Zukunft der Displaytechnologien

OLED Displays: Das Funktionsprinzip & neueste Entwicklungen

OLED (Organic LED) ist ebenso wie LED selbstleuchtend. Im Gegensatz zur LED besteht OLED jedoch aus organischem Material. Daher können OLEDs auf biegsamen Kunststoff-Folien aufgebracht werden und zu Displays weiterverarbeitet werden.

Transparenter 55" OLED-Bildschirm von Samsung
Samsung
Transparenter 55″ OLED-Bildschirm von Samsung

Wie funktionieren OLED Displays? Das Funktionsprinzip der Lichterzeugung

Die OLED besteht aus mehreren organischen Halbleiterschichten zwischen zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist. Dabei wird auf die Anode, bestehend aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) eine Lochleitungsschicht (HTL) aufgebracht. Zwischen diesen Schichten wird je nach Herstellungsmethode oft noch eine Schicht aus sogenanntem PEDOT/PSS aufgebracht, welche die Injektionsbarriere für Löcher absenkt und das Eindringen von Indium in den Übergang verhindert.

Auf die HTL wird dann der Farbstoff, die sogenannte EL-Schicht oder Rekombinationsschicht, gebracht. Dann folgt noch die Elektronenleitungsschicht ETL und die Kathode. Trotz der vielen Schichten ist das Ganze nur 100 bis 200 Nanometer „dick“ und befindet sich zwischen zwei hauchdünnen Glasschichten. Beim Anlegen einer Spannung von 3 und 12 Volt werden Elektronen aus der Kathode in diesen Film injiziert.

AMOLED-Technik
Wiki Commons
Ansteuerung von OLEDs über Aktivmatrix – hier als AMOLED-Technik

Gleichzeitig werden Löcher als positive Ladungen von einer transparenten Anode mit hoher Austrittsarbeit in das organische Material injiziert. Im angelegten elektrischen Feld wandern Löcher und Elektronen durch den organischen Film und bilden in der EL-Schicht die Rekombination mit angeregten Zuständen, die unter Aussendung von Photonen und damit Licht zerfallen.

Neueste Entwicklungen bei OLED

Bei kleineren Displays (u.a. auf dem Smartphone) und Wearables wird OLED bereits heute schon oft eingesetzt. Mit neuen Verfahren kann man jedoch annehmen, dass ein großer Schritt in Richtung Groß-Display in noch diesem Jahrzehnt gemacht ist.

Führend in der Entwicklung und Herstellung ist u. a. das Dresdner Unternehmen Novaled, eine Ausgründung der TU Dresden. Das Unternehmen wurde mittlerweile fast komplett von Samsung übernommen. Man besitzt 500 Patente in der OLED-Technologie und launchte gerade erst die PIN OLED, gedoped in p- und n-Schicht mit eigens entwickeltem Material.

Damit können OLEDs mehr Power und längere Lebenszeit haben. OLEDs reagieren empfindlich auf Sauerstoff und Feuchtigkeit. Deswegen müssen sie gut umhüllt und eingekapselt werden. Das Fraunhofer FEP in Dresden hat aktuell dafür ein Fertigungsverfahren für großflächige OLED entwickelt.

Der unterschiedliche Schichtenaufbau LCD vs. AMOLED
Marc Honeck
Der unterschiedliche Schichtenaufbau LCD vs. AMOLED

In einem Prozess ist es möglich, die OLEDs auf dünnstem flexiblem Glas aufzubringen und gleichzeitig zu verkapseln. Hochleitfähige homogene transparente Oxidschichten mit guten Licht-Auskopplungseigenschaften sind dafür verantwortlich, die OLEDs auch zum Leuchten zu bringen. Die Fertigung findet in einem „Rolle zu Rolle“-Prozess statt.

Das Ganze soll sogar noch kostengünstiger sein als aktuelle Verfahren. Nicht nur die Nachfragen nach großen Displays, sondern auch Wünsche nach kleinen Displays mit hoher Pixeldichte wie z. B. in Messinstrumenten oder im Virtual Reality- Bereich werden größer.

Bei der weiteren Miniaturisierung bei gleichzeitig hoher Auflösung ist jedoch die Strukturierung der organischen Schichten in den OLEDs bislang eine der größten Herausforderungen. Daher hat Fraunhofer FEP Mikrostrukturierungs-Verfahren entwickelt, mit dem die Emissionsfläche einer OLED hochauflösend strukturiert werden kann.

Seitliche Ansicht eines OLED Monitor
Seitliche Ansicht eines OLED Monitor von LG, der gebogen und doppelseitig ist

Mit diesem Verfahren ist es möglich, eine vorgefertigte und bereits gekapselte OLED mit dem Elektronenstrahl zu bearbeiten. Dessen Energie bestimmt die Eindringtiefe in die Schicht und man kann die Leuchteigenschaften noch nachträglich verändern. So kann man in Zukunft kleinere Displays und Monitore größer 8K Auflösung herstellen, egal ob starr, flexibel oder transparent.

AMOLED

Wichtig für ein Display ist natürlich auch die Ansteuerung der OLEDs. Diese kann bei kleinen OLED-Screens via Passivmatrix erfolgen, bei der jedes Pixel durch Anlegen einer Spannung an eine Zeile und Spalte angesteuert wird. Für Großbildschirme ist dieses Verfahren unzureichend. Hier muss zur Steuerung des Bildschirms eine Aktivmatrix eingesetzt werden, bei der jedes Pixel einzeln über einen eigenen Transistor adressiert wird.

Abgeleitet von Aktivmatrix-OLED vertreibt Samsung eine solche Technik unter der Bezeichnung AMOLED bzw. der Weiterentwicklung Super-AMOLED. Die Bereitstellung von Schalt-(Spannungssignalen) wie auch Versorgungsstrom ist (wie bei Plasmabildschirmen) aufwendig und damit sehr teuer und einer der Hauptgründe für die hohen Kosten großer Bildschirme. Auf der ISE 2016 sah man bereits viele gebogene, wellige, doppelseitige und transparente OLED-Anwendungen. Auf der ISE 2017 hat u.a. LG OLED Screens in Professional Varianten, sei es curved oder doppelseitig curved in 55“ bzw 65“, präsentiert.

OLED Display von Samsung
Claudia Rothkamp
Immer wieder ein Hingucker in Farbe: die OLED-Displays von LG mit gekrümmter Oberfläche.

Bei diesen AMOLED werden transparente TFTs zur Ansteuerung benutzt. Dünnschichttransistoren wie z. B. aus LTPS (low-temperature polycrystalline silicon) oder IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide) können auch auf Kunstoff produziert werden, was flexible Displays erlaubt.

Auf der CES 2018 in Las Vegas hat wiederum LG eine immersive Installation, die die flexiblen Einsatzmöglichkeiten der Displaytechnologie von LG eindrucksvoll zeigt.

 

Heraeus bietet z. B. hierfür ein großes Portfolio an Materialien und Technologien für gedruckte Elektronik, wie der leitfähige Kunststoff Clevios. Wie man sieht, entwickeln viele spezialisierte Unternehmen an Teilbereichen eines Displays, dessen Innovation, Qualität und Preis letztendlich abhängig ist von der Summe der Einzelkomponenten.

Wie viele Jahre hält ein OLED Display?

OLED bietet hohen Kontrast, größten Farbraum, ist extrem dünn und in allen Formen und sogar von der Rolle und transparent herstellbar. Die Reaktionszeit ist 1.000 mal schneller als LCD. Die Lebensdauer ist zurzeit noch geringer als bei anderen Techniken; es gibt daher keine 24/7-Spezifikation. OLEDs halten ca. 30 000 Stunden. Zum Vergleich: LED/LCD-Displays halten etwa 100 000 Stunden, bis sie beginnen zu schwächeln.

 

Weitere Technologie-Grundlagen finden Sie hier:

LCD

Quantum Dot

LED

HDR

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