Organische Leuchtdioden

Hinterleuchtungstechnik in Bedien- und Anzeigeelementen mit OLEDs

27.10.2008 | Autor / Redakteur: Andreas Hudak, Jan Bauer, Karlheinz Blankenbach* / Andreas Mühlbauer

Neue Beleuchtungslösungen sind ein viel diskutiertes Thema. Neben LED-Be- und Hinterleuchtungen haben auch OLEDs das Potenzial, künftig in der Lichttechnik eine wichtige Rolle zu spielen. Ein großer Vorteil der OLEDs ist deren Homogenität als Flächenstrahler. Daher eignen sie sich ausgezeichnet als Hinteleuchtungen für Bedien- und Visualierungs-Panels.

Auf dem alljährlich stattfindenden weltgrößten Display-Event, dem Symposium „Display Week“ mit Konferenz und Ausstellung der „Society for Information Display“, standen im Mai 2008 alle Signale auf einer erfolgreichen Einführung von hochauflösenden Aktiv-Matrix-Displays auf Basis organischer Leuchtdioden (OLED) in Massenanwendungen. Die mittlerweile erreichten Lebensdauern und die Bildqualität erlauben den Einsatz in einer Vielzahl von Produkten – großformatige und flexible sowie ein faltbares OLED-Display standen dabei im Mittelpunkt des Interesses.

Neben Displayanwendungen werden OLEDs auch einen neuen Trend bei Beleuchtungen auslösen. Hier ist man zwar noch nicht ganz soweit wie bei den Displays, auf Grund immenser Anstrengungen in Forschung und Entwicklung – auch im Rahmen von EU- und nationalen Projekten – dürften kommerzielle Produkte aber nicht mehr lange auf sich warten lassen. Spannend vor dem Hintergrund der CO2-Thematik und Energieeffizienz wird sicherlich der „Dreikampf“ Energiesparleuchte, Halbleiter-LED-Lampe und Leuchtmittel auf organischer Basis.

Neben diesen beiden Anwendungen gibt es jedoch noch eine weitere Applikation, bei der OLEDs Vorteile aufweisen – die Hinterleuchtung von Tasten, Schaltern und Symbolen. Ein evidentes Beispiel bilden hier die Heckscheiben-Heizungsschalter in Autos, deren Symbol nach Aktivieren aufleuchtet. Die Anforderungen an das optische Erscheinungsbild lauten ‚gleichmäßige Helligkeit und lichtstark’. Traditionell werden zur Symbolhinterleuchtung Punktlichtquellen eingesetzt: LEDs konnten die zuvor eingesetzten Glühlampen durch ihre Eigenschaften wie geringere Baugröße, längere Lebensdauer und vergleichsweise verschwindende Wärmeentwicklung, in fast allen Einsatzbereichen substituieren.

Die Hinterleuchtung mit LEDs bringt jedoch einige Probleme und optische Nachteile mit sich. Diese sind in der Lichtauskopplung begründet. Eine LED ist durch ihren technologischen Aufbau ein Punktlichtstrahler und kann daher Licht nur in einem begrenzten Austrittswinkel emittieren. In der Hinterleuchtungstechnik muss jedoch eine Fläche möglichst homogen durchstrahlt werden. Somit wird es erforderlich, das punktförmige Licht der LED mit Diffusoren oder Light Guides gleichmäßig zu verteilen. Dies bedingt jedoch neben einer größeren Einbautiefe auch einen erhöhten Stromverbrauch wegen der optischen Dämpfungsverluste. Ferner erfordert das optische Design einen relativ hohen Aufwand, der Aufbau mit mehreren Teilen erhöht auch die Produktions- und Montagekosten.

OLED als optimaler Flächenstrahler

Flächenstrahler bieten hier prinzipiell Vorteile, jedoch hat sich die Elektrolumineszenztechnik (EL-Folie) bisher nicht aus einem Nischendasein befreien können. Ihre Vorteile liegen in der vergleichsweise einfachen Herstellung und der fast beliebigen Form sowie der Biegsamkeit als Folienmaterial. Neben der relativ geringen Lebensdauer und Leuchtdichte sind auch die notwendigen Wechselspannungen (Frequenz im Audiobereich) von 100 V und mehr ein Hindernis für viele Anwendungen.

Eine sinnvolle Alternative für Hinterleuchtung eröffnet somit die OLED-Technologie, sie hat sogar das Potenzial zum Optimum. Dieser Artikel beschreibt die Anforderungen und ersten Ergebnisse des Einsatzes von OLEDs als Hinterleuchtungsquelle für Bedien- und Visualierungs-Panels im Flugzeugcockpit.

Im Rahmen des Luftfahrt-Forschungsprogrammes IV (LUFO IV) des Bundeswirtschaftsministeriums (Projektträger DLR) werden unter Federführung von Airbus in einer Kooperation der Firmen Comtronic, Schönau (Systementwicklung), Opsira, Ravensburg (Optik) und dem Displaylabor der Hochschule Pforzheim (OLED-Ansteuerung und Lebensdauer-Tests) Avionik-Bedienpanels mit OLED-Hinterleuchtung entwickelt und auf ihre Einsatztauglichkeit getestet.

Bild 1: Prototyp eines Flugzeug-Bedienpanels mit OLED-Hinterleuchtung aus dem Forschungsprojekt KABTEC/AEROLED (LUFO IV)
Bild 1: Prototyp eines Flugzeug-Bedienpanels mit OLED-Hinterleuchtung aus dem Forschungsprojekt KABTEC/AEROLED (LUFO IV)

In Bild 1 ist ein solcher Bedienpanel-Demonstrator dargestellt. Die Hinterleuchtung der fünf Symbole ist mit Flächen-OLEDs der Größe 10 mm × 10 mm realisiert, die Fläche rechts unten hat keine Folie und ermöglicht somit die direkte optische Messung der OLED. Deutlich erkennbar ist dort die höchst homogene Lichtabstrahlung.

In Summe lassen sich durch den Einsatz von OLEDs bis zu 90% der ursprünglichen Einbautiefe im Vergleich zur Verwendung von LEDs und Diffusoren einsparen. Die neben den Leuchtsymbolen angebrachten Schalter erlauben die selektive Aktivierung, die Drehschalter auf der rechten Seite dienen der Einstellung der verschiedenen Betriebsmodi wie Tag- und Nachtbetrieb. Darüber hinaus lassen sich die OLEDs in ihren Ansteuerparametern mittels USB-Schnittstelle per PC modifizieren.

Vorteile der OLEDs in Hinterleuchtungs-Anwendungen

OLEDs vereinigen die Vorteile einer äußerst homogenen und gleichzeitig extrem dünnen Leuchtfläche bei gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch in einem Produkt. Somit entfallen hier Diffusoren und Light Guides, was die Leistungsaufnahme, das Gewicht und die Komplexität des Aufbaus deutlich reduziert. In Summe ergeben sich also Vorteile beim Einsatz von OLEDs in der Luftfahrt. Avionik-Anwendungen sind auch insofern ideal für den Ersteinsatz, da diese nicht so stark preissensitiv ist wie beispielsweise die Kraftfahrzeugindustrie.

Bei Hinterleuchtungen mit LEDs wird durch eine typischerweise schwarze Maske vor den LEDs das darzustellende Symbol quasi aus der Lichtfläche „ausgeschnitten“ was sich nachteilig auf die Effizienz auswirkt. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der OLEDs: Durch das Strukturieren der Elektroden in Form des Symbols geht kein Licht verloren und es kann auf den Diffusor verzichtet werden. Damit wird die Transmission erhöht und zugleich der Stromverbrauch weiter gesenkt.

Bild 2: Abstrahl-Charakteristik einer OLED (links) und einer ‚klaren’ Halbleiter-LED (rechts)
Bild 2: Abstrahl-Charakteristik einer OLED (links) und einer ‚klaren’ Halbleiter-LED (rechts)

In diesem Fall müssen jedoch die OLEDs gleichmäßig in alle Richtungen emittieren, damit das Symbol aus allen Richtungen sicher erkennbar ist. Bild 2 zeigt einen Vergleich der Lichtausbreitung zwischen einer flächigen OLED und einer herkömmlichen Halbleiter-LED. Die Ablesbarkeit von der Seite ist insbesondere bei größeren Bedienpanels eine zwingende Anforderung und lässt sich mit der LED Technik nur durch den Einsatz relativ stark dämpfender Streumaterialien realisieren.

Anpassung an die Umgebungssituation

Bedien- und Visualierungs-Panels im Flugzeug-Cockpit müssen bei direktem Sonnenlicht ablesbar sein und dürfen in der Nacht die Piloten nicht blenden. Die Dimmung könnte in einem weiten Bereich mittels einer programmierbaren Konstantstromquelle durchgeführt werden. Da der Farbort bei LEDs jedoch typischerweise stromabhängig ist, erfolgt die Dimmung in der Praxis durch ein PWM-Signal, damit die Farbe konstant bleibt. Organische Leuchtdioden verhalten sich hier ähnlich wie ihre Halbleiter-Pendants.

Bild 3: Spektrale Emission einer weißen OLED bei unterschiedlichen Ansteuerströmen
Bild 3: Spektrale Emission einer weißen OLED bei unterschiedlichen Ansteuerströmen

Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei weißen OLEDs bei Dimmung per Konstantstrom eine größere Farbverschiebung auftritt (Bild 3). Die Erklärung hierfür ist die Zusammensetzung von Weiß aus verschiedenen OLED-Materialien mit unterschiedlichen spektralen Emissions- und elektrooptischen Eigenschaften auf einem Substrat: Das für den roten Spektralanteil verantwortliche Material spricht im Vergleichen zur blauen Schicht schon bei einem geringeren Strom (hier am Beispiel 1 mA) an. Die Ansteuerung einer OLED führt daher bei kleinen Strömen zu einem rötlichen Farbton.

Bild 4: Farbverschiebung des emittierten Lichts einer OLED bei Dimmung mittels DC-Strom (rote Kurve). Im Gegensatz dazu bleibt bei der PWM-Dimmung (blaues Rechteck) der Farbort praktisch konstant. Der ‚gelbliche’ Eindruck bei den Farbkoordinaten rührt von der Wiedergabe auf einem Display bzw. Drucker her. Im optischen Erscheinungsbild sind diese OLEDs eher weiß (vgl. Bild 1, OLED unten rechts).
Bild 4: Farbverschiebung des emittierten Lichts einer OLED bei Dimmung mittels DC-Strom (rote Kurve). Im Gegensatz dazu bleibt bei der PWM-Dimmung (blaues Rechteck) der Farbort praktisch konstant. Der ‚gelbliche’ Eindruck bei den Farbkoordinaten rührt von der Wiedergabe auf einem Display bzw. Drucker her. Im optischen Erscheinungsbild sind diese OLEDs eher weiß (vgl. Bild 1, OLED unten rechts).

Diese Farbverschiebung ist insbesondere bei weißen OLEDs visuell wahrnehmbar, was in der Bild 4 messtechnisch in einem CIE-1976-UCS-Diagramm dargestellt ist. Daher wird für die Dimmung von weißen OLEDs (also nicht einer additiven Farbmischung von roten, grünen und blauen OLEDs) die Pulsweitenmodulation (PWM) empfohlen. Bei dieser Ansteuerungsart tritt praktisch keine visuell wahrnehmbare und eine nur marginal messbare Farbverschiebung auf.

Lebensdauer von OLEDs

Ein wichtiger und oft diskutierter Punkt ist die Lebensdauer von OLEDs. Die Definition gibt an, nach welcher Betriebsdauer die Leuchtdichte auf 50% des Anfangswertes gesunken ist. Laut Herstellerangaben erreichen OLEDs inzwischen 100.000 h und mehr, wobei sich dieser Wert auf 25 °C Umgebungstemperatur und relativ geringe Leuchtdichte bezieht. Bei Displays mit meist statischem Bildinhalt ist die erzielbare Betriebsdauer, bis wahrnehmbare Leuchtdichteunterschiede zwischen den Pixeln entstehen, deutlich geringer.

Bild 5: Typische Abnahme der Leuchtdichte einer OLED über die Nutzungsdauer mit den typischen Phasen 1 – 5 (siehe Text)
Bild 5: Typische Abnahme der Leuchtdichte einer OLED über die Nutzungsdauer mit den typischen Phasen 1 – 5 (siehe Text)

Die Leuchtdichteabnahme einer OLED über die Nutzungsdauer weist keinen linearen Zusammenhang auf (Bild 5). Sie lässt sich jedoch in mehrere typische Bereiche einteilen. Zu Beginn (1) kommt es typischerweise zu einem relativ starken Abfall welcher auch als „Initial-Drop“ bezeichnet wird. Anschließend nimmt die Leuchtdichte pro Zeiteinheit deutlich geringer ab (2). Diese Abhängigkeit entspricht weitgehend einem Exponentialverhalten, die Parameter α und β werden experimentell angefittet.

Im Laufe der Zeit kommt es zu einer immer stärkeren Abweichung (3) von der e-Funktion bis hin zu einer starken Abnahme der Leuchtdichte pro Zeiteinheit (4), dem „Breakdown“. Je nach OLED-Material und Betriebsbedingung treten die Phasen 3 und 4 zwischen 50 und über 200% der Lebensdauer (in Bild 5 auf 1 normiert) gemäß deren Definition auf. Anschließend verlangsamt sich die Abnahme wieder, wobei die OLED mit etwa 5% der Anfangsleuchtdichte quasi nur noch glimmt (5).

Bild 6: Beeinflussung der Lebensdauer durch Temperatur und unterschiedliche Ansteuerverfahren bei gleicher Anfangsleuchtdichte
Bild 6: Beeinflussung der Lebensdauer durch Temperatur und unterschiedliche Ansteuerverfahren bei gleicher Anfangsleuchtdichte

Weitere Parameter für die Lebensdauer sind die Betriebsbedingungen und hier insbesondere die Temperatur. Wie bei praktisch allen elektronischen Bauelementen verkürzt eine hohe Temperatur auch bei OLEDs die nutzbare Lebensdauer. Dieser Zusammenhang wurde auch vom Displaylabor der Hochschule Pforzheim verifiziert, ein typisches Ergebnis ist in Bild 6 dargestellt. Somit geht die Betriebstemperatur unmittelbar in die nutzbare Lebensdauer ein.

Des Weiteren kann die Lebensdauer durch das Ansteuersignal quasi verlängert oder verkürzt werden. Hierbei hat sich gezeigt, dass eine Ansteuerung mit einem sich schnell ändernden elektrischen Feld (z.B. Rechteckspannung, PWM) zu einer Verringerung der Lebensdauer führt – solche Signale sind aber bei der farbkonstanten Dimmung von OLEDs erforderlich. Dies kann bei ständiger 25%iger PWM-Dimmung die Lebensdauer um hier gemessene 30% im Vergleich zur Gleichspannungs-Ansteuerung verringern.

Durch Messung der Ansteuerparameter Strom und Spannung sowie Betriebsdauer und Temperatur kann bei bekanntem Alterungsverhalten ein Lebensdauermodell in einem Mikrocontroller zur Kompensation der Leuchtdichte-Abnahme hinterlegt werden. Somit wird eine relativ konstante Leuchtdichte während der gesamten Nutzungsdauer gewährleistet. Diese ist jedoch durch die stärkere Beanspruchung der OLEDs kürzer als im nicht geregelten Betrieb.

Mit höherem Aufwand lässt die Leuchtdichte auch mittels optischer Messung in situ überwachen. Dies ist jedoch bei sicherheitskritischen Avionik-Anwendungen sinnvoll, das Optimierungsprinzip lautet, mit möglichst wenigen Sensoren das gesamte Bedienpanel zu erfassen. Dies wird durch die im Projekt entwickelten optischen Elemente ermöglicht.

Absehbarkeit der nutzbaren Einsatzdauer

Neben Displays und Beleuchtung haben OLEDs ein großes Potential als Lichtquelle zur Hinterleuchtung von Bedien- und Visualisierungs-Panels. Mit relativ geringem Aufwand lässt sich die Alterung in Form der Leuchtdichte-Abnahme kompensieren. Unsere ersten Ergebnisse hierzu sind sehr viel versprechend. Durch das in dem beschriebenen Avionik-Projekt zukünftig implementierte Lebensdauer-Modell lässt sich rechtzeitig das Ende der nutzbaren Einsatzdauer erkennen, die optische Überwachung sichert die Einsatzbereitschaft der Flugzeug-Bedien- und Visualisierungspanels ab. Unsere Ergebnisse und Methoden sind auch auf andere Anwendungen von OLEDs übertragbar.

*B. Eng. Andreas Hudak, Dipl.-Ing. Jan Bauer und Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach forschen am Displaylabor der Hochschule Pforzheim.

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