Keine Angst vor OLED! / PC & Industrie

Fachbeitrag PC & Industrie 10/2018

Kurz gefasst

OLED sind lichtschwach, kurzlebig und unzuverlässig - so lauten gängige Vorurteile gegenüber dieser Technologie. Diese Aussage mag für Displays zutreffen, die vor 15 Jahren gefertigt wurden, doch die Technologie hat sich seitdem weiterentwickelt.

OLED – Displays der nächsten Generation

Seit großflächige OLED-Displays hergestellt werden können und kommerziell verfügbar sind, rückt diese Technologie auch in das Bewusstsein der Elektronikmarkt-Kunden.

Was bedeutet OLED? Die Abkürzung 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-Technologien stehen. Außerdem werden nur passive Displays betrachtet, also OLED 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.

Grundlegende Unterschiede zu LCD

LCDs 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. Tabelle 1 zeigt die typischen Parameter zweier äquivalenter Module in OLED- und TFT-Technologie im Vergleich.

Tabelle 1: Vergleich der Spezifikation von OLED und TFT
Tabelle 1: Vergleich der Spezifikation von OLED und TFT

OLED und LCD im Vergleich

Da OLED kein Backlight benötigen, können sie dünner als LCD 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 (Gamut) erreicht, siehe dazu Bild 1. Während beim LCD die Leistungsaufnahme hauptsächlich vom Backlight bestimmt wird und konstant ist, nehmen bei OLED nur die aktiv leuchtenden Bildelemente Strom auf. OLED erreichen ohne zusätzliche Streufolien einen weiten Betrachtungswinkel von nahezu 180° ohne Farbabweichung oder Kontrastverlust. Der Kontrast von OLED ist sehr hoch, da in dunklen Bereichen kein vom Backlight beleuchteter Hintergrund durchscheint. Die Technologie erlaubt einen weiten Temperaturbereich.

Bild 1: Vergleich der Farbräume von OLED und TFT (Bild für volle Größe anklicken)

Wie funktionieren OLED?

Die folgende Darstellung der Funktionsweise eines OLED ist soweit vereinfacht, dass das Prinzip klar wird ohne den Anspruch, auf physikalisch-chemische Details einzugehen. In einem OLED sind Schichten von Materialien aufeinander aufgebracht, die beim Durchfließen eines Stroms einerseits Elektronen (negative Ladungen) und andererseits Löcher (positive Ladungen) emittieren. Treffen Elektronen und Löcher zusammen, wird Energie in Form von Licht frei. Diesen Vorgang nennt man Rekombination. Von der Art der Materialien hängt die Wellenlänge, also die Farbe des emittierten Lichts ab. Der Ort der Lichtabgabe lässt sich im Herstellungsprozess durch Strukturierung des Materials klar definieren und begrenzen; abseits wird kein Licht emittiert, was zum hohen Kontrast beiträgt. Bild 2 zeigt den Aufbau eines monochromen OLED.

Bild 2: Aufbau eines monochromen OLED
Bild 2: Aufbau eines monochromen OLED

Ausführungen

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. Bild 3 zeigt monochrome Displays in verschiedenen Farbausführungen, im Uhrzeigersinn von links oben grün, gelb, orange, blau-grün und in der Mitte weiß.

Ordnet man drei Grundfarben in Streifenform wie bei TFT an, erhält man ein Farbdisplay, das durch Kombination tausende verschiedene Farbtöne anzeigen kann.

Bild 3: Monochrome Displays in verschiedenen Farbausführungen
Bild 3: Monochrome Displays in verschiedenen Farbausführungen

Sind OLED dunkel?

Bild 4: Ablesbarkeit eines OLEDs im Auflicht (hier von links oben)

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 Reflektionen 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. Bild 4 zeigt die Ablesbarkeit eines OLED im Auflicht.

Lebensdauer

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 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. OLED werden auf einem Glassubstrat als Träger aufgebaut und mit einem weiteren Glas oder einem Kunststoff abgeschlossen. Feuchtigkeit und Sauerstoff können das Deckmaterial oder die Verklebung durchdringen und reagieren chemisch mit den organischen Materialien. Daher werden OLED-Module unter Inertgas-Atmosphäre verkapselt, um Einschlüsse von Sauerstoff und Restfeuchte von vorneherein auszuschließen. Im Innern auf der nicht-emittierenden Seite befindet sich ein so genannter „Getter“, ein Material, das wie ein Schwamm eintretende Ionen sammelt und das Display damit schützt. Mit diesen konstruktiven Maßnahmen wird das „Shelf life“, also die Lebensdauer im abgeschalteten Zustand, deutlich verlängert.

Unerwünschte Display-Effekte

Als aktive, selbst emittierende Displaytechnologie nimmt bei OLED die Helligkeit durch den Betrieb ab. Anders als bei TFT, wo ein Backlight aus einzelnen LEDs das Display großflächig hinterleuchtet, und die Pixel des TFT nur als Lichtventil dienen, werden bei OLED die Pixel einzeln aktiviert. Dieser Effekt der (differentiellen) Alterung von Pixeln 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 dies nicht möglich, also müssen andere Strategien befolgt werden. „Screen-Saver“ eignen sich, wenn der Display-Inhalt nicht permanent abgelesen werden muss. Der Schutz greift dann, wenn der Anwender nicht aktiv mit dem Display arbeitet, wie z. B. bei Status-Anzeigen, Energie-Zählern oder Messgeräten. Der originale Bildinhalt wird durch einen Tastendruck, eine Touch-Betätigung oder Änderung von Werten reaktiviert.

Strategien zur Verlängerung der Lebensdauer

Da das menschliche Auge auf Helligkeitsunterschiede empfindlich reagiert (je nach persönlicher Disposition werden 3 bis 5 % Abweichung bereits als Nicht-Uniformität wahrgenommen), gilt es, Unterschiede in benachbarten Display-Arealen möglichst zu minimieren. Als Beispiel möge ein Vollfarbdisplay dienen, das bei 80 cd/m2 für eine Lebensdauer von 30.000 h spezifiziert ist.

Strategie 1: Aktive Zeit limitieren

Wird das Display 24 h am Tag betrieben, hat es rein rechnerisch nach 30.000 h/24 h/365 = 3,4 Jahren seine Lebensdauer erreicht. Schränkt man die Betriebszeit auf 10 h am Tag ein, verlängert sich die Lebensdauer auf 30.000 h/10 h/365 = 8,2 Jahre.

Strategie 2: Helligkeit reduzieren

Gerade bei einem Gerät, bei dem das Display nicht die „Hauptfunktion“ darstellt (z. B. Armbanduhr, Blutdruckmesser im Gegensatz zum Computermonitor), kann die Helligkeit des Displays im „inaktiven“ Zustand des Geräts reduziert werden. Dies spart nicht nur Energie; die der Batterielebensdauer zugutekommt, sondern auch Lebenszeit des Displays. Obwohl der Zusammenhang nicht linear ist, bewirkt eine Reduktion der Helligkeit um 50 % eine Verlängerung auf nahezu das Doppelte.

Strategie 3: Tastverhältnis (Duty Ratio) für Standby reduzieren

Bei vielen Geräten ist der Anzeigeumfang im Standby-Betrieb deutlich reduziert. Erst nach „Aufwecken“ geben sie weitere Details preis oder bieten ein Menü zur Auswahl an. Für ein OLED bedeutet ein hoher Spitzenstrom einen erhöhten Verschleiß. Nutzt man im Standby nur einen Teil des Displays zur Statusanzeige, kann das Tastverhältnis bzw. die Multiplexrate auf einen Bruchteil reduziert werden mit dem Effekt, dass der Spitzenstrom zurückgeht und die Lebensdauer des Displays ansteigt. Bei einem Telefon konnte z. B. im Standby nur Feldstärke, Uhrzeit und Ladezustand des Akkus angezeigt werden, und erst beim Entsperren das gesamte Display aktiviert werden.

Strategie 4: Verwenden eines „Screen Savers“

Mit ,,Screen Saver" ist eine Strategie gemeint, die die oben genannten Aspekte kombiniert, also die aktive Zeit pro Displayelement durch Dimmen oder Abschalten verringert. Ein gewünschter Nebeneffekt ist auch die Reduzierung des so genannten „lmage Sticking“. Da die Lebensdauer vom Farbstoff abhängt, kann es von Vorteil sein, die Displayfarbe danach auszuwählen.

Elektrische Ansteuerung

Die Stromversorgung besteht aus zwei Teilen: eine Spannung versorgt die Logik des Treibers und des Interfaces, die andere (typisch 8-16 V) das Display. Manche Treiber haben eine interne Ladungspumpe, die von der Logikspannung gespeist wird. Da der Anzeigeumfang eher klein ist, können OLED auch über Schnittstellen mit niedrigen Datenraten angebunden werden. Dies kann 12C, SPI oder auch ein 8-Bit-Datenbus mit entsprechenden Steuersignalen sein.

Bildspeicher

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 einem 128 x 64-Display nur 1 kByte und ist damit klein genug, dass auch Leistungsschwache Mikrocontroller das Display in kurzer Zeit beschreiben können. Manche Treiber-ICs bringen komfortable Verwaltungsfunktionen für den Bildspeicher und Zeichnungsprimitive mit.

Bild 5: Blockschaltbild eines OLED-Modul
Bild 5: Blockschaltbild eines OLED-Modul

Anwendungen

OLED werden überall dort eingesetzt, wo eine kleine Anzeige mit nicht allzu hohem Informationsgehalt gebraucht wird. Kleingeräte aus der Medizintechnik, besonders tragbare, sind dafür prädestiniert. Senioren, die selbst Glukose oder Blutdruck überwachen, bevorzugen klare, kontraststarke Anzeigen. Die leistungsarme Technologie ermöglicht eine lange Nutzungsdauer ohne Aufladen oder Batterietausch. Auch Geräte zur Sauerstofftherapie, Defibrillatoren und Geräte aus der Elektromedizin profitieren von OLEDs, genau wie Geräte für das Medizin- oder Biochemie-Labor, da sie durch einen Rundum-Blickwinkel von allen Seiten her ablesbar sind.

Technologie-Ausblick

Die Hersteller von OLED arbeiten an der Weiterentwicklung ihrer Technologie. 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 z. B. „wearable“ Displays, die am Körper oder in der Kleidung integriert werden.

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, aber auch optische Messinstrumente wie z. B. Lupen mit eingeblendetem Fadenkreuz oder Lineal.

Fazit

Im Zeitalter von des Internets der Dinge, wo jedes Gerät Daten sammelt, bündelt und in die Cloud sendet, liegt der Schwerpunkt der Interaktion mit Sensoren nichtunbedingt in der lokalen Visualisierung, denn die findet dort statt, wo die Daten aggregiert und nach bestimmten Kriterien gefiltert präsentiert werden. Die Anforderung an die Komplexität des lokalen Displays geht damit zurück. Trotzdem steigt der Bedarf gerade an kleinformatigen Displays, denn jeder Sensor muss eingerichtet und parametriert werden - z. B. seine IP-Adresse und der Messbereich, möchte lokale Meldungen absetzen - z. B. zur Anforderung einer Wartung oder Ausgabe des Batteriestatus, oder einen Trend abgeben.

OLED eignen sich dazu besonders, da sie eine niedrige Stromaufnahme haben, einen hohen Kontrast aufweisen und auch von leistungsschwachen CPUs einfach anzusteuern sind. Mit leuchtstarken Farben integrieren sie sich gefällig in viele Geräte vom Designer-Kaffeeautomaten bis hin zum portablen Blutdruck-Messgerät. Das Potential der Technologie ist noch nicht ausgeschöpft, und Weiterentwicklungen machen die Displays noch attraktiver.

 

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