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OLED-Displays

Inhaltsverzeichnis

I. Allgemeines

Displays auf der Basis von organischen Leuchtdioden (OLED = Organic Light Emitting Diode) haben aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften das Potential die nächste Generation von Anzeigen und Bildschirmen zu werden. Zu den besonderen Vorteilen dieser Technologie zählen das hohe Kontrastverhältnis (>1.000.000:1), die hohe Umschaltgeschwindigkeit (<1ms), der hohe Blickwinkel (178°), die geringe Konstruktionshöhe (<1mm) und die geringe Leistungsaufnahme. Insbesondere Polymer-LEDs (PLEDs) sind in das Blickfeld der Displayhersteller gerückt, da sich diese mit verschiedenen Nassprozessen, z.B. Drucken, kostengünstig herstellen lassen. Auch im direkten Vergleich können OLED-Displays schon sehr bald, allein auf Grund des wesentlich einfacheren Aufbaus des Panels, den etablierten Displaytechnologien wie LCD und Plasma zur Konkurrenz werden.

Abb. 1: Vergleich Aufbau von OLED- und LCD-Displays
Abb. 1: Vergleich Aufbau von OLED- und LCD-Displays

Neben dem einfacheren Aufbau von OLED-Displays haben diese auch den Vorteil, dass OLEDs selber das Licht emittieren. Es wird keine Hintergrundbeleuchtung (Backlight) mit quecksilberhaltigen Kaltkathoden-Lampen und aufwendige Inverterschaltungen mit Transformatoren benötigt.

1. Grundlagen der OLED-Technologie

Die grundlegende Funktionsweise von organischen LEDs ist im Artikel "Organische Leuchtdioden (OLEDs)" unter der Rubrik "Komponenten in der Consumer-Elektronik" ausführlich beschrieben.

II. Aufbau und Ansteuerung von OLEDs

1. Grundsätzlicher Aufbau von OLED-Displays

Die OLED-Technologie kann in einem weiten Bereich eingesetzt werden. Daher ist der Aufbau von OLEDs für Displays ist in starken Maße davon abhängig was für ein Typ von Display zur Anwendung kommen soll. Zu unterscheiden ist hierbei grundsätzlich ob die OLED selber die Information farbig darstellen soll oder ob die OLED lediglich als modulierte Lichtquelle dienen soll.

Abb. 2: Direkt RGB-emittierendes OLED-Display vs. Weiß-emittierende OLED mit Farbfiltern (RGB oder RGB+W)
Abb. 2: Direkt RGB-emittierendes OLED-Display vs. Weiß-emittierende OLED mit Farbfiltern (RGB oder RGB+W)

Abbildung 2 stellt die beiden grundsätzlichen Varianten von farbigen OLED-Displays gegenüber:
Das direkt RGB-emittierende OLED-Display (links) verwendet für jedes Subpixel einen eigenen OLED-Stapel mit seiner in der jeweiligen Farbe emittierenden organischen Leuchtschicht. Diese aufwendige Struktur bietet eine hohe Display-Effizienz und weist einen sehr hohen Farbkontrast auf, was z.B. für Computer-Monitore und für Displays in einem hellen Umfeld notwendig ist.
Der weiß leuchtende OLED-Stapel im rechts dargestellten Display wird von mehreren Pixel-Elektroden (Anoden) angesteuert. Die einzelnen Subpixel verfügen über Farbfilter (RGB) über die wie bei einem LCD-Display die Pixelfarbe passiv ermischt wird. Um die Helligkeit des Displays zu erhöhen kann dem Pixel noch ein Pixel ohne Farbfilter (RGB+W) hinzugefügt werden. Es sinkt hierdurch zwar die Farbsättigung des Bildes, was aber für reine TV-Anwendungen kein Problem darstellt. Für Computer-Monitore ist dieser Displaytyp jedoch nicht geeignet.

2. Ansteuerung von OLED-Displays

Passive Matrix OLEDs (PMOLEDs)

Die einfachste Art ein Display anzusteuern ist eine passive Matrix. Bei Passive Matrix-OLED-Displays werden die OLEDs direkt über die beiden Elektroden angesteuert. Die Elektroden sind Streifen aus entsprechendem Kathoden- bzw. Anodenmaterial, die um 90° zueinander gedreht verlaufen. dadurch entsteht eine Kreuzmatrix, über die sich jede OLED (Pixel/Subpixel) einzeln ansteuern lässt.

Abb. 3: Prinzipschaltung einer Passive Matrix-Anzeige
Abb. 3: Prinzipschaltung einer Passive Matrix-Anzeige

Bei der Ansteuerung des PM-Displays wird immer nur eine OLED-Zeile zur gleichen Zeit mit den Kathoden an Masse gelegt. An den Anoden-Anschlüssen des Displays wird gleichzeitig über die Spaltentreiber eine pulsweitenmodulierte Spannung angelegt. Je nach dem Tastverhältnis der PWM leuchtet die OLED unterschiedlich lange auf. Durch das schnelle, wiederholte Ein- und Ausschalten der OLED-Zeilen integriert das menschliche Auge die unterschiedlichen Einschaltzeiten der OLEDs zu unterschiedlichen  Helligkeitsstufen.
Ein Nachteil dieses sequentielle Scannen des Bildes ist, dass bei einer Anzahl von n Zeilen, jede Zeile nur für 1/n der Zeit eingeschaltet ist. Um z.B. ein 64-zeiliges Display mit einer Helligkeit von 100cd/m2 leuchten zu lassen, müsste die Spitzenhelligkeit eines Pixels mindestens 6400cd/m2 betragen. Dieses kann wegen des hohen Verschleißes in den OLEDs nicht realisiert werden. Eine Passive Matrix-Ansteuerung ist daher nur für kleinere Displays geeignet.

Abb. 4: Aufbau eines Passive Matrix-Displays
Abb. 4: Aufbau eines Passive Matrix-Displays

Active Matrix OLEDs (AM-OLEDs)

In Active Matrix-Displays hat jedes Pixel bzw. Subpixel einen eigenen Ansteuerschaltkreis. Diese elektronische Schaltung kann das Pixel/Subpixel über die gesamte Frame-Periode (das ist die Zeit, die benötigt wird um alle Zeilen des Displays nacheinander anzusteuern) eingeschaltet halten. Die Helligkeitsinformation wird während dieser Zeit in einer integrierten Kapazität gespeichert. Abbildung 5 zeigt eine solche grundlegende Schaltung.

VDD ist eine feste Betriebsspannung und liefert die Energie für das OLED-Display. V_SEL_1-n sind Steueranschlüsse zur Adressierung der Zeilen der Displaymatrix. Das Signal auf V_DATA_1-n ist ein Gleichspannungsimpuls, dessen Amplitude U der Helligkeit der Pixel entspricht.
Mit dem Schaltsignal V_SEL_1, V_SEL_2, ... werden nacheinander alle Zeilen des Displays selektiert. Während eine Zeile selektiert ist, wird auf den Steuerleitungen V_DATA_1,V_DATA_2, ... ein Steuerimpuls angelegt, dessen Höhe U der Helligkeit des selektierten Pixels proportional ist. Mit dem V_SEL-Signal am Gate und dem V_DATA-Signal am Source schaltet der Schalttransistor für die Zeit vom V_SEL durch. Die Speicherkapazität lädt sich entsprechend der Differenz zwischen VDD und V_DATA auf. Die Ladespannung der Speicherkapazität bildet für  den Treibertransistor eine Gatespannung. Der Treibertransistor schaltet durch. Ein Strom proportional der Gatespannung fließt durch den Treibertransistor und durch die OLED nach Masse. Die OLED leuchtet mit einer dem sie durchfließenden Strom proportionalen Helligkeit auf. Ist der Adressimpuls V_SEL am Gate des Schalttransistors beendet, sperrt der Schalttransistor. Der Treibertransistor bleibt jedoch aufgrund der Ladespannung der Speicherkapazität durchgeschaltet und leuchtet bis zum nächsten Durchschalten des Schalttransistors und Veränderung der Ladespannung der Speicherkapazität mit der gleichen Helligkeit weiter.
Dadurch dass bei AM-OLED-Displays die OLEDs ständig eingeschaltet sind, haben AM-OLED-Displays eine wesentlich höhere Leuchtkraft als PM-OLED-Displays.

Abb. 5. Prinzipschaltung einer Passive Matrix-Anzeige
Abb. 5. Prinzipschaltung einer Passive Matrix-Anzeige

Die in Abb. 5 dargestellte Schaltung kann durch weitere Komponenten, die z.B. die Alterung der OLEDs messen und kompensieren können, erweitert werden.

Wie bei Active Matrix-LCD-Displays werden wie auch bei Active Matrix-OLED-Displays sog. Backpanes aus Glass oder Kunststoff mit Leiterbahnen, Transistoren usw. in Dünnfilmtechnik eingesetzt. Diese Strukturen aus amorphen oder polykristalinem Silizium und ITO (Indiumzinnoxid) haben allerdings keine idealen elektrischen Eigenschaften. Im Gegensatz zu LCD-Displays, die nahezu leistungslos angesteuert werden können und die aufgrund der Trägheit des Flüssigkristalls relativ träge reagieren, benötigen OLED einen kontinuierlichen Betriebsstrom, der von der Helligkeit des Pixels abhängt. Die elektrische Leistung, die das Display benötigt, muss also auf dem Backpane verteilt werden. Hierzu sind die Werkstoffe und Verfahren, wie sie bei der Herstellung von LCDs eingesetzt werden, wegen der geringen möglichen Stromdichte und den hohen Leitungskapazitäten nicht verwendbar. Neue  Verfahren mit LTPS (Low Temperature Poly-Silicon), auf der Basis von CMOS-Technologie und auch organische TFT (Thin Film Transistor) sind in der Entwicklung.

Abb. 6: Aufbau eines Active Matrix-Displays
Abb. 6: Aufbau eines Active Matrix-Displays

3. Displaytypen

Bottom Emission vs. Top Emission OLEDs

Ein Nachteil der Active Matrix-Technik ist, dass die Dünnfilmkomponenten wie TFT oder Leiterbahnen Platz auf dem Backpane beanspruchen. Diese Fläche steht bei Einsatz der herkömmlichen Bottom Emission, also einer Abstrahlung des Lichts durch das Substrat hindurch, nicht mehr als aktive Leuchtfläche zur Verfügung. Das Display verliert an Leuchtkraft. Um die aktive Leuchtfläche bei Top Emission OLEDs zu vergrößern wird bei der Herstellung des Backpanes die Flächen der Leuchtflächen auf dem Substrat selber und einem Teil der Dünnfilmschaltung mit einer reflektierenden Schicht aus Silber- oder Aluminiumverbindungen oder APC (Ag Pd Cu). aufgebracht. Dann folgt der OLED-Stapel, eine transparente Kathodenschicht und letztendlich eine Versiegelung. Dieser Aufbau einer OLED-Zelle erlaubt die Nutzung nahezu der gesamten Substratfläche als aktive Leuchtfläche. Zudem erhöht sich der Wirkungsgrad des Displays durch das zusätzliche, reflektierte Licht erheblich. Durch die zusätzlich gewonnene Leuchtkraft kann man z.B. bei mobilen Geräten die Leistungsaufnahme reduzieren oder generell die Lebensdauer der OLEDs verlängern.

Abb. 7: Aufbau Bottom Emission und Top Emission OLED
Abb. 7: Aufbau Bottom Emission und Top Emission OLED

Microcavity-Struktur

Eine noch höhere Ausbeute des in der Licht emittierenden Schicht (LEP) erzeugten Lichts als die durch eine reflektierende Schicht in einer Top Emission OLED, bietet die Microcavity-Struktur des OLED-Stapels. Hierbei ist weniger die Anzahl oder Material der Schichten von Bedeutung, als deren Abmessungen.

Abb. 8: Prinzipieller Aufbau einer OLED mit Microcavity-Struktur
Abb. 8: Prinzipieller Aufbau einer OLED mit Microcavity-Struktur [1]

Microcavity-Strukturen sind schon lange von den anorganischen Laserdioden her bekannt . Das Grundprinzip dieser Technik ist es, die obere und untere Elektroden als teiltransparente, metallische Reflektoren oder als Bragg-Reflektoren (dies sind Mikrostrukturen bestehend aus mehreren dünnen, unterschiedlich dotierten Schichten) auszulegen und Strukturgrößen der LED an ein Vielfaches der halben Wellenlänge (λ/2) des von der LED emittierten Lichts anzupassen. Die Stärke der einzelnen Schichten sollte auch der halben Wellenlänge (λ/2) entsprechen, um die Phasenübergänge der Lichtwellen an die Schichtübergänge zu legen. Es entsteht so ein Resonanzkörper, in dem sich durch die mehrfache Reflektion an den Enden eine Stehwelle ausbildet. Die Höhe des Resonanzkörpers (Microcavity-Struktur) definiert die Farbe des abgestrahlten Lichtes.

Durch die schmale Bandbreite erhält das abgestrahlte Licht eine hohe Farbsättigung. Die emittierten Lichtwellen sind stark kohärent. OLEDs mit Microcavity-Strukture sind somit nicht- lambertsche Strahler (eine lambertsche Oberfläche erscheint aus allen Richtungen gleich hell). Dieses bewirkt  eine hohe Lichtausbeute.

OLEDs mit Microcavity-Struktur haben aber einige Nachteile, die durch konstruktive Maßnahmen am Display kompensiert werden müssen, was die Komplexität des Displays und damit den Preis erhöht:

  • Die hohe Kohärenz des abgegebenen Lichts bewirkt eine starke Winkelabhängigkeit der Helligkeit des Displays. Dieses schränkt den nutzbaren Blickwinkel des Displays ein.
  • Auch der Farbton des abgestrahlten Lichts ist abhängig vom Blickwinkel. Dieses kann zu Farbreinheitsfehlern führen.
Abb. 9: Sony's Super Top Emission TM Displays
Abb. 9: Sony's Super Top Emission TM Displays [1]

Zur Streuung des Lichts und zur Homogenisierung des Farbtons werden zusätzliche Diffusoren (z.B. zirkularpolarisierende Folien) oder Farbfilter (z.B. bei Sony's Super Top Emission (TM) ( STE) -Displays) eingesetzt. Diese vermindern gleichzeitig Reflexionen des Umgebungslichts auf dem Display und erhöhen den Kontrast.

III. Praktische Anwendungen von OLED-Displays in der CE

Abb. 10: Samsung Mobiltelefon Jét S8000 (Foto: Samsung)
Abb. 10: Samsung Mobiltelefon Jét S8000 [2]
Technische Daten des Displays
Anzeigengröße: 3,1 Zoll
Anzahl der Pixel: 800 x 480
Anzahl der Farben: > 16 Millionen
Helligkeit: n.v.
Kontrast: n.v.
Technologie: AMOLED-Touchscreen

 

Abb. 11: Kodak Digitaler Bilderrahmen (Foto: Kodak)
Abb. 11: Kodak Digitaler Bilderrahmen [3]
Technische Daten des Displays
Anzeigengröße: 7,6'' (16,6 x 9,9 cm)
Anzahl der Pixel: 800 x 480
Anzahl der Farben: >16 Millionen
Helligkeit: 200 cd
Kontrast: 30.000 : 1
Technologie: AMOLED (LTPS)
Abb. 12: Sony OLED-TV XEL-1
Abb. 12: Sony OLED-TV XEL-1 [4]
Technische Daten des Displays
Anzeigengröße: 11 Zoll (28cm)
Anzahl der Pixel: 960 x 540
Anzahl der Farben: > 16 Millionen
Helligkeit: Weißfläche: 200 cd
Spitzenweiß: > 600 cd
Kontrast: > 1.000.000 : 1
Technologie: STE (Super Top Emission)

 

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Abb. 9:" Sony's Super Top Emission TM Displays" Quelle: Sony. Zeichnung neu erstellt und übersetzt durch InfoTip.

[2] Foto: "Samsung Mobiltelefon Jét S8000" Quelle: Samsung Pressefoto "S8000 rose-black gekippt_l Idle high.jpg"  aus TN_Bilder_09.zip (Pressemappe)  http://de.samsung.com/de/news/read.aspx?pmguid=7541C8AB-9C1E-4CB2-B553-853B979A7D93 (Link nicht mehr aktiv)

[3] Foto: "Kodak Digitaler Bilderrahmen" Quelle: Kodak Pressefoto "OLEDFinal_hero_LG.jpg" http://www.kodak.com/US/images/en/corp/photokina2008/OLEDFinal_hero_LG.jpg
Pressemitteilung: http://www.kodak.com/US/en/corp/pressCenter/cpqces2009.jhtml?pq-path=2509/8058/14470 Kodak_oled_frame_tech_spec.pdf (Download 26.08.2009, Dokument im Jan. 2015 nicht mehr verfügbar)

[4] Foto: "Sony OLED-TV XEL-1 " Quelle: Sony Pressefoto "11inch_oled_cw.jpg";  Lizenz: Creative Commons Attribution;
http://presscentre.sony.eu/images/xel-1-side-309322

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