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OLED-Displays der nächsten Generation Olé OLED!

29.10.2018

OLEDs sind lichtschwach, kurzlebig und unzuverlässig – so lauten die gängigen Vorurteile. Diese Aussage mag für Displays zutreffen, die vor 15 Jahren hergestellt wurden – doch die OLED-Technologie hat sich seitdem rasant weiterentwickelt.

Seit großflächige OLED-Displays herstellbar und kommerziell verfügbar sind, rückt die OLED-Technologie in das Bewusstsein der Endkunden für elektronische Produkte. Die Abkürzung OLED steht für „Organic Light Emitting Device“. Im Gegensatz zu TFT-Bildschirmen, die auf Halbleitermaterialien der anorganischen Chemie basieren, tragen bei OLEDs organische Materialien zur Funktion des Displays bei. Im Folgenden steht der Oberbegriff LCD für alle Flüssigkristall-Technologien. Dabei werden nur passive Displays betrachtet, bei denen das Bildelement allein durch Anlegen einer Spannung schaltet und nicht – wie bei TFTs – ein Transistor als aktives Bauteil enthalten ist.

LCDs wirken als Ventil für Licht, das von einer Lichtquelle hinter dem Display stammt. Da die Transparenz aller Schichten jedoch sehr gering ist, gehen dabei 90 Prozent des Lichts verloren. OLEDs hingegen kommen ohne eine Hintergrundbeleuchtung aus: Hier bestimmen die organischen Materialien die Wellenlänge und damit die Farbe des Lichts. Während bei der LCD-Technologie die Leistungsaufnahme konstant ist und hauptsächlich vom Backlight bestimmt wird, nehmen beim OLED-Verfahren nur die aktiv leuchtenden Bildelemente Strom auf.

OLED: Betrachtungswinkel von fast 180 Grad

Da die OLED-Leuchtmaterialien weder auf ein Backlight-Spektrum noch auf die Durchlasskennlinien von Farbfiltern abgestimmt werden müssen, erschließen sie einen großen Farb-
raum. Zudem ist ihr Kontrast sehr hoch, da in dunklen Bereichen kein vom Backlight beleuchteter Hintergrund durchscheint. OLEDs erreichen ohne zusätzliche Streufolien einen Betrachtungswinkel von nahezu 180 Grad ohne Farbabweichung oder Kontrastverlust. Da OLEDs kein Backlight benötigen, lassen sie sich außerdem dünner fertigen als LCDs.

Zwar kommen einige niederpreisige OLED-Anwendungen mit segmentierten Displays aus, die vielseitigsten Einsatzmöglichkeiten bietet die Technologie allerdings als Punktmatrixdisplay. Solche Displays sind in verschiedenen (monochromen) Farben wie gelb, grün, blau-grün, orange, weiß, rot oder blau verfügbar. Bringt man zwei Farbstoffe nebeneinander auf demselben Substrat an, können zwei Bildschirmbereiche mit unterschiedlicher Farbe angezeigt werden (Area-Color-Effekt). Ordnet man drei Grundfarben wie bei TFT in Streifenform an, dann erhält man ein Farbdisplay, das Tausende verschiedener Farbtöne anzeigen kann.

Ein Blick auf das Datenblatt einer OLED verrät, dass die angegebene Helligkeit im Vergleich zu TFTs eher niedrig ist: Je nach Farbe liegt sie zwischen 80 und 150 cd/m2. Daraus folgt jedoch nicht, dass OLEDs schlecht ablesbar sind! Denn für die Ablesbarkeit eines Display ist nicht der absolute Helligkeitswert entscheidend, sondern ein hoher Kontrast, also das Verhältnis zwischen hell (eingeschaltetes Pixel) und dunkel (Hintergrund). Der Hintergrund ist bei OLEDs jedoch sehr dunkel, da kein Backlight von hinten durchscheint. Der Kontrast lässt sich zusätzlich erhöhen, indem die Reflektionen des Auflichts mit Hilfe von Polfiltern eliminiert werden.

Lange Lebensdauer: 30.000 bis 150.000 Stunden

Analog zu TFTs ist die Lebensdauer einer OLED definiert als die Zeit, bis die anfängliche Helligkeit auf 50 Prozent zurückgegangen ist. Während bei TFTs die Helligkeit des LED-Backlights nachlässt, ist es bei OLED das Display selbst. Im Betrieb hängt die Lebensdauer von verschiedenen Faktoren ab, vor allem der Temperatur und der Helligkeit. Je nach emittierter Farbe haben OLEDs Lebensdauern zwischen 30.000 (blau) und 150.000 Stunden (gelb). Auch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit oder Kontakt mit Sauerstoff können die Lebensdauer beeinflussen, da die organischen Materialien darauf reagieren. Diese Faktoren spielen jedoch nur eine untergeordnete Rolle, da sie sich gut durch eine entsprechende Verkapselung der Zelle beherrschen lassen.

Anders als bei TFT, wo die Pixel nur als Lichtventil dienen, werden bei OLED die Pixel einzeln aktiviert. Entsprechend nimmt die Helligkeit einer OLED durch den Betrieb ab. Dieser Effekt des differentiellen Alterns von Pixeln ist unter verschiedenen Begriffen bekannt: Burn In, Image Sticking, Persistence oder Ghosting. Da das menschliche Auge recht sensibel auf Helligkeitsunterschiede reagiert, sollten GUI-Designer dafür sorgen, dass alle Pixel eines OLED-Displays ungefähr gleich lang eingeschaltet sind und dass möglichst wenig statische Bildinhalte auftreten. In Applikationen, bei denen dies nicht möglich ist, empfiehlt sich der Einsatz eines Screen-Savers: Der Bildschirmschoner ist aktiviert, solange der Anwender nicht aktiv mit dem Display arbeitet – zum Beispiel bei Statusanzeigen oder Messgeräten –, und der originale Bildinhalt wird reaktiviert, sobald sich ein Wert ändert oder eine Taste gedrückt wird. Da die Lebensdauer vom Farbstoff abhängt, kann es zudem von Vorteil sein, die Displayfarbe entsprechend auszuwählen.

Leistungsaufnahme hängt vom Bild ab

Die Stromversorgung einer OLED besteht aus zwei Teilen: Eine Spannung versorgt die Logik des Treibers und des Interfaces, die andere (typischerweise 8 bis 16 V) das Display. Manche Treiber haben eine interne Ladungspumpe, die von der Logikspannung gespeist wird und mit Hilfe externer Kapazitäten die Displayspannung erzeugt. Da lediglich aktive Bildelemente Strom benötigen, hängt die Leistungsaufnahme einer OLED direkt vom Bildinhalt ab. Der maximal erlaubte Strom wird mit nur einem Widerstand eingestellt. Da der Display-Controller und der Treiber auf einer Flexfolie oder dem Glas selber integriert sind, kommt die Schnittstelle zum System hin mit nur wenigen Leitungen aus. Aufgrund ihres eher kleinen Anzeigeumfangs können OLEDs auch über Schnittstellen mit niedrigen Datenraten angebunden werden, beispielsweise I2C, SPI oder ein 8-Bit-Datenbus mit entsprechenden Steuersignalen.

Der Bildspeicher befindet sich auf dem Modul. Einmal gespeicherte Informationen bleiben aus diesem Grund bis zur nächsten Änderung oder dem Abschalten der Stromversorgung erhalten. Anders als bei TFT-Displays muss die Host-CPU deswegen nicht kontinuierlich Daten anliefern. Bei einem 128x64-Display umfasst der OLED-Bildspeicher lediglich 1 kB, weswegen auch leistungsschwache Mikrocontroller das Display in kurzer Zeit beschreiben können.

Bei kleinen Displays zeigen OLEDs ihre Stärken

Ihr volles Potential können OLEDs immer dann entfalten, wenn kleine Anzeigen mit nicht allzu hohem Informationsgehalt benötigt werden. Beispiele aus der Praxis sind Displays für Wasch- und Spülmaschinen, Mischpulte oder tragbare Mikrofone für professionelle Audioanwendungen, portable Zahlungsterminals, DSL-Router oder tragbare Medizingeräte. Auch bei der Datenerfassung in der Industrie eröffnet sich ein weites Feld für OLEDs: Im Zeitalter von IoT werden zur Einrichtung und Überwachung von Sensoren zahlreiche kleinformatige Displays mit recht geringen Anforderungen benötigt. OLEDs eignen sich dazu besonders, da sie wenig Strom aufnehmen, einen hohen Kontrast aufweisen und auch von leistungsschwachen CPUs einfach anzusteuern sind. Mit ihren leuchtstarken Farben integrieren sie sich gefällig in viele Geräte.

Großes Zukunftspotential

Das Potential der OLED-Technologie ist bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. Motiviert durch den zunehmenden Einsatz von OLEDs in Consumer-Geräten arbeiten die Hersteller eifrig an der Weiterentwicklung ihrer Technologie. Im ersten Schritt werden die Substrat-Gläser dünner, Konturen müssen nicht unbedingt rechteckig sein, und dank optimierter Fertigung verschlanken sich die Ränder des Displays. In der nächsten OLED-Generation werden flexible Substrate zur Verfügung stehen, mit deren Hilfe sich 2D-gekrümmte Oberflächen oder biegbare Displays bauen lassen. Das erklärte Fernziel ist ein aufrollbares Display, zum Beispiel für Wearable-Displays, die am Körper angebracht werden oder in der Kleidung integriert sind.

Ein weiterer Schritt ist die Optimierung der optischen Eigenschaften. Bislang bieten die OLED-Schichten eine eingeschränkte Transparenz von lediglich 10 Prozent. Zukünftige Materialien werden eine deutlich gesteigerte Lichtdurchlässigkeit ermöglichen, was den Weg für völlig neuartige Anwendungen frei macht: Headup-Displays, Brillen für Augmented Reality oder Lupen mit eingeblendetem Fadenkreuz.

Bildergalerie

  • OLED-Displays decken einen größeren Farbraum ab als TFTs.

  • OLEDs sind auch im Auflicht (hier von links oben) sehr gut ablesbar.

  • Das Blockschaltbild eines OLED-Moduls.

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