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Wie funktioniert die OLED-Display Technik?

Flexible Kunststoff-Displays: Aus organischen Leuchtdioden sollen in einigen Jahren aufrollbare Bildschirme produziert werden. Forscher des IAP haben bereits erste Labormuster hergestellt. ©Fraunhofer Computer, Laptop, Handy, Autoradio oder Camcorder - kaum ein elektronisches Gerät kommt ohne Display aus. Doch die heute gängigen Bildschirme haben einige Nachteile. Röhrenbildschirme sind klobig und schwer. Die Flüssigkristall- und TFT-Displays (TFT steht für Dünn-Schicht-Transistor, Thin Film Transistor) sind zwar flach, brauchen aber viel Energie und bieten nur aus einem speziellen Blickwinkel ein gutes Bild. Anders Monitore aus organischen lichtemittierenden Dioden (OLEDs): Sie benötigen keine Hintergrundbeleuchtung, verbrauchen wenig Strom, sind hauchdünn und bieten aus jedem Blickwinkel ein brillantes Bild. Weiterer Vorteil: Die Kunststoff-Displays können auch als flexible Folie gestaltet werden.Vor mehr als zehn Jahren entdeckten Forscher die ersten Kunststoffe, die unter Stromzufuhr leuchten. Seither arbeiten zahlreiche Firmen und Forschergruppen in aller Welt am Monitor von morgen. Das Grundprinzip der OLEDs ist jedoch immer dasselbe. Auf eine transparente Elektrode wird eine dünne leuchtende Schicht aufgetragen - ein Tausendstel eines Menschenhaars genügt. Darauf kommt eine zweite Elektrode. "Fließt Strom durch dieses Sandwich, leuchtet der Kunststoff", erläutert Dr. Armin Wedel vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Golm die Funktionsweise.

Organische Displays können mit zwei unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden: Der OLED-Pionier Kodak hat die Small Molecule OLEDs entwickelt. Diese kleinen, leuchtenden Moleküle werden im Vakuum aufgedampft. Die andere Technik hat Cambridge Display Technology entwickelt. Dieses Verfahren setzt langkettige Kunststoffe ein. Die großen Moleküle lassen sich in Flüssigkeit lösen und kostengünstig durch spin-coating oder mit einer Art Tintenstrahldrucker auf die Elektrode auftragen. Die Forscher der Arbeitsgruppe Polymere und Elektronik am IAP arbeiten mit der Polymertechnologie. "Dieses Verfahren ist besonders für Displays mit niedrigem Informationsgehalt geeignet. Damit können kleine Displays für Handys, Hinweisschilder oder Anzeigen für elektronische Geräte wie zum Beispiel Waschmaschine, Mikrowelle oder Anrufbeantworter gefertigt werden", führt Dr. Wedel aus. Ziel der Forscher ist es, verbesserte Polymere zu entwickeln. "Die Anforderung an die Synthese der leuchtenden Kunststoffe ist sehr hoch", betont der Wissenschaftler. "Die Materialien müssen strukturrein und frei von Fremdstoffen sein. Nur so ist eine lange Lebensdauer garantiert. "Bisher sind erst wenige Gruppen und Unternehmen - darunter auch das IAP - in der Lage, die polymeren Grundstoffe in der geforderten Reinheit und den benötigen Mengen herzustellen. Für ein langes Leben der organischen Displays ist neben der guten Qualität der leuchtenden Kunststoffe aber noch etwas anderes wichtig: Die Polymere dürfen nicht mit Wasser oder Luftsauerstoff in Kontakt kommen, sonst verlieren sie ihre Leuchtkraft. "Um die Polymere vor Sauerstoff zu schützen, werden sie mit dünnem Glas versiegelt", erläutert er.

Doch damit ist das Display starr. Das wollen die IAP-Forscher ändern: Sie versuchen, die Polymere auch auf flexible Folien aus PET (Polyethylenterephtalat) aufzutragen und das Display dann dauerhaft luftdicht zu verkapseln. Die flexible Trägerfolie ist mit speziellen Barriereschichten versehen, die verhindern sollen, dass Wasserdampf und Sauerstoff durchgelassen werden. Erste Labormuster für flexible Displays haben die Forscher bereits auf der Fachmesse Optatec im vergangenen Jahr präsentiert. Damit rückt der aufrollbare Bildschirm in greifbare Nähe. Derzeit sind die kleinen Moleküle (Small Molecule OLEDs) in Bildqualität und Lebensdauer den Polymeren noch überlegen. Sie werden daher vor allem in Displays mit hohem Informationsgehalt wie zum Beispiel Flachbildschirmen für Computer eingesetzt. Allerdings hat die Technologie einen entscheidenden Nachteil: Die Fertigung ist aufwändig und teuer. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden arbeiten an neuen preiswerten Herstellungsverfahren. "Wir haben eine Anlage entwickelt, die eine besonders günstige Fertigung der OLED-Displays verspricht. Hierbei durchlaufen die Substrate senkrecht in Kette die Anlage, so dass die Bearbeitungszeit pro Substrat nur bei etwa 30 Sekunden liegt - das ist um den Faktor Zehn besser als bei klassichen Konzepten. Zusammen mit einer stark verbesserten Materialausnutzung wird dadurch eine deutliche Kostenreduktion möglich", erläutert Prof. Karl Leo vom IPMS die Vorzüge des neuen Verfahrens.

Ende des vergangenen Jahres hat das IPMS in Zusammenarbeit mit der TU Dresden und dem Anlagenhersteller Applied Films die Versuchsanlage in Betrieb genommen.Prof. Leo, der die Abteilung Organische Materialien und Systeme am IPMS leitet und den Lehrstuhl für Angewandte Photophysik der TU Dresden inne hat, arbeitet noch an einem weiteren Projekt: "Durch Dotierung, das ist eine gezielt eingebrachte Verunreinigung, verbessern wir die Eigenschaften von organischen Leuchtdioden", erläutert Leo. So senkt die Dotierung die Betriebsspannung der OLED-Bildschirme. Das reduziert den Stromverbrauch - die Akkus von Laptops oder Handys halten länger. "Mit Hilfe der Dotierung lassen sich zudem besonders effiziente transparente Organische Leuchtdioden herstellen", führt Leo weiter aus. Erst vor wenigen Monaten konnte die Dresdner Gruppe in Zusammenarbeit mit der Princeton University (USA) die weltweit mit Abstand besten transparenten OLEDs realisieren. Dadurch werden effiziente Displays möglich, die im ausgeschalteten Zustand voll transparent sind - wie etwa Windschutzscheiben. Mittlerweile sind bereits erste organische Leuchtanzeigen und Dis-plays auf dem Markt. Pioneer setzt OLEDs in Autoradios, Motorola in einem Handy und Philipps in einem Rasierapparat mit Batteriestandsanzeige ein. Auf der diesjährigen CeBIT präsentierte Kodak sogar eine Digitalkamera mit einem OLED-Display. Doch das ist erst der Anfang. Displays aus Kunststoff werden riesige Marktpotenziale vorhergesagt. Das Marktforschungsinstitut DisplaySearch prognostizierte, dass der Umsatz mit OLEDs auf 3 Milliarden US-Dollar bis 2007 wachsen wird. Deutsche und europäische Firmen haben die Chance, sich ein Stück dieses Marktes zu erobern.

OLEDs - Displays aus Plastik

Displays aus organischen, Licht emittierenden Dioden (OLEDs) sind flexibel, hauchdünn, Energie sparend und bieten brillante Ablese-Eigenschaften. Sie eröffnen neue Anwendungsbereiche: als großflächige Raumbeleuchtung, TV-Bildschirme oder Mobiltelefondisplays. Doch bevor die OLEDs den Massenmarkt stürmen, gilt es noch einige Probleme zu lösen.OLEDs basieren auf organischen Halbleitern, die leuchten, sobald Spannung anliegt. Unterschieden wird in kleine Moleküle (Small Molecules / SM) und langkettige Polymere. Mitte der 80er Jahre stellten Forscher von Kodak erstmals eine OLED aus kleinen Molekülen her. Kurz darauf folgte Cambridge Display Technology mit OLEDs aus Polymeren.Der Aufbau eines OLED-Displays ist im Vergleich zu einem LCD sehr einfach: Auf Glas oder einer durchsichtigen biegsamen Trägerfolie wird ein transparenter elektrischer Leiter aufgebracht, gewöhnlich ist dies Indiumzinnoxid, das später im Bauteil als Anode fungiert. Der Träger wird dann mit der Kunststoff-Leuchtschicht hauchdünn überzogen. Abschließend wird noch eine metallische Kathode aufgedampft.

Was sich in der Theorie einfach anhört, ist in der Praxis schwierig: Die Dioden sind extrem empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff und müssen daher hinter Glas verkapselt werden. Für die Verarbeitung gelten Reinheitskriterien wie in der Halbleiterindustrie. Und noch basteln die Wissenschaftler an den Materialien. Mittlerweile sind zwar Lebensdauern bis zu 200.000 Stunden erreichbar. Nur leider nicht für jede Farbe. Nach einigen hundert Stunden Betriebsdauer kommt es deshalb zu unschönen Farbverzerrungen. Schwierigkeiten bereitet es auch, die Leuchtschichten auf das Trägersubstrat aufzubringen. Bislang gibt es zwei Verfahren: Vakuumsublimation (SM) und nasschemische Beschichtung (Polymere).

Bei der Herstellung von SM-OLEDs werden die Moleküle im Vakuum auf ein Glas aufgedampft. Das Verfahren ist mit den bisher zur Verfügung stehenden Methoden relativ teuer und aufwändig: Zum einen erfordert das Handling der Substrate viel Zeit, zum andern gehen ca. 95 Prozent der organischen Materialien bei der Verdampfung verloren. Ein weiterer Minuspunkt: Die zur Herstellung notwendigen Vakuumkammem begrenzen die Größe der Displays. Die Hersteller arbeiten deswegen fieberhaft an der Entwicklung neuer kostengünstiger Herstellungsverfahren.Im Gegensatz zu den kleinen Molekülen lassen sich Polymere in Flüssigkeit lösen, was die Verarbeitung sehr vereinfacht, Polymer-OLEDs sollen sich in geradezu gigantischen Größen produzieren lassen - Canon spricht von 500-Zoll-Displays und größeren Formaten. Zu den nasschemischen Beschichtungsverfahren gehört das Spin-Coating. Hier wird die Lösung auf ein sich schnell drehendes Trägersubstrat aufgebracht. Durch die Rotation verteilt sich die Lösung gleichmäßig über die Oberfläche. Ein anderes Verfahren ist das Ink-Jet-Printing. Ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker Tinte auf Papier druckt, werden die Polymere auf ein Trägersubstrat gedruckt.

Nichts für große Diagonalen: Passivmatrix

Bei Passivmatrix-Displays bestehen Anode und Kathode aus engen, um 90 Grad versetzten Leiterbahnen, die die Polymerschicht einschließen. Die Kreuzungspunkte der Elektroden bilden die Pixel. Das Licht wird durch eine transparente Elektrode aus Indium-Zinn-Oxid nach außen abgestrahlt. Passivmatrix-Displays sind relativ einfach herzustellen, aufgrund von Verlusten in den elektrischen Leitungen ist ihre Größe aber auf etwa fünf Zentimeter Diagonale begrenzt. Diese Beschränkung gilt nicht für die komplexer aufgebauten Aktivmatrix-Displays. Hier wird jedes Pixel einzeln angesteuert, was eine integrierte Schaltung in der Displayebene erfordert. Ideal dafür wären Dünnfilmtransistoren (TFT) aus polykristallinem Silizium. Bei integrierten Schaltungen mit der konkurrierenden Technik des amorphen Siliziums ist der Stromverbrauch zu hoch. Ein weiteres Problem: Während bei einem LCD jeweils ein TFT ein Pixel ansteuert, benötigt ein OLED mindestens zwei TFTs pro Pixel, um eine stabile Ausgangsspannung zu sichern. Um eine gleichmäßige Helligkeit zu erreichen, arbeiten einige Hersteller sogar mit vier Transistoren pro Pixel. Das Problem: Je mehr TFTs, desto komplexer das Herstellungsverfahren, desto geringer die Ausbeute. Hinzu kommt, dass das Display mit der steigenden Zahl an Transistoren immer dunkler wird, weil das Licht durch den ganzen Schichtaufbau hindurchtreten muss und nur dort leuchtet, wo sich kein Transistor befindet. Um die Effizienz des Panels zu steigern, arbeiten einige Hersteller an der Entwicklung von »topemittierenden« OLEDs. Hier nimmt das Licht den umgekehrten Weg, nicht durch das Substrat, sondern vom Substrat weg. Die volle Pixelfläche steht damit zur Abstrahlung zur Verfügung.

OLED-Vorteile

- Brillante Abbildung, basierend auf hohem Kontrast und guter Helligkeit-selbstleuchtendes Wirkprinzip

- Nahezu unbegrenzter Ablesewinkel; für die Funktion sind keine Polarisatoren erforderlich (lediglich zur Reduzierung der Reflexion von Umgebungslicht werden Polarisatoren verwendet)

- Kurze Ansprechzeiten, im ms-Bereich

- Sparsamer Energieverbrauch im Vergleich zu einem mit Backlight betriebenen LCD

- Substanzen lassen sehr weiten Temperaturbereich zu (vor allem im Minusbereich unkritisch, bei hohen Temperaturen müssen Substanzen mit einem hohen Glastemperaturpunkt TG ausgewählt werden)

- Vollfrab-Darstellung ohne Farbfilter

- Das Wirkprinzip ermöglicht extrem flache Bauweise (kein Backlight)

- Simple Konstkruktion lässt Kostenreduzierung erwarten

Für OLED statt LCD sprechen mehrere Gründe: Organische Displays lassen sich einfach produzieren - prinzipiell kann ein entsprechend ausgerüsteter Tintendrucker auf einer Folie die erforderlichen Elemente aufbringen. Um die einfache Herstellung zu demonstrieren, entwickelte Philips Research einen Tintendruckprozess mit vier Druckköpfen, die jeweils 256 Piezo-Druckdüsen enthalten. Jedes Subpixel (R, G oder B) wird aus mehreren Schichten aufgebaut. Das System kann Displays mit einer Diagonale bis zu 24 Zoll herstellen. Epson stellt sogar bereits die Technologie zur Verfügung, um Displays mit bis zu 40 Zoll Diagonale zu fertigen.

Der Prototyp mit dem selbstleuchtenden organischen Material könnte nach Ansicht des Konzerns im Jahr 2007 zum kommerziellen Start bereit sein. Epson hat seine Erfahrung in der Drucktechnik dazu genutzt, um eine der Hauptschwierigkeiten der OLED-Fertigung anzugehen: das Aufbringen einer organischen Schicht auf das TFT-Substrat.

Gegenüber dem klassischen LC-Display bieten OLEDs einige technische Vorteile: einen großen Betrachtungswinkel sowie eine sehr schnelle Reaktionszeit. Schwarzwerte und Kontrast sind gleichfalls gut. Zudem benötigen sie keine Hintergrundbeleuchtung, was die Fertigung von extrem dünnen Displays erlaubt. So bildet die OLED-Technologie auch die Grundlage für flexible Displays. Philips erwartet erste verkaufsfähige Geräte in etwa fünf Jahren, Epson möchte bereits im Jahr 2007 mit OLED-TVs an den Start gehen.

OLED-Produkte mit Desktop-Diagonalen

Samsung hat Anfang 2005 ein OLED-Display mit einer Diagonalen von 21 Zoll gezeigt. Laut Samsung sei dieses Display nicht aus einzelnen Displays zusammengesetzt, wie dies bei anderen OLEDs mit größeren Diagonalen üblich sei. Das OLED-Display von Samsung soll sich durch eine Helligkeit von 400 cd/m2 auszeichnen. Samsung gibt das Kontrastverhältnis mit 5000:1 an. Mit diesen Kennzahlen eignet es sich laut Hersteller für High-Definition-Videos.

Flexible Displays

Einen Schritt weiter geht Philips. Auf der Basis von organischen Polymeren möchte der Hersteller in ein paar Jahren Lesegeräte mit flexiblen Displays anbieten können. Philips stellt sich vor, dass elektronische Displays sich seitlich aus einem etwa handygroßen Halter herausziehen lassen.

Erste Muster zeigte Philips bereits in diesem Jahr. Der Hersteller glaubt an lauffähige Komplettgeräte im Jahr 2005. Zu welchen Preisen derlei Produkte verfügbar sein werden, lässt Philips noch offen. Flexible Displays bieten sich auch für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich an. Damit können Anzeigemodule an die Form des Armaturenbretts angepasst werden.

Fujitsu hat das laut eigenem Bekunden weltweit erste farbfähige biegsame elektronische Papier auf Basis eines Filmsubstrats entwickelt. Als Anwendungsgebiete für das elektronische Papier nennt Fujitsu beispielsweise den Einsatz als Werbemittel, Preisschild sowie als externes Display für mobile Endgeräte. Das dünne Anzeigemedium eigne sich auf Grund seiner geringen Leistungsaufnahme und der Flexibilität für entsprechende Einsatzgebiete.

Wie bei anderen ePaper-Lösungen bleibt das Bild erhalten, auch wenn keine Spannung mehr anliegt. Zur Änderung des Bildinhalts sei laut Fujitsu nur eine minimale Energie erforderlich. Das neue elektronische Papier besteht aus drei Display-Schichten in rot, grün und blau. Farbfilter oder Polarisierungsschichten werden nicht verwendet. Laut Fujitsu ändert sich die Darstellung beim Biegen des Displays nicht. Auch Druck auf das Display würde die Darstellung nicht beeinflussen.

Das genaue Funktionsprinzip der OLED basiert auf der Injektion von Ladungsträgern in ein organisch-chemisches Material ­ Elektronen aus der einen Elektrode und Löchern aus der anderen. Bild 1 zeigt den typischen Aufbau der Struktur. Bei der Rekombination entsteht Licht. Zwei Grundtypen von Materialien stehen in Konkurrenz zueinander: einerseits kleine Moleküle (‚≤≠all molecules", erfunden von Kodak), andererseits Polymere (Riesenmoleküle, erfunden an der Universität Cambridge). Beide haben jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile und werden sich aller Voraussicht nach noch längere Zeit nebeneinander halten. Beide Materialklassen verhalten sich wie Halbleiter mit einem Valenzband und einem Leitungsband, durch eine Energielücke getrennt. Oberhalb einer bestimmten Schwellspannung zwischen den außen angelegten Metallelektroden (ca. 2,5 bis 6 V) setzen Stromfluss und Lichterzeugung ein. Die Wellenlängenverteilung (breitbandig wie bei einer anorganischen LED) hängt von der Energielücke ab, diese wiederum von der molekularen Struktur des Materials. Durch Beimengungen anderer Stoffe lässt sie sich verändern, wodurch man verschiedene Farben erhält. Für Farbdisplays braucht man Subpixels in Rot, Grün und Blau mit jeweils dem richtigen Ort im Farbdreieck. Die aktiven Schichten sind nur einige 100 nm dünn, der Materialbedarf ist damit minimal.

Dank immer besserem Verständnis der physikalischen Vorgänge im Material konnte der elektrisch/optische Umwandlungs-Wirkungsgrad im Laufe der Entwicklungszeit um Größenordnungen gesteigert werden. Die Rekordmarke liegt inzwischen bei fast 90 Lumen/Watt (TU Dresden, IAPP). Eine hohe Effizienz ist deshalb so wichtig, weil man diese Displays in batteriebetriebenen Geräten einsetzen will. Das Substrat muss nicht unbedingt Glas sein, es eignen sich auch bestimmte Kunststoffe, womit das Display biegsam werden kann. Die aktive Schicht macht das problemlos mit. Damit wird auch ein Einsatz in Chipkarten denkbar.

Was sind Aktiv-Matrix Displays?

Aktiv-Matrix-Displays bestehen im allgemeinen aus einer Matrix von Bildpunkten, basierend auf TN-LCD Technologie. Jeder einzelne Bildpunkt besitzt einen aktiven Verstärker (beispielsweise einen Dünnschichttransistor, englisch Thin Film Transistor TFT) und Stromversorgungsanschlüsse. Der jedem Bildpunkt zugeordnete Verstärker hat zwei wichtige Funktionen.

1. Die Steuerspannung eines Bildpunktes sinkt mit Zunahme der verwendeten Zeilen und Spalten einer Pixelmatrix. Daher sind passive Matrizen in der Größe begrenzt. Ein Verstärker jedoch kann diese Spannung auf den zum Schalten der LC Zelle benötigten Wert erhöhen.

2. Die Erhöhung der Spalten- und Zeilenzahlen und die Verringerung der Bildpunktgrößen erhöhen stetig die parasitären Kapazitäten eines Bildpunktes. Um die oft nötige hohe Bildwechselfrequenz zu erreichen, darf die Kapazität keine Verringerung der Umschaltgeschwindigkeit bedeuten. Ein lokaler Verstärker mit separater Stromversorgungsleitung kann mit kurzen, starken Stromimpulsen die schnelle Umschaltung garantieren.

Beide Effekte (beliebig geringe Steuerspannung und Ausgleich parasitärer Kapazitäten) führen dazu, dass Aktiv-Matrix-Displays dem steten Wunsch nach kleineren Pixeln (PDAs oder Farbtelefone) oder höheren Pixelzahlen (Notebook, Kamera-Display, LCD-Fernseher) als einzige LCD-Form gerecht werden können.

Durch die Verwendung von TN-Zellen wird auch die Weitwinkligkeit der Anzeige gegenüber Passiv-Matrix-Displays verbessert.

Wichtigster Vertreter von Aktiv-Matrix-Displays sind TFT-Displays. Dabei wird der Transistor auf das Glassubstrat direkt aufgedampft.

Zukünftige OLED-Displays werden auch als Aktiv-Matrix-Displays realisiert. Solange keine Hochfrequenztransistoren in Plastikform möglich sind, wird ein OLED dieselbe Verstärkerstruktur auf Glas oder Siliziumbasis erfordern wie ein herkömmliches LCD.

Quelle: www.oled.at und www.oled-display.at

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