarer Größe. Die Betriebsspannungen liegen zwischen 3 und 15 V. Durch die Halbleitertechnologie ergibt sich auch ein besonders weiter Temperaturbereich. Dieser reicht von -40 bis 85 °C, in Einzelfällen sogar bis 105 °C. Die optischen Merkmale eines PMOLED-Displays sind:

• schnelle Ansprechzeit,

• großer Blickwinkel,

• hoher Kontrast,

• Blendfrei bei Sonnenlicht und

• Transparent.

Die optischen Vorteile sind die hervorstechendsten Eigenschaften. Die schnelle Reaktionszeit im Bereich von 10 μs ist um ein Vielfaches besser als die von TFT-LCDs, die normalerweise bei einigen 10ms liegt. Die Flüssigkristalle brauchen entsprechend lange, um sich zu drehen. Auch der Kontrast ist deutlich besser als bei LCDs und wird mit über 10.000:1 angegeben. Das bedeutet, dass die Pixel vor einem tiefschwarzen Hintergrund leuchten. In Verbindung mit einer entsprechenden Helligkeit, in der Regel rechnet man mit einer Leuchtdichte von 16 lm/W, ergibt sich ein hervorragendes Bild.

Die selbstleuchtenden Pixel ermöglichen einen extrem großen Betrachtungswinkel von 90° aus allen Richtungen. Es treten keine Farbverfälschungen auf und die Bildqualität ist sowohl in sehr heller als auch in dunkler Umgebung hervorragend. Verwendet man als Substrat ebenfalls eine Glasscheibe, so erhält man ein transparentes Display, dessen Helligkeitswerte allen Anforderungen genügen. Dies ist in dieser Form nur mit licht-emittierenden, also aktiv leuchtenden Technologien möglich.

Die mechanischen und qualitativen Merkmale des PMOLED

Zu den mechanischen Merkmalen des PMOLED-Displays gehören:

• dünn,

• flexibel und

• schmaler Rahmen.

Auch bei den mechanischen Abmessungen der OLED-Displays spielt die Technologie eine Rolle. Die Halbleiterschichten sind extrem dünn. Dadurch lassen sich sehr dünne – man spricht von Dicken <1,5 mm – und leichte Displays herstellen. Auch der Randbereich, der für die Verdrahtung benötigt wird, kann sehr schmal sein. Dadurch steht ein Maximum an Anzeigefläche zur Verfügung. Wird als Substrat ein dünner Kunststoff verwendet, kann das Display noch flacher und gleichzeitig flexibel gestaltet werden.

Die Qualitätsmerkmale des PMOLED sind:

• lange Lebensdauer,

• lange verfügbar und

• geringe Ausfallrate.

Die PMOLED-Displays sind einfach aufgebaut. Deshalb sind sie langlebig und kostengünstig. Es gibt keine komplexen Strukturen, nur wenige Schichten sind notwendig, um ein Display herzustellen. Die Funktionalität dieses Aufbaus führt zu einer hohen Lebensdauer und garantiert eine geringe Ausfallrate. Durch die Herstellung in einem Halbleiterprozess ist zudem eine lange Verfügbarkeit gewährleistet. Allerdings liegt die Lebensdauer etwas unter oder ist gleich der eines TFT-LCDs. Diese hängt aufgrund der Eigenschaften der organischen Materialien von wesentlich mehr Faktoren ab als die LED-Hintergrundbeleuchtung eines LCDs.

Ständige Verbesserungen erhöhen die Lebensdauer, die sich der eines TFT annähert oder diese teilweise übertrifft (Tabelle). Es ist jedoch zu beachten, dass sich die Angabe der Lebensdauer bei OLED-Displays auf einen einzelnen Pixel bezieht. Werden einzelne Pixel übermäßig beansprucht, verlieren sie im Vergleich zu weniger oder gar nicht genutzten Pixeln schneller an Helligkeit.

Die Zukunft der PMOLED-Displays ist vielversprechend

Alle Hersteller von PMOLED-Displays arbeiten daran, ihre Produkte zu verbessern und forschen an neuen Technologien. Denn der Markt für Passiv-Matrix-OLED-Displays wird sich in den nächsten zehn Jahren von heute 2,5 Mrd. Dollar auf 10,5 Mrd. Dollar vervierfachen. Ein starkes Argument, in die Zukunft zu investieren. In welchen Bereichen arbeiten die Entwicklungsabteilungen an Innovationen?

Immer mehr PMOLED-Displays werden zur einfacheren Bedienung mit einem Touch ausgestattet. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um einen projizierten kapazitiven Touch, der ähnlich wie bei TFT-LC-Displays auf das Display montiert (gebondet) wird. Dieser Aufbau wird als On-Cell-Touch bezeichnet. Aufwändiger, aber kostengünstiger ist eine integrierte Touchfunktionalität. Hierbei ist die Touchfunktion in das Display integriert, der sogenannte In-Cell-Touch. Der Display-Controller übernimmt gleichzeitig die Auswertung der Touch-Signale und leitet diese an den Rechner weiter. Derzeit gibt es allerdings nur wenige Hersteller, die kombinierte Controller für Display und Touch anbieten. Insbesondere bei kleinen OLED-Displays ist die Bedienung über Gesten einfacher. Eine Multitouch-Bedienung ist in solchen Fällen ohnehin nicht sinnvoll, da die dafür benötigte Fläche größer wäre als das Display selbst.

Flexible OLED-Displays mit vielen Anwendungen

Hinsichtlich der mechanischen Flexibilität können OLED-Displays mechanisch flexibel gestaltet werden, wenn dünne, flexible Kunststoffe als Trägermaterial (Substrat) verwendet werden. Daraus ergeben sich mehrere neue Anwendungsfelder für die Displays. Das Hauptfeld sind sicherlich die sogenannten Wearables. Das sind elektronische Geräte, die getragen werden können, zum Beispiel in Form eines Armbands, das nun auch ein Display enthält. Der zweite große Bereich sind gekrümmte Gehäuseoberflächen. Ein flexibles Display kann an die Oberfläche angepasst werden und bietet Designern neue Möglichkeiten.

Es wird aber auch daran gearbeitet, damit die Displays noch heller werden. Das sogenannte TADF-Verfahren (Thermally Activated Delayed Fluorescence) scheint ein vielversprechender Ansatz für mehr Helligkeit zu sein. Die Verwendung von TADF-Materialien als Emitter oder Co-Emitter (Hyperfluoreszenz) bietet weitere Vorteile. Die OLEDs sind nicht nur heller, sie können auch mit niedrigeren Spannungen betrieben werden, verbrauchen weniger Energie als herkömmliche organische Materialien und haben eine längere Lebensdauer. Außerdem liefern sie ein enges Spektrum, sind kostengünstig und frei von seltenen Metallen. Alles in allem ein sehr positiver Ansatz, der bald in Serie gehen sollte.

Eine höhere Auflösung und kleinere OLED-Displays

Ein weiteres Dauerthema ist die Auflösung. Langsam aber sicher kommen Displays mit kleineren Bildpunkten auf den Markt, die bei gleicher Diagonale eine höhere Auflösung ermöglichen. Derzeit wird die Pixeldichte bei Standardgrößen verdoppelt. Bei einem OLED-Display mit einer Diagonale von 2,7 Zoll steigt die Anzahl der Pixel von 128 x 64 auf 256 x 128, wodurch Grafiken deutlich besser dargestellt werden können.

Ein weiterer Trend ist die Miniaturisierung. Sogenannte Mini-Displays sind sehr klein, das derzeit kleinste misst eine Diagonale von 0,19 Zoll, und haben je nach Größe eine Pixeldichte von derzeit bis zu 846 ppi. Die Weiterentwicklung zielt bereits auf 1.000 ppi. Das ist deutlich mehr als die Standardgrößen bieten. Gleichzeitig wird die Helligkeit je nach Farbe erhöht. Bei Weiß von 480 auf 700 nits, bei Gelb von 550 auf 1.000 nits und bei Grün von 800 auf 1.600 nits. Der nächste Schritt sind 3.000 nits für ein vierfarbiges Display mit Symbolen, aber wahrscheinlich nicht vor 2025.

Mehr Transparenz bei einem OLED-Display

Wie bereits erwähnt, ist es einfach, ein transparentes OLED-Display herzustellen. Nach den ersten verfügbaren Displays geht die Entwicklung eindeutig in Richtung höherer Transparenz. Während die aktuellen Displays noch eine Transparenz von >60 Prozent aufweisen, wird die nächste Generation eine Transparenz von >70 Prozent für Displays mit Symbolen aufweisen. In einem zweiten Schritt soll die Transparenz auf bis zu >92 Prozent gesteigert werden.

Erreicht wird das durch extrem dünne ITO- (Indium-Tin-Oxide-)Leitungen, welche die Lichtdurchlässigkeit nur geringfügig beeinflussen. Gleichzeitig wird daran gearbeitet, die Helligkeit auf bis zu 3.000 nits zu erhöhen. Damit lassen sich die OLED-Displays besser ablesen.

Die OLED in der Beleuchtung – Grundlagen und Entwicklungsstand

* Christian Forthuber ist Produktmanager bei Codico.

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