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OLED-Displays Mittlerweile industrietauglich

| Autor / Redakteur: Hartmut Helbig* / Andreas Mühlbauer

Trotz ihrer unbestrittenen Vorteile kommen OLED-Displays bisher in industriellen Anwendungen, die eine lange Betriebslebensdauer erfordern, praktisch nicht zum Einsatz. Doch bereits in naher Zukunft wird die Lebensdauer kein Argument mehr sein, und OLEDs werden sich auch in der Industrie ihren Platz erobern.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Displays auf der Basis organischer Lichtemissionsdioden (OLED) sind bekannt für ihre hervorragenden optischen Eigenschaften wie brillante Bildqualität, großer Ablesewinkel und schnelle Schaltzeiten. Außerdem sind sie mit 1,05 bis 1,65 mm sehr flach. Der Preis liegt mittlerweile ebenfalls in den Regionen von LCD- und TFT-Displays. Im Consumerbereich finden sie bereits breite Anwendung.

Allerdings haftet den OLEDs immer noch der Ruf an, dass sie auf Grund ihrer geringen Lebensdauer für den Einsatz in industriellen Applikationen nicht geeignet seien. Doch die aktuellen Entwicklungen widerlegen dieses Vorurteil.

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Was zerstört die OLED-Displays?

Es gibt im Wesentlichen zwei Mechanismen, die zur Zerstörung von OLEDs führen: Den Verschleiß im Betrieb und die Alterung ohne Betrieb. Anders als bei anorganischen Halbleitern, handelt es sich bei OLED-Strukturen nicht um Einkristalle, sondern um relativ ungeordnete Anhäufungen organischer Moleküle. Die Ladungsträger bewegen sich entlang der Doppelbindungen von Molekül zu Molekül und müssen dabei immer wieder kleine Energiebarrieren überwinden. Diese Inhomogenitäten führen zu unterschiedlichen thermischen Belastungen innerhalb der organischen Struktur bei fließendem Strom. Dadurch können sich die Moleküle deformieren, was den Stromfluss an einigen Stellen unterbricht. Als Folge wird das Display mit zunehmender Betriebsdauer dunkler.

Auch wenn kein Strom fließt, altern OLEDs. Denn die organischen Substanzen sind empfindlich gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit. Eindringende Umgebungsluft zerstört also die Struktur schleichend. Im Ergebnis verringert sich die aktiv leuchtende Fläche, die Pixel werden kleiner.

Diese Mechanismen sind inzwischen gut erforscht und lassen sich bereits bei der Herstellung unterdrücken. Einerseits werden die organischen Substanzen unter anderem durch einen höheren Reinheitsgrad immer stabiler, andererseits wird die Hermetisierung der Module stetig verbessert.

Temperatur und Betriebsdauer als Schlüsselfaktoren

Der OLED-Display-Hersteller RiTdisplay spezifiziert mittlerweile folgende Werte der Betriebszuverlässigkeit für Displays in unterschiedlichen Farben, basierend auf unterschiedlichen Substanzen (small molecule): Für Gelb 65.000 h, für Weiß 25.000 h und jeweils 12.000 h für Blau und RGB.

Die Lebensdauer eines OLED-Moduls hängt von mehreren Faktoren ab: Zum einen von der Umgebungstemperatur und der Helligkeit des Displays, zum anderen von der Anzahl der gleichzeitig eingeschalteten Pixel und der Multiplexrate (MUX). Je höher diese ist, desto höhere Spitzenströme fließen.

Für die Lichtausbeute wiederum ist ebenfalls die Umgebungstemperatur von großer Bedeutung. Und mit zunehmender Betriebsdauer kann es zu Farbverschiebungen kommen. Die zeitliche Veränderung der Displayhelligkeit bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und unterschiedlicher Anzahl eingeschalteter Pixel zeigt Bild 1. In Tabelle 1 sind die entsprechenden Erwartungswerte für die Lebensdauer dargestellt.

Bild 1 zeigt, dass die anfängliche Lichtausbeute von der jeweiligen Umgebungstemperatur unabhängig ist. Der Controller auf dem Modul gewährleistet, den Betrieb der OLEDs mit konstantem Strom. Bei monochromen weißen Displays ist keine Verschiebung des Weißpunkts mit der Betriebsdauer zu verzeichnen. Hingegen gibt es bei RGB-Displays leichte Unterschiede: Blau altert etwas schneller als Grün und Rot. Dadurch verschiebt sich der Weißpunkt ins Rötliche, was sich jedoch innerhalb der spezifizierten Betriebslebensdauer nicht störend auswirkt.

Welche Entwicklungen in naher Zukunft zu erwarten sind, zeigen die Bilder 2 und 3. Bei weißen LEDs werden sich Betriebslebensdauer und Lichtausbeute bei gleicher Leuchtstärke innerhalb von zwei Jahren voraussichtlich verdoppeln. Für die Vollfarbmodule ist innerhalb von 18 Monaten eine Verlängerung der Betriebslebensdauer um 50% geplant.

OLED contra Hintergrundbeleuchtung

Mittlerweile sind OLED-Displays für bis zu 65.000 Betriebsstunden verfügbar, was für die meisten Applikationen, auch in der Industrie, ausreicht. Weder CCFL-Backlights noch weiße LEDs können eine solche Lebensdauer vorweisen. Weiterhin haben CCFL-Hinterleuchtungen bekanntermaßen Startschwierigkeiten bei niedrigen Temperaturen und merklichen Lichtabfall bei Temperaturen über 50°C. Hinzu kommen hier die Probleme mit Quecksilbergehalt, Hochspannung und EMV. Weiße LEDs müssen bei steigenden Temperaturen mit niedrigeren Strömen betrieben werden, um sie vor Beschädigungen zu schützen. Dadurch sinkt ihre Lichtausbeute ebenfalls.

OLED-Displays sind mit ihrem weiten Temperaturbereich von –40 bis 85 °C für industrielle Anwendungen prädestiniert. Die kleinen Abmessungen ermöglichen ungewöhnliche Lösungen, wo bisher der Einsatz eines Displays schwierig war. Auf Grund der guten Ablesbarkeit der OLEDs aus allen Blickrichtungen auch unter schlechten Lichtverhältnissen erschließen sich neue Anwendungsgebiete wie beispielsweise Multifunktionstasten, weiter entwickelte Sensoren oder Schlüssel mit Memoryfunktion.

Die gegenwärtig verfügbaren Displays – beispielsweise in den Größen 2,4˝ (128 × 64 Pixel) und 3,2˝ (256 × 64 Pixel) kommen bereits in Messgeräten und anderen Instrumenten zum Einsatz. Ihre Leistungsaufnahme ist nicht höher als bei vergleichbaren LCDs mit Backlight und TFTs.

Lebensverlängernde Maßnahmen

Teilweise kann der Anwender die Lebensdauer eines OLED-Displays selbst beeinflussen. Beim Einschalten ist unbedingt zu gewährleisten, dass zuerst die PWM-Steuerung initialisiert und dann die Betriebsspannung an das OLED-Panel angelegt wird. Ansonsten können unter Umständen kurzzeitig unkontrollierte Ströme durch die organischen Substanzen fließen und diese schädigen. Analog muss beim Abschalten erst der Stromfluss unterbrochen werden, bevor das Modul heruntergefahren werden kann (Bild 4).

Durch Dimmen, Sleep Modus und sparsamen Pixeleinsatz verlängert sich die Betriebslebensdauer deutlich. Entscheidend dabei ist, die Helligkeitsregelung über die Software (Kontrasteinstellung) vorzunehmen. Wird dies durch Änderung der OLED-Spannung realisiert, besteht wiederum die Gefahr unkontrollierter Ströme.

Da die Pixel bereits nach wenigen tausend Betriebsstunden einige Prozent an Helligkeit verlieren, sollte man ständig eingeschaltete Pixel wie Logos und Symbole vermeiden. Diese Abbildungen würden vor dem Hintergrund der anderen Pixel als Schatten sichtbar werden. Deshalb sollten für solche Darstellungen Animationen eingesetzt oder unvermeidbare statische Elemente im Zeitverhältnis 50:50 invertiert werden.

*Hartmut Helbig ist Produktmanager OLEDs bei Beck Elektronik

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