Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/display-technik-so-funktionieren-micro-leds-1903-139719.html    Veröffentlicht: 11.03.2019 12:02    Kurz-URL: https://glm.io/139719

Display-Technik

So funktionieren Micro-LEDs

Nach Flüssigkristallanzeigen (LCD) mit Hintergrundbeleuchtung und OLED-Bildschirmen sind Micro-LEDs der nächste Schritt: Apple arbeitet daran für Smartwatches und Samsung hat bereits einen Fernseher vorgestellt. Die Technik hat viele Vorteile, ist aber aufwendig in der Fertigung.

Seit der Entwicklung der ersten einfachen Bildschirme wird die Technologie zur Darstellung von bewegten Bildern stets weiterentwickelt - bisheriger Höhepunkt war die Einführung organischer LEDs in die massentaugliche Produktion. Nun steht die OLED kurz davor, von der nächsten Display-Generation abgelöst zu werden: Micro-LEDs. Die Grundlagen sind zwar schon lange vorhanden, die Überführung in eine kostengünstige Fertigung hat aber gedauert.

Bereits Ende 2017 wollte Apple eine Smartwatch mit Micro-LED-Display vorstellen, musste aufgrund fehlender Zulieferer aber erstmals auf die Entwicklung eigener Displays in einem Werk für Prototypen nahe dem Firmensitz in Cupertino setzen. Auch Samsung ist auf dem Weg zur Marktreife eigener Micro-LED-Bildschirme und konnte bereits auf der Elektronikmesse CES 2018 mit einem riesigen, The Wall genannten Display ein funktionsfähiges Konzept vorweisen. Dieses wurde dann zu einem 75 Zoll großen Fernseher weiterentwickelt, der sich auch für Heimanwendungen eignen soll und in diesem Jahr auf der Messe gezeigt wurde.

Preise und ein mögliches Datum für den Verkaufsstart wurden allerdings noch nicht genannt. Bekannt ist, dass Samsung auf ein modulares Konzept setzt, durch das sich mehrere Module mit Micro-LEDs zu beliebigen Displayformaten und Bildschirmgrößen zusammensetzen lassen. Der Einfachheit halber sollen aber Geräte mit vorkonfigurierten Größen in den Handel gelangen, die theoretisch beliebig erweitert werden können.

LC-Bildschirme sind die Ausgangsbasis

Im Bereich der günstigen Smartphones, Fernseher, Monitore und Laptops wird bisher eine Flüssigkristallanzeige (LCD) verwendet, bei der die gewünschten Farben für ein darzustellendes Bild durch die Ausrichtung der Kristalle mit elektrischer Spannung und Polarisationsfiltern erzeugt werden. In aktuellen LC-Displays steuert zudem meist eine Aktivmatrix sogenannte Dünnschichttransistoren (TFT) an, die für die Ansteuerung vieler Bildpunkte auf großen Bildschirmen besser geeignet sind als die ursprüngliche Technik mit integrierten Schaltkreisen.

Um auch im Dunkeln Bildinhalte von einem solchen Display ablesen zu können, ist außerdem eine Hintergrundbeleuchtung notwendig, die je nach Durchlässigkeit der Subpixel als gewünschte Farbe auf dem Bildschirm sichtbar wird. Von der Seite betrachtet verzerrt sich das Bild allerdings stark, da die Polarisationsfilter der früher häufig verwendeten Twisted-Nematic-Fertigung (TN) aus einem schrägen Winkel andere Wellenlängen durchlassen als bei geradem Blick auf das Display.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken, setzen Hersteller abseits absoluter Billigprodukte mittlerweile flächendeckend auf LC-Bildschirme mit In-Plane-Switching-Verfahren (IPS). Hier ist der Polarisationsfilter deutlich dünner, wodurch sich die Blickwinkelstabilität enorm verbessert. Im Gegenzug muss die Hintergrundbeleuchtung heller sein, wenn dieselbe Leuchtkraft wie bei TN-Panels erreicht werden soll. Außerdem liegen die Reaktionszeiten meist etwas niedriger.

OLEDs benötigen keine Hintergrundbeleuchtung

Vor allem in Werbeprospekten wurde schon vor circa zehn Jahren vom 'LED-Fernseher' gesprochen, wobei die LEDs in diesen Fällen nur für die Hintergrundbeleuchtung zuständig waren. Erst mit der Marktreife von Bildschirmen mit organischen LEDs (OLED) wurden tatsächlich LEDs anstelle von Flüssigkristallen zur Erzeugung von farbigen Bildpunkten eingesetzt. Der große Vorteil liegt in der Eigenschaft der Subixel, die selbst als Lichtquelle fungieren und somit keine Hintergrundbeleuchtung mehr erfordern.

Ein Bildpunkt besteht aus verschiedenfarbigen LEDs, von denen nur die zum Einsatz kommen, die auch benötigt werden. Polarisationsfilter werden somit überflüssig und die Farbdarstellung sucht meist ihresgleichen. Da über die große Fläche eines Bildschirms nur die Bereiche - sprich OLEDs - aktiviert werden müssen, auf denen Bildinhalte angezeigt werden, ist der Energiebedarf zudem teils deutlich niedriger. Dieser Effekt geht so weit, dass ein schwarzer Bildabschnitt durch deaktivierte OLEDs realisiert wird. Da keine Ebenen für Polarisationsfilter und Hintergrundbeleuchtung mehr nötig sind, sind flachere Bildschirme möglich, die wiederum zu dünneren Geräten führen.

Durch natürlich auftretende Diffusionsprozesse in den organischen Anteilen der LEDs ist die Nutzungsdauer allerdings deutlich geringer als bei LC-Bildschirmen. Hierbei spielen Temperatur und Leuchtkraft eine Rolle, da OLEDs mit steigender Helligkeit und unter dem Einfluss von Wärme schneller altern.

Neben einer im Allgemeinen niedrigeren Lichtausbeute spielt bei OLED-Bildschirmen auch der Burn-in-Effekt eine Rolle: Hierbei altern einzelne OLEDs in den Subpixeln, die stark beansprucht werden, schneller als die umliegenden, wodurch im direkten Vergleich auch bei ausgeschaltetem Bildschirm ein sichtbarer Effekt zurückbleibt. Mit Technologien wie der Standbilderkennung und einer Reduzierung der Leuchtkraft von sehr hellen Bildpunkten soll das Einbrennen von Bildern verhindert werden. Zudem frischen OLED-Fernseher ihre Panels im Standby regelmäßig auf, indem beispielsweise alle Subpixel auf dieselbe Temperatur gebracht werden. Die Hersteller solcher Geräte bieten teils sehr unterschiedliche automatische und manuelle Techniken an, mit denen die Nutzungsdauer von OLED-Bildschirmen verlängert werden soll.

An diesem Punkt setzt die Entwicklung von Micro-LEDs an.

Herausforderungen bei der Fertigung von Micro-LEDs

Während OLEDs aus verschiedenen organischen Molekülen bestehen, welche die Farbe der OLED bestimmen, setzen die Hersteller von Micro-LEDs auf Indiumgalliumnitrid als Werkstoff. Je nach Anteil des verwendeten Indium- beziehungsweise Galiumnitrids emittieren diese Dioden verschiedenfarbiges Licht, wodurch sie als Subpixel bestehend aus einer roten, grünen und blauen LED eingesetzt werden können.

Um den Namen Micro-LED zu rechtfertigen, muss der Pixel-Abstand (Pitch) weniger als einen Millimeter betragen. Samsung nennt beispielsweise für seinen Riesen-TV The Wall einen Abstand von 0,84 mm. Die sich daraus ergebende Pixeldichte ist höher als bei konventionellen Bildschirmen bei einer gleichzeitig besseren Energieeffizienz sowie Farbdarstellung.

Mit gleicher Leuchtkraft sollen Micro-LEDs nur die Hälfte der Leistung aufnehmen, die OLEDs benötigen. Ein echtes Schwarz wird auch hier durch das Abschalten der entsprechenden Pixel erreicht. Die Leuchtkraft soll um mindestens das 30fache höher liegen, als es mit OLEDs möglich ist - im Bereich der kleinen Projektoren sprechen Hersteller sogar von möglichen Helligkeitswerten von bis zu 100.000 cd/m².

Die Technologie eignet sich nicht nur für große Geräte, auch kleinere Anwendungen beispielsweise in Smartwatches profitieren von den energiesparenden Displays. Die Größe der Panels hat hierbei einen entscheidenden Einfluss auf die Kosten, da die Fertigung von Micro-LEDs in einer anspruchsvollen Umgebung stattfinden muss: Während OLED-Panels beispielsweise im Printed-Screen-Verfahren außerhalb von Vakuumkammern und unter Atmosphärendruck hergestellt werden können, lassen sich Micro-LEDs nur in extrem reinen Umgebungen fertigen.

In einer Reaktionskammer wird das Halbleitermaterial Schicht für Schicht auf einen Träger aufgebracht. Ein einzelner Partikel kann hierbei bereits zu einem nicht zu behebenden Fehler führen, der am Ende als toter Pixel erscheint und den gesamten Träger unbrauchbar macht. Samsung setzt vermutlich nicht zuletzt aus diesem Grund auf ein modulares Konzept für seine Micro-LED-Bildschirme. Das Risiko von Fehlern in der Fertigung nimmt mit steigender Größe schließlich zu und kann so in gewissen Grenzen gehalten werden.

Echte QLEDs - als Zwischenlösung und in Zukunft als Nachfolger

Samsung etabliert zudem bereits den Begriff QLED: Diese Technik wird mit Vorteilen in Bezug auf Farbdarstellung und Helligkeit gegenüber OLED-Bildschirmen beworben. Hier kommen sogenannte Quantenpunkt-Leuchtdioden zum Einsatz, die je nach Größe (circa vier Nanometer) des zugrundeliegenden Quantenpunktes unterschiedlich farbiges Licht emittieren.

Die QLEDs werden aber noch nicht serienmäßig als Subpixel für Bildschirme eingesetzt, sondern verbessern bislang nur die Hintergrundbeleuchtung in Samsungs hochpreisigen TV-Modellen. Die Leuchtkraft, Farbdarstellung und der Schwarzwert werden dadurch in die Nähe von Micro-LEDs gerückt, am Ende bleibt es aber ein LC-Fernseher mit LED-Hintergrundbeleuchtung.

Der Schritt zu tatsächlichen Displays mit Subpixeln aus Quantenpunkt-Leuchtdioden dürfte erst nach der großflächigen Einführung von Micro-LED-Bildschirmen kommen. Bisher stellt deren Einsatz eine kostengünstige Variante dar, um die fehlende Leuchtkraft der OLEDs und die niedrigere Qualität der Farbdarstellung herkömmlicher LC-Bildschirme auszugleichen.  (miw)


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