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Whitpaper Displays: 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 Technologie hat sich seitdem weiter entwickelt.

OLED kommen unter anderem in tragbaren Medizingeräten zum Einsatz Bildquelle: © HY-Line

OLED kommen unter anderem in tragbaren Medizingeräten zum Einsatz

Seit großflächige OLED-Displays hergestellt werden können und kommerziell verfügbar sind, rückt diese Technologie auch in das Bewusstsein der Elektronikmarkt-Kunden.  Abkürzung steht für »Organic Light Emitting Device«. Dabei bezeichnet »organic« die Materialien, die zur Funktion des Displays beitragen – meist aus 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.

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 1 (Bildergalerie)  zeigt die typischen Parameter zweier äquivalenter Module in OLED- und TFT-Technologie im Vergleich.

OLED und LCD im Vergleich

Da OLED keine Hintergrundbeleuchtung (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 (Bild 2).

Während beim LCD die Leistungsaufnahme hauptsächlich von der Hintergrundbeleuchtung bestimmt wird und konstant ist, nehmen bei OLED nur die aktiv leuchtenden Bildelemente Strom auf. Sie erreichen ohne zusätzliche Streufolien einen weiten Betrachtungswinkel von nahezu 180° ohne Farb-abweichung oder Kontrastverlust. Der Kontrast von OLED ist sehr hoch, da in dunklen Bereichen kein beleuchteter Hintergrund durchscheint. Die Technologie erlaubt einen Temperaturbereich von -40 bis 70 °C.

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.

Sind OLED dunkel?

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 150cd/m². Daraus zu schließen, OLED seien schlecht ablesbar, ist nicht richtig. Denn 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 (Bild 4). 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.

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. 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

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 ein-geschaltet 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 zum Beispiel bei Status-Anzeigen, Energie-Zählern oder Messgeräten. Der originale Bildinhalt wird durch einen Tastendruck, eine Touch-Betätigung oder Änderung von Werten reaktiviert. 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 8-16V) 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 I²C, SPI oder auch ein 8-Bit-Datenbus mit entsprechenden Steuersignalen sein.

Der Bildspeicher befindet sich auf dem Modul, so dass einmal eingeschriebene Informationen bis zur nächsten Änderung oder dem Abschalten der Versorgung erhalten bleiben (Bild 5). Die Host-CPU braucht also anders als bei TFT nicht kontinuierlich Daten anzuliefern. Der Bildspeicher umfasst beispielsweise bei einem 128x64-Display nur 1kByte 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.

Anwendungen: Die nächste Generation

OLED werden überall dort eingesetzt, wo eine kleine Anzeige mit nicht allzu hohem Informations-gehalt gebraucht wird. Kleingeräte aus der Medizintechnik, besonders tragbare, sind dafür prädestiniert. 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.

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 zum Beispiel »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 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.

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.

Referenzen
HY-LINE Computer Components Vertriebs GmbH
WiseChip Semiconductor Inc.
Solomon Systech Ltd.

Das Whitepaper steht Ihnen auf der Seite von HY-Line zum Download zur Verfügung.