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Treiberlösungen für OLED OLED-Module mit einem monolithischen ASIC betreiben

Autor / Redakteur: Gerrit Kropp und Michael Meister * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für einen monolithischen Treiber-ASIC für OLED-Module mussten im Vorfeld optische und elektrische Eigenschaften sowie die Lebensdauer einer OLED charakterisiert werden.

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OLED-Treiber: Am IMMS in Ilmenau wurde ein spezieller monolithischer ASIC entwickelt, der über Steuer- und Regelmöglichkeiten verfügt.
OLED-Treiber: Am IMMS in Ilmenau wurde ein spezieller monolithischer ASIC entwickelt, der über Steuer- und Regelmöglichkeiten verfügt.
(IMMS)

Organische LEDs haben bereits bei den Smartphone-Displays Einzug in den Alltag gehalten. Nun gewinnen sie auch in der Beleuchtungstechnik zunehmend an Bedeutung. Die Vorteile gegenüber der LED liegen auf der Hand: OLEDs sind in Großserie herstellbar, im Idealfall Rolle-zu-Rolle. Das bedeutet, das Trägermaterial kommt von der Rolle, wird in der Fertigungsstraße beschichtet, verkappt und am Ende wieder aufgerollt. Die Aufteilung in Einzelelemente erfolgt erst bei der Weiterverarbeitung [4]. Zudem benötigen OLEDs aufgrund ihrer Eigenschaft als Flächenstrahler keine zusätzlichen optischen Elemente zur Lichtverteilung.

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Um die Vorteile richtig nutzen zu können, ist ein energie- und ressourceneffizienter Aufbau und Betrieb von OLED-Modulen erforderlich, was neue elektronische Ansteuerungskonzepte erfordert. Herkömmliche LED-Treiberlösungen sind oft nur eingeschränkt anwendbar. Sie können zu deutlichen Effizienzeinbußen oder sogar zur Schädigung der OLED führen. Der Grund dafür ist, dass die Spezifika der OLEDs nicht berücksichtigt werden und entsprechende Regelmöglichkeiten nur unzureichend implementiert sind oder gänzlich fehlen. Dadurch wird beispielsweise die Lebensdauer des Leuchtmittels verringert.

Die Adaption von LED-Treiber-Lösungen zur OLED-Ansteuerung bringt zudem einen stark erhöhten Bauteileaufwand mit sich. Auf diese Weise entstehen zusätzliche Fehlerquellen, die Ausbeute und Lebensdauer verringern. Hinzu kommen ein deutlich höherer Designaufwand beim PCB-Design und höhere Herstellungskosten.

Monolithisch integrierter OLED-Treiber

Am Anfang der Entwicklung eines monolithisch integrierten OLED-Treibers stellen sich zunächst Fragen, wie sich eine hohe Effizienz und Lebensdauer des Systems erreichen lässt? Welche Steuermöglichkeiten und Schnittstellen sind erforderlich? Welche Daten der OLED sind ständig zu erfassen? Außerdem steht das Thema OLED als Raumbeleuchtungsmittel noch am Anfang seiner Entwicklung und Informationsquellen sind noch rar. Demzufolge waren Langzeituntersuchungen notwendig und es mussten unterschiedliche Konzepte entwickelt und gegeneinander abgewogen werden.

Im Forschungsprojekt EROLEDT (Energie- und Ressourceneffizienter OLED-Treiber) sollen diese Fragen geklärt und ein OLED-Treiber als monolithisch integrierter Halbleiterschaltkreis entwickelt werden. Zu Beginn des Projektes wurden OLEDs im Hinblick auf optische und elektrische Eigenschaften sowie Lebensdauer charakterisiert. Mit Hilfe der Ergebnisse ließen sich Systemkonzepte erarbeiten, die bei der Entwicklung eines integrierten OLED-Treibers helfen. Dabei sollen die Nachteile der bestehenden Lösungen vermieden werden, indem besonderes Augenmerk auf die Eigenschaften der OLED gelegt werden. Konkret betrifft das die Alterung und das Ausfallverhalten. Zudem wird eine Lösung angestrebt, bei der die Anzahl der zusätzlich zum OLED-Treiber benötigten Bauelemente minimiert wird.

Hauptziel des Projektes ist es, einen Treiberbaustein als monolithisch integrierter Halbleiterschaltkreis zu entwickeln, der entsprechende Steuer- und Regelmöglichkeiten bereitstellt und die Erprobung neuer Ansteuerkonzepte erlaubt. Um die optischen Eigenschaften zu bewerten, werden die Helligkeit, die Helligkeitsverteilung und das Spektrum erfasst.

Eines der Entwicklungsziele ist die Kompensation der OLED-Alterung durch Regelung von Farbe und Helligkeit. Dazu müssen die entsprechenden Größen mit Hilfe von Sensoren erfasst werden. Voraussetzung für eine gute Detektion der Kenngrößen ist eine geeignete Position des Farb- bzw. Helligkeitssensors. Betrachtet man ein OLED-Panel im Hinblick auf die Leuchtdichteverteilung und Lichtauskopplung, so fällt sofort auf, dass die Leuchtdichteverteilung der OLED sehr stark mit der Wärmeverteilung korreliert.

Wärmeverteilung über dem OLED-Panel

Daher muss zunächst eine sehr gute Wärmeverteilung über dem OLED-Panel erreicht werden. Untersuchungen ergaben, dass sich das am besten mit einer Wärmeleitfolie auf der Rückseite des Moduls erreichen lässt, welche die Wärme vorzugsweise in der Ebene leitet. Hierdurch wird eine gleichmäßige Erwärmung des OLED-Panels und damit eine sehr homogene Leuchtdichteverteilung erreicht. Helligkeitsunterschiede über dem Panel sind bei dieser Methode mit bloßem Auge nicht mehr erkennbar. Folglich reicht es aus, lediglich einen Punkt der OLED zu betrachten, um eine ausreichend genaue Aussage über den Zustand des gesamten Panels treffen zu können. Dies führt letztendlich zu einer deutlichen Vereinfachung bei der Realisierung und Anbringung der Sensorik.

Außerdem sind Möglichkeiten vorzusehen, um die gewonnenen Daten sinnvoll für eine Regelung von Helligkeit und Spektrum zu verwenden. Daher müssen die elektrischen Eigenschaften sowie das Alterungsverhalten der OLED bekannt sein. Mehrschichtige OLEDs besitzen, verglichen mit herkömmlichen LEDs, eine relativ hohe Flussspannung. Diese liegt in der Regel zwischen 3 V [1] und 17 V [2] und hängt vom Aufbau der OLED ab. Die Stromstärken liegen dabei, abhängig von der Größe des Panels, zwischen 1 mA [1] und 500 mA [2].

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