Informations- und Kommunikationstechnik

OLED-Display

Viele technische Geräte haben Anzeigeeinheiten, Displays genannt, die in hoher Auflösung und oftmals in Farbe die verschiedensten Informationen und Darstellungen zeigen. Bei mobilen Geräten sollten diese Anzeigen mit einem geringen Energiebedarf funktionieren. Die derzeit am häufigsten anzutreffenden Flüssigkristallanzeigen mit aktiver Dünnfilmtransistormatrix, die LCD-TFT-Displays, verbrauchen noch zu viel Energie. Das zeigt sich besonders bei Digitalkameras, wo die Akkuladung bei eingeschaltetem Display relativ schnell verbraucht ist. Auch bei Laptops schränkt der Energiebedarf der notwendigen Hintergrundbeleuchtung des LCD-TFT-Displays den mobilen Betrieb ein.

Für Monitore und Fernsehgeräte wünscht man sich möglichst flache Bildschirme, wo der Farb- und Helligkeitseindruck vom Blickwinkel unabhängig ist. Bei der Entwicklung neuer Displays wird auch über aufrollbare Bildschirme, einer Leinwand gleich, nachgedacht. Mit dem Einsatz von organischen Leuchtdioden, den OLEDs lassen sich diese Wünsche wahrscheinlich erfüllen. Sie leuchten selbst aktiv, benötigen nur wenig Energie und kommen ohne Backlight aus. Sie lassen sich als dünner Film zwischen flexible Folien einschließen. Die Darstellung bleibt bei fast jedem Blickwinkel gleich gut. Das Prinzip und die Arbeitsweise einer OLED ist in diesem Webprojekt an anderer Stelle ausführlicher beschrieben.

Fraunhofer

Machbarkeitsstudien

Der Helligkeits- und Kontrastvergleich bei einem mit passiver Matrix angesteuerten LCD- (links) und OLED-Displays (rechts) zeigt für die OLED eine sehr gleichmäßige große Helligkeit und ein besseres Kontrastverhältnis.
(Quelle: Fraunhofer Institut)

Anfang 2001 stellte die Firma Sony den Prototyp eines 13-Zoll-Bildschirms in OLED-Technologie vor. Das Display verfügte über eine Auflösung von 800 x 600 Pixeln. Einen Hinweis zur maximalen Betriebsdauer gab es nicht. Einige Jahre später im September 2004 konnte ein PalmOS-PDA von Sony mit OLED-Display im Handel erworben werden. Sein 3,8-Zoll-Display hatte eine Auflösung von 480 x 320 Pixeln bei 262.144 Farben. Die Helligkeit wurde mit 150 cd/qm und das Kontrastverhältnis mit 1000:1 angegeben. Der Blickwinkel war horizontal und vertikal nicht eingeschränkt. Das Display hatte kurze Schaltzeiten und war damit voll videotauglich.

Im Mai 2004 stellte die Firma Epson den zu diesem Zeitpunkt größten OLED-Flachbildschirm vor. Das 40-Zoll-Display wurde in einer Technik gefertigt, die mit der Tintenstrahltechnik vergleichbar ist. Epson sah einen kommerziellen Einsatz nicht vor dem Jahr 2007. Im Januar 2005 stellte die Firma Samsung seinen Prototyp eines 21-Zoll-Video-Displays vor. Die Auflösung betrug 1920 x 1200 Pixel. Die Helligkeit wurde mit 400 Candela pro Quadratzentimeter und das Kontrastverhältnis mit 5000:1 angegeben. Das Display wurde mit aktiver Matrix in Amorphous-Silicon-(a-Si-)Technologie angesteuert. Für die Herstellung ließen sich die TFT-LCD-Fertigungsstraßen nutzen. Es wurde zu diesem Zeitpunkt kein Termin für den Produktionsstart genannt.

Durch ein immer besseres Verständnis der physikalischen Vorgänge, die bei den organischen Polymeren zur Lichtemission führen, konnte der Wirkungsgrad der elektrisch-optischen Umwandlung gesteigert werden. Nach Forschungsberichten der TU Dresden, dem Institut für Angewandte Photophysik IAPP, werden fast 90 Lumen/Watt erreicht (2006).

Herstellungsverfahren

Ein OLED-Display wird in Schichtfolge gefertigt. Auf eine transparente Anode, meist Indiumzinnoxid (ITO), wird die Leuchtschicht, ein organisches Polymer, aufgebracht und mit einer metallischen Kathode abgedeckt. Zu beiden Seiten kommen abschließende Trägerfolien oder Glasscheiben. Die Firma Kodak leistete Pionierarbeit in der OLED-Technologie und entwickelte die Small Molecule OLEDs. Diese kleinen Polymere werden durch Vakuumsublimation auf die Trägerelektrode aufgedampft. Die Ausbeute ist gering und der Prozess zeitaufwendig, da nur weniger als 10% der eingesetzten Polymere die OLED bilden. In Vakuumtechnik lassen sich auch nur kleine Displays herstellen.

Große und langkettige Polymere, die bei elektrischer Anregung selbst leuchteten, wurden von Cambridge Display Technology entwickelt. Für diese Moleküle gibt es flüssige Lösungsmittel die dann durch ein Spin-Coating-Verfahren auf den Träger aufgebracht werden. Dabei wird die Lösung mittig auf den sich schnell drehenden Träger gegeben, wobei sie sich gleichmäßig zu einer dünnen Schicht zum Rand hin verteilt. Das Lösungsmittel verdampft und kann nach seiner Kondensation erneut eingesetzt werden. Im zweiten Verfahren, dem Ink-Jet-Printing, werden ähnlich einem Tintenstrahldrucker die Polymere auf den Träger übertragen. Mit beiden Verfahren lassen sich beliebig große Displays herstellen.

Die Produktion erfordert in jedem Fall eine Reinstraumtechnik. Ein ganz besonderer Nachteil ist die hohe Empfindlichkeit der Polymere gegenüber Sauerstoff und Wassermoleküle. Die fertigen Displays müssen entsprechend versiegelt sein. Beidseitige Glasplatten als mechanische Träger eignen sich sehr gut, allerdings sind die Displays dann starr. Geeignete gasdichte, flexible Folienträger gibt es nur wenige. Vorteilhaft ist der insgesamt minimale Materialbedarf an aktiven Polymeren, da deren Schichtdicke nur einige 100 Nanometer beträgt.

Wie bei der Siliziumtechnologie lassen sich auch organischen Leuchtdioden durch geeignete Dotierungen in Helligkeit und Farbe verändern. Ebenso wie LEDs leuchten auch OLEDs nicht in spektral reinen Farben. Das Spektralband verbreitert sich mit dem Grad der unvermeidbaren Verunreinigungen. Die einzelnen Farben haben eine recht unterschiedliche Lebensdauer. Für einzelne Spektralfarben werden schon über 100.000 Betriebsstunden, mehr als 10 Jahre, erreicht. Die Unterschiede untereinander sind noch groß, somit können bleibende Farbverfälschungen zu früh auftreten. Je mehr Lichtenergie eine OLED abgeben soll, desto schneller altert sie bei gleichzeitig verkürzter mittlerer Lebensdauer.

Displayansteuerung

Kleine OLED-Displays lassen sich sehr einfach mit einer Passivmatrix ansteuern. Anoden und Kathoden bilden ein rechtwinkliges Leiterbahnnetz. Zwischen den Kreuzungspunkten befinden sich die Polymere. Da die ITO-Anode transparent ist, tritt durch sie das emittierte Licht aus. Die Herstellung der Leiterbahnen ist sehr einfach aber die Widerstandsverluste in der Matrix sind für große Displays zu hoch. Die Leiterbahnen sind einerseits sehr dünn und das Anodenmaterial hat eine geringere Leitfähigkeit als reines Metall. Mit der Anzahl der Kreuzungspunkte in der Passivmatrix nimmt der Wert der parasitären Kapazität zu und verlängert dadurch die Schaltzeiten des Displays. Bevor ein Pixel reagiert, muss die gespeicherte Ladung erst abgebaut sein. Die Ansteuerung mittels Passivmatrix endet bei Displaygrößen mit diagonal 50 mm ≈ 2 Zoll.

Mit einer aktiven Matrix in der TFT Dünnfilmtransistortechnik lassen sich beliebig große Displays ansteuern. Wie bei den LCD-TFT-Bildschirmen wird jedes Pixel einzeln angeregt. Die Widerstandsverluste werden durch die Verstärkungsfaktoren der Transistoren ausgeglichen. Richtig bemessene Stromimpulse bewirken eine schnelle Umladung und kurze Schaltzeiten. Anders als bei LCD-TFT-Displays werden bei OLED-Displays pro Pixel mindestens zwei TFTs für eine stabile Erregerspannung benötigt. Das Herstellungsverfahren ist komplizierter und die höhere Schichtenfolge im Display verringert die Leuchtkraft. Es gibt aber mit sogenannten top-emittierenden OLEDs schon Verfahren, wo der Lichtaustritt in umgekehrter Richtung erfolgt, und nicht von den TFT-Schichten abgedeckt wird.

Weitere Forschungen beschäftigen sich mit der Entwicklung hochfrequenztauglicher Transistoren aus organischen Materialien, den sogenannten Plastiktransistoren. In flexiblen Displays wären sie gegenüber polykristallinen oder amorphen Si-Transistoren von Vorteil. Parallel zur Displaytechnik wird mit gutem Erfolg an der Entwicklung und am Einsatz von OLEDs für die Raumbeleuchtung gearbeitet.