600_Hy-Line_Bild 9 - Blutzucker

Eine typische Applikation. Hier ein Blutzuckermessgerät. (Bild: Wise Chip)

Eckdaten

OLEDs haben eine niedrige Stromaufnahme, weisen einen hohen Kontrast auf und sind auch von leistungsschwachen CPUs einfach anzusteuern. Mit leuchtstarken Farben lassen sie sich in viele Geräte vom Designer-Kaffeeautomaten bis hin zum portablen Blutdruck-Messgerät integrieren. Das Potenzial der Technologie ist noch nicht ausgeschöpft und Weiterentwicklungen machen die Displays noch attraktiver.

Seit großflächige OLED-Displays hergestellt werden können und kommerziell verfügbar sind, rückt diese Technologie auch in das Bewusstsein der Elektronikmarkt-Kunden. 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.

600_Hy-Line_Bild 1 - Vergleich OLED-TFT

Bild 1: Vergleich der Spezifikation von OLED und TFT. Hy-Line Computer Components

Im Folgenden soll der Oberbegriff „LCD“ für alle Flüssigkristall-Technologien stehen. LCDs mit niedrigem Komplexitätsgrad sind passiv ausgeführt. Im Falle einer Matrix heißt dies, dass externe Treiber Pegel für Zeile und Spalte anlegen. Aufgrund der anliegenden Differenzspannung wird das Pixel im Schnittpunkt zur Änderung seines Zustands angeregt. Bei OLEDs ist dies ebenso; die hier betrachteten Grafik-Displays in Passiv-Matrix-Technologie reagieren auf die Differenz zweier Spannungen, die an den Elektroden eines Pixels anliegen. Aktive Displays hingegen haben an den Kreuzungspunkten der Matrix Schaltelemente wie zum Beispiel Transistoren.

Grundlegende Unterschiede zu LCDs

LCDs wirken als Ventil für existierendes Licht. Abgesehen von reflektiven Displays modulieren LCDs das Licht, das von einer Lichtquelle, meist einer Anordnung von LEDs, hinter dem Display stammt. Die Transparenz aller Schichten liegt deutlich unter 10 %, das heißt, 90 % des Lichtes gehen verloren.

Bild 1 zeigt die typischen Parameter zweier äquivalenter Module in OLED- und TFT-Technologie im Vergleich. Beim LCD ist die Leistungsaufnahme unabhängig vom Bildinhalt konstant, während sie bei OLEDs mit der Zahl der aktiven Bildelemente zunimmt.

OLED und LCD im Vergleich

600_Hy-Line_Bild 2 - Farbkoordinaten-Vergleich

Bild 2: Vergleich der Farbräume von OLED und TFT. Hy-Line Computer Components

Da OLEDs kein Backlight benötigen, können sie dünner als LCDs ausgeführt werden. Die organischen Materialien bestimmen die Wellenlänge und damit die Farbe des Lichts. Während beim LCD das Anlegen einer Spannung ausreicht und kein Strom in das Display fließt, muss beim OLED ein Strom durch das Bildelement fließen, damit es Licht emittiert. Anders als LCDs mit Backlight können sie weniger Energie verbrauchen, da nur die aktiv leuchtenden Bildelemente Strom aufnehmen. OLEDs erreichen ohne zusätzliche Streufolien einen weiten Betrachtungswinkel von nahezu 180° ohne Farb­abweichung oder Kontrastverlust. Da die Leuchtmaterialien anders als bei TFTs nicht auf das Back­light-Spektrum und die Durchlasskennlinie des Farbfilters abgestimmt werden müssen, wird ein großer Farbraum (Gamut) erreicht. Siehe dazu Bild 2. Der Kontrast von OLEDs ist sehr hoch, da in dunklen Bereichen kein vom Backlight beleuchteter Hintergrund durchscheint. Hat der Hersteller den Fertigungsprozess und besonders die Abschottung gegenüber Umwelteinflüssen im Griff, ist ein weiter Temperaturbereich möglich.

Auf der nächsten Seite werden die vielen Ausführungen OLED-Displays behandelt

600_Hy-Line_Bild 4 - Farben monochromer Displays

Bild 3: Monochrome Displays in verschiedenen Farbausführungen. Hy-Line Computer Components

OLED-Displays sind in vielen Ausführungen verfügbar. Die einfachste Variante zeigt in einer segmen­tierten Darstellung Ziffern in 7-Segmentdarstellung und Symbole (zum Beispiel Batteriestatus oder Messgröße „°C“, „V“, „mA“) an. Der nächsthöhere Komplexitätsgrad sind zeichenorientierte Displays, die aus einem festen Vorrat Zeichen (Buchstaben, Ziffern, Symbole) anzeigen. Ist wahlfreier Zugriff erwünscht, bietet ein Punktmatrixdisplay die Möglichkeit, auch Grafiken (Linien, Symbole, Sonder­zeichen) anzuzeigen. Die genannten Typen sind alle in verschiedenen (monochromen) Farben wie gelb, grün, blau-grün, orange, weiß, rot und blau verfügbar. Werden zwei Farbstoffe nebeneinander auf demselben Substrat angebracht, können mit dem „Area Colour“ genannten Effekt zwei Bildschirm­bereiche gleichzeitig 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. Werden drei Grundfarben in Streifenform wie bei TFTs angeordnet, erhält man ein Farbdisplay, das durch Kombination tausende verschiedene Farbtöne anzeigen kann.

600_Hy-Line_Bild 5 - Jukebox weiss Auflicht 1

Bild 4: Ablesbarkeit eines OLED im Auflicht (hier von links oben). Hy-Line Computer Components

Beim Studium eines Datenblatts fällt auf, dass die angegebene Helligkeit im Vergleich zu TFTs 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 OLEDs sehr dunkel, da hier kein Backlight von hinten durchscheint. Anders als TFTs benötigen OLED für ihre Funktion zwar keinen Polfilter, können aber mit ihm den Kontrast steigern, indem Reflektionen des Auflichts eliminiert werden. 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 von OLED

Die Lebensdauer von OLEDs wird ebenso definiert wie die von TFTs: Sie bezeichnet die Zeit die vergeht, bis die anfängliche Helligkeit auf 50 % zurückgegangen ist. Während bei TFTs die Helligkeit des LED-Backlights nachlässt, ist es hier das Licht emittierende Display selbst. Zur gleichmäßigen Belastung wird das Display bei der Bewertung mit einem abwechselnden Schachbrettmuster angesteuert. Die Lebensdauer wird bestimmt, indem die Alterung bei einer erhöhten Temperatur beachtet und nach der Arrhenius-Formel extrapoliert wird.

Nächste Seite: Alterungsmechanismen

Es gibt zwei unterschiedliche Mechanismen, die OLED altern lassen:

Im Betrieb altern die emittierenden Materialien durch Abnutzung. Verlangsamen lässt sich dieser Prozess durch Maßnahmen im Betrieb, die weiter unten beschrieben sind.

600_Hy-Line_Bild 6 - Lebensdauer nach Farbe

Bild 5: Typische Lebensdauer in Abhängigkeit der Farbe. Hy-Line Computer Components

Umwelteinflüsse wie zum Beispiel Feuchtigkeit und Sauerstoff reagieren chemisch mit den organischen Materialien. Sie sind unabhängig vom Betrieb und begrenzen die Lebensdauer auch bei Lagerung. Jedoch sind diese Effekte gut beherrschbar. OLED werden auf einem Glassubstrat als Träger aufgebaut und mit einem weiteren Glas oder einem Kunststoff abgeschlossen. Die Schwachpunkte dieser Konstruktion sind die Permeabilität des Deckmaterials und der Verklebung gegenüber Ionen. Mit geeignetem Material kann man diese minimieren. Zusätzlich werden OLED-Module unter Inertgas-Atmosphäre verkapselt, um Einschlüsse von Sauerstoff und Restfeuchte von vorneherein auszuschließen. Im Innern auf der nicht-emittierenden Seite befindet sich ein sogenannter „Getter“, ein Material, das wie ein Schwamm eintretende Ionen sammelt und das Display damit schützt. Mit diesen Maßnahmen wird das „Shelf life“, also die Lebensdauer im abgeschalteten Zustand, deutlich verlängert.

Einflüsse auf die Lebensdauer eines OLED

Die operative Lebensdauer eines OLED hängt von verschiedenen Faktoren ab, die im realen Betrieb gleichzeitig wirken. Zum einen ist dies die Temperatur, bei der das Display betrieben wird. Hinzu kommt der Stromfluss durch die Licht emittierende Schicht, von dessen Höhe die Helligkeit abhängt. Auch haben Leuchtmaterialien je nach emittierter Farbe unterschiedliche Lebensdauern. Kleinere Pixelflächen leuchten länger als große, da der Absolutwert des Stroms niedriger ist. Nicht zuletzt spielt die Multiplex-Rate eine Rolle, da bei höher gemultiplexten Displays der Spitzenstrom höher sein muss, um den gleichen Effektivwert zu erzielen. Der Zusammenhang zwischen diesen Größen ist nicht linear.

Unerwünschte Display-Effekte

600_Hy-Line_Bild 7 - Blockschaltbild mit Controller

Bild 6: Blockschaltbild eines OLED-Moduls. Hy-Line Computer Components

Als aktive, selbst emittierende Displaytechnologie nimmt bei OLED die Helligkeit durch den Betrieb ab. Anders als bei TFTs, 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 einge­schaltet sind. Zu Zeiten der Kathodenstrahlröhren (CRT) war das „Einbrennen“ ein Problem, das mit einer „Bildschirmschoner“-Software abgemildert wurde. Obwohl dies bei TFTs heute nicht nötig ist, bieten viele Betriebssysteme einen Bildschirmschoner, der nach einer Zeit der Inaktivität des Anwen­ders den Bildschirminhalt abschaltet und wechselnde Muster oder Bilder anzeigt.

Was bedeutet dies für OLED? Grundsätzlich sollen statische Bildinhalte vermieden werden. 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. Dies trifft bei Status-Anzeigen zu, aber auch bei Energie-Zählern oder Messgeräten. Der originale Bildinhalt wird durch eine Interaktion reaktiviert, zum Beispiel durch einen Tastendruck, eine Touch-Betätigung oder Änderung von Werten.

Vorschläge für die Realisierung eines Bildschirmschoners sind Dimmen auf einen Standby-Wert, vertikales oder horizontales Scrollen des Displayinhalts oder Überlagerung mit einem Schachbrett­muster mit der Feldgröße eines Pixels. Das als Vergleich herangezogene LCD mit Backlight altert im selben Maße, nur wird der gleichmäßige Rückgang der Helligkeit des Backlights nicht so deutlich wahrgenommen.

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 bis 16 V) das Display. Manche Treiber haben eine interne Ladungs­pumpe, die von der Logikspannung gespeist wird. Sie erzeugt mithilfe externer Kapazitäten die Displayspannung. Die Leistungsaufnahme hängt direkt vom Bildinhalt ab; nur aktive Bildelemente brauchen Strom. Der maximal erlaubte Strom wird mit nur einem Widerstand eingestellt. Der Display-Controller/Treiber ist auf einer Flexfolie oder dem Glas selber integriert, sodass die Schnitt­stelle zum System hin mit nur wenigen Leitungen auskommt.

Da der Anzeigeumfang eher klein ist, können OLEDs 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, sodass einmal eingeschriebene Informationen bis zur nächsten Änderung oder dem Abschalten der Versorgung erhalten bleiben. Die Host-CPU braucht also anders als bei TFTs nicht kontinuierlich Daten anzuliefern. Der Bildspeicher umfasst beispiels­weise bei einem 128 × 64-Display nur 1 kByte 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.

Eine große Auswahl an OLED-Controller/Treibern werden von Solomon Systech entwickelt und her­gestellt. Die Familienmitglieder sind ähnlich aufgebaut: Alle Funktionen sind in einem einzigen Chip untergebracht, sodass ein OLED-Modul in Chip-On-Flex-Ausführung möglichst einfach herzustellen ist.

Thema der nächsten Seite sind mögliche Anwendungen

600_Hy-Line_Bild 9 - Blutzucker

Eine typische Applikation. Hier ein Blutzuckermessgerät. Wise Chip

OLED werden überall dort eingesetzt, wo eine kleine Anzeige mit nicht allzu hohem Informationsgehalt dem Anwender Auskunft über den Status eines Systems geben kann. Beispiele aus der Praxis sind „weiße Waren“ (Wasch- und Spülmaschinen, Kaffeevollautomaten), professionelles Audio (Konferenzsysteme, Rufanlagen, Mischpulte, tragbare Mikrophone), Alarmanlagen, portable Zahlungsterminals (EC/Kreditkarte, Fahrkarten/Tickets), Settop-Boxen (designgetrieben: der Display-Hintergrund ist tiefschwarz), DSL- und LAN-Router, tragbare Medizin-Geräte zur Bestimmung von Blut­sauerstoff, Glukose und Blutdruck (Bild 7), einfache Verkaufsautomaten (Zigaretten, Geldwechsler), „Sensoren“ zur allgemeinen Datenerfassung in der Industrie, Test- und Messgeräte, sowie Verbrauchsmessung (Gas/Wasser/Elektrizität).

Technologie-Ausblick

Die Hersteller von OLEDs arbeiten an der Weiterentwicklung ihrer Technologie. Auch 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 zum Beispiel 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. Zum Beispiel möchten IP-Adresse und Messbereich lokale Meldungen absetzen, weil sie beispielsweise eine Wartung anfordern, den Batteriestatus anzeigen, oder einen Trend abgeben möchten.

Rudolf Sosnowsky

600_Hy-Line_Sosnowsky_Portrait
Technischer Leiter (CTO), Hy-Line Computer Components Vertriebs

(ah)

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