Wie OLEDs die Möglichkeiten beim Cockpit Design erweitern

Die Größe und Anzahl der Displays ist für Käufer von Neuwagen ein erster Hinweis auf den technischen Inhalt und die Innovation eines Fahrzeugs. Damit wird die Bildschirmgröße zum neuen Leistungsmerkmal bei der Kaufentscheidung. Denn unabhängig von der Art des Motors – Verbrennung, Hybrid oder Elektro – beeinflusst die Größe des Displays die Wahrnehmung der Fähigkeiten des Fahrzeugs.

Da der erste Eindruck nur schwer zu revidieren ist, müssen sich Fahrzeughersteller bei den Mensch-Maschine-Schnittstellen beziehungsweise HMI-Displays von ihrer besten Seite zeigen. OLED-Displays (Organic Light Emitting Diode) vermitteln dabei den besten ersten Eindruck und bieten zudem echte Vorteile für Nutzer und Cockpitdesigner.

Laut einem Bericht der Korea Display Industry Association (KDIA) könnte der weltweite Markt für Fahrzeugdisplays durchschnittlich jährlich um 7,8 % von 8,86 Mrd. US-$ im Jahr 2022 auf etwa 12,63 Mrd. US-$ im Jahr 2027 wachsen. OLEDs in Fahrzeugen sind dabei als wesentlicher Treiber aufgeführt. Im Jahr 2022 lag der Marktanteil von OLEDs bei nur 2,8 %; bis 2027 soll er auf 17,2 % ansteigen. Dabei treiben unterschiedliche Faktoren den zunehmenden Einsatz von OLED-Displays in Fahrzeugen voran.

Bis vor kurzem war die Flüssigkristallanzeige (LCD) der Grundpfeiler für Fahrzeugdisplays. Diese ausgereifte und gut etablierte Technik aus dem Consumer-Bereich wurde für Anwendungen im Fahrzeug angepasst und qualifiziert.

Von Smartphones über Computermonitore bis hin zu Fernsehgeräten – die Consumer-Branche hat bereits begonnen auf OLEDs umzusteigen, da diese eine hohe Bildqualität und einen schlanken Formfaktor bieten. Auch die Fahrzeughersteller übernehmen jetzt OLEDs aus ähnlichen, fahrzeugspezifischen Gründen, denn viele OLED-Eigenschaften sind für Displayanwendungen im Automobilbereich äußerst attraktiv.

Da es sich bei OLEDs um eine emittierende Displaytechnik handelt, strahlt ein ausgeschaltetes Pixel kein Licht ab, sodass Schwarz „echtes Schwarz“ ist. Im Gegensatz dazu blockieren LCDs das von der Hintergrundbeleuchtung kommende Licht, was zu einem dunklen Grau, aber eben nicht zu echtem Schwarz führt. LCD-Hersteller versuchen diesen Mangel zu beheben, indem sie eine Reihe von Mini-LEDs verwenden, um die Hintergrundbeleuchtung in den Bereichen mit schwarzen Pixeln zu dimmen und auszuschalten. Dieser Ansatz verbessert zwar den Kontrast, weist jedoch einen Mangel an Pixelgranularität auf und kann zu unerwünschten Effekten wie Blooming oder Halo führen. Außerdem erhöht die zusätzliche Schicht für die Mini-LED-Anordnung und deren elektronische Steuerung die Dicke, das Gewicht und damit die Kosten des Systems. Diese Aspekte sind mit zunehmender Größe des Bildschirms noch kritischer.

Je größer das Display, desto mehr Vorteile bieten OLEDs im Vergleich zu LCDs, denn OLEDs weisen weniger Schichten und eine dünnere Struktur auf. Das eröffnet Fahrzeugherstellern vielfältige Designmöglichkeiten, denn nicht nur reduziert der leichtere und dünnere Aufbau das Gewicht größerer Bildschirme, auch ermöglicht der kleinere Radius gebogene Displays und innovative Cockpitdesigns. Mit der True-Black-Technik kann der Rahmen des Displays zudem in der schwarzen Verkleidung verschwinden, was dem HMI-Modul ein einzigartiges Aussehen und Gefühl verleiht. Dazu kommen der geringe Stromverbrauch – vor allem wenn das Hintergrundbild dunkel ist – und Umweltfreundlichkeit, da weniger Kunststoff verwendet wird als bei vergleichbaren LCDs. Der niedrige Stromverbrauch und die leichteren, großen Displays sind besonders für Hersteller batteriebetriebener Elektrofahrzeuge (EV) von Vorteil, die bei gleicher Batteriekapazität nun eine größere Reichweite bieten können.

Fahrzeughersteller und -zulieferer mögen sich an frühere Mängel älterer OLED-Displays erinnern, aber im Laufe der Zeit hat sich OLED-Technik an die Anforderungen im Fahrzeug angepasst. Einbrenneffekte aufgrund der vielen (häufig ungenutzten) Icons/Symbole in einer Benutzeroberfläche und Helligkeitsprobleme bei der Ablesbarkeit bei Sonnenlicht sind inzwischen behoben.

Mit der 2-Stack-OLED-Technik oder einer Tandem-OLED-Struktur konnten Hersteller zudem die Helligkeit der Displays deutlich steigern. Zusätzlich zum helleren Bildschirm sorgt die hinzugefügte organische Schicht in der Struktur für eine bessere Verteilung der Energie über die OLEDs und damit für eine höhere Stabilität und längere Lebensdauer. Tier-1-Zulieferer haben diese Verbesserungen erkannt und setzen nun zunehmend OLED-Displays in Highend-Fahrzeugen ein.

Unabhängig von der Displaytechnik ist die Touchscreen-Oberfläche entscheidend für das Benutzererlebnis. Die Anforderungen an einen Touchscreen in einem Fahrzeug sind viel höher als bei Consumer-Geräten:

• Zuverlässiger Betrieb bei größeren Umgebungsänderungen
• Unterstützung für die Bedienung mit Handschuhen
• Elektromagnetische Verträglichkeit in Bezug auf Störfestigkeit und HF-Emissionen
• Funktionale Sicherheit nach ISO26262 ASIL-B, da virtuelle Tasten auf dem Touchscreen sicherheitskritische mechanische Tasten ersetzen.

In den letzten Jahren haben die meisten LCD-Hersteller die Multitouch-Funktion in die Displays integriert und dabei On-Cell- oder In-Cell-Technik verwendet. Da OLEDs eine vollständige Kathodenschicht mit niedriger Impedanz über den Pixeln verwenden, kommt nur eine On-Cell-Struktur zum Einsatz. Alle großen OLED-Zulieferer bieten oder entwickeln diese Art von Technik, da sie dünnere, leichtere und flexiblere Touchdisplays ermöglicht.

On-Cell-Technik ermöglicht zwar dünnere OLED-Displays, bringt aber auch neue Herausforderungen für den Touchscreen-Controller mit sich. Die Touch-Elektroden liegen näher an der Kathodenschicht und den Display-Pixeln (Bild 2). Dabei haben die Elektroden eine höhere kapazitive Last gegenüber der Masse. Während sich die Kapazitätswerte für die Fingerberührung nicht verändert haben, ist die Empfindlichkeit der Fingerberührung beeinträchtigt. Ein Beispiel veranschaulicht diese Herausforderung: Bei der früheren Display-Technik ist die Messung der Kapazität einer Fingerberührung vergleichbar mit der Messung des veränderten Wasserstands, wenn ein Glas in einen kleinen Eimer eintaucht. Mit der dünnen On-Cell-OLED-Struktur hingegen ist der Prozess nun vergleichbar mit der Messung derselben Veränderung in einer vollen Badewanne.

Elektromagnetische Störungen (EMI) durch das Umschalten der Pixel erhöhen zusammen mit der stärkeren Kopplung an die Touch-Elektroden das Risiko einer falschen oder fehlenden Berührungserkennung. Daher ist ein Touchscreen-Controller mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erforderlich. Dieser Controller braucht Ansteuerungs- und Erfassungsschemata, die an die hohe Belastungsfähigkeit der On-Cell-OLED-Touchsensoren angepasst sind. Des Weiteren ist leistungsstarke Technik zum Unterdrücken des Bildschirmrauschens erforderlich sowie eine effiziente Signalverarbeitung für hohe Touch-Melderaten und kürzere Latenzzeiten bei der ersten Berührung.

Die Fähigkeit von OLEDs, hochwertige Bilder und einen echten schwarzen Hintergrund, Energieeffizienz und ein leichtes, gebogenes Panel bereitzustellen, schafft ansprechende Endprodukte, die die Kaufentscheidung positiv beeinflussen. Aber trotz der technischen Herausforderungen für dünne On-Cell-OLED-Displays im Fahrzeugbereich muss auch das Touch-Erlebnis für Benutzer einwandfrei sein. Die Touchscreen-Controller maXTouch von Microchip verfügen über Technik zur wasserdichten Multitouch-Erkennung – selbst mit Handschuhen. Die aktuelle Generation M1 der Controller bietet neue Ansteuerungs- und Erkennungsmechanismen für den sicheren Touch-Betrieb auf OLED-Displays in Fahrzeugen.