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Die Displays der nächsten Generation: Ausgabe 18/2018, 08.11.2018

Keine Angst vor OLED

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 Technik hat sich seitdem weiterentwickelt. Seit sich grossflächige OLED-Displays herstellen lassen und kommerziell verfügbar sind, rückt diese Technologie auch in das Bewusstsein der Elektronikkunden (Bild 1).

Autor: Rudolf Sosnowsky, Text und Bilder

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 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.

OLED und LCD im Vergleich – grundlegende Unterschiede zu LCD
LCD 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. Bild 2 zeigt die typischen Parameter zweier äquivalenter Module in OLED- und TFT-Technologie im Vergleich.
OLED benötigen kein Backlight und sind daher dünner als LCD. Während beim LCD die Leistungsaufnahme hauptsächlich vom Backlight bestimmt wird und konstant ist, nehmen bei OLED nur die aktiv leuchtenden Bildelemente Strom auf. OLED haben einen weiten Betrachtungswinkel von nahezu 180° ohne Farbabweichung oder Kontrastverlust. Mit ihren Leuchtmaterialien erreichen OLED einen grosser Farbraum (Gamut), siehe dazu Bild 3. Ihr Kontrast ist sehr hoch, da in dunklen Bereichen kein vom Backlight beleuchteter Hintergrund durchscheint. Die Technologie erlaubt einen weiten Temperaturbereich.

Ausführungen hängen vom Einsatz ab
Nur «Low-End»-Anwendungen kommen mit segmentierten Displays aus. Die vielseitigsten Einsatzarten bieten OLED als Punktmatrixdisplays. Sie sind in verschiedenen (monochromen) Farben wie Gelb, Grün, Blaugrün, 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 4 zeigt monochrome Displays in verschiedenen Farbausführungen, im Uhrzeigersinn von links oben Grün, Gelb, Orange, Blaugrün 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.

Sind OLED dunkel?
Es fällt auf, dass die 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 Reflexionen des Auflichts eliminiert werden. Eine absolut hohe Helligkeit ist für das Ablesen nicht nötig wie Sportuhren oder Pulsmesser zeigen, die auch im Freien ablesbar sind (Bild 5).

Lebensdauer
Die Lebensdauer von OLED wird ebenso definiert wie von TFT: Sie ist die Zeit, 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 000h bis hin zu Gelb mit 150 000h.
Umwelteinflüsse sind unabhängig vom Betrieb und begrenzen die Lebensdauer bei Lagerung. Feuchtigkeit und Sauerstoff reagieren chemisch mit den organischen Materialien. Sie sind durch das Design der Verkapselung der Zelle gut beherrschbar und spielen nur eine untergeordnete Rolle.

Unerwünschte Display-Effekte
Der Effekt der (differentiellen) Alterung einzelner Pixel 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, Energiezählern oder Messgeräten. Der originale Bildinhalt wird durch einen Tastendruck, eine Touch-Betätigung oder Änderung von Werten reaktiviert.

Anwendungen
OLED werden überall dort eingesetzt, wo eine kleine Anzeige dem Anwender Auskunft über den Status eines Systems geben kann und beim Einrichten des Netzwerks und der IP-Adresse für IoT-Geräte hilft. Das können Füllstandsmelder oder Sensoren für Temperatur, Druck und Durchfluss sein. Mit ihren kompakten Abmessungen eignen sie sich für Panelmeter, die direkt in die Tafel der Schaltwarte eingebaut werden. Portable Test- und Messgeräte profitieren von der niedrigen Leistungsaufnahme, die eine lange Nutzungsdauer ohne Aufladen oder Batterietausch erlaubt. Im Aussenbereich bleiben sie durch hohen Kontrast und weiten Ablesewinkel immer im Blick.

Technologie-Ausblick
Die Hersteller von OLED arbeiten an der Weiterentwicklung ihrer Technologie. Getrieben durch den Einsatz in Consumer-Geräten 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 erlauben. 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 – Bedarf an kleinformatigen Displays steigt
Im Zeitalter des Internets der Dinge, wo jedes Gerät Daten sammelt, bündelt und in die Cloud sendet, liegt der Schwerpunkt der Interaktion mit Sensoren nicht unbedingt 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 IPAdresse 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 Potenzial der Technologie ist noch nicht ausgeschöpft, und Weiterentwicklungen machen die Displays noch attraktiver.

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Bild 1: Das Potenzial der OLED-Technologie ist noch nicht ausgeschöpft, und Weiterentwicklungen machen die Displays noch attraktiver


Bild 2: Vergleich der Spezifikation von OLED und TFT


Bild 3: Vergleich der Farbräume von OLED und
TFT-Displays


Bild 4: Monochrome Displays


Bild 5: Ablesbarkeit eines OLED im Auflicht
(hier von links oben)