Organische Displays: Bestandsaufnahme und Ausblick Evolution statt Revolution #####

Trotz großer Anstrengungen der Hersteller reicht die Lebensdauer der Organischen Leuchtdioden (OLED) heute noch nicht aus für alle Display-Anwendungen in den Consumer-Märkten. Eine Bestandsaufnahme ergibt: Der Markteintritt geht nicht ganz so stürmisch voran, wie noch vor ein paar Jahren geglaubt. Bei den Flachdisplays entwickeln sich auch die LCDs weiter. Aber die Beteiligten lassen keinen Zweifel: Die Zukunft gehört den OLED-Displays.

Organische Displays: Bestandsaufnahme und Ausblick

Trotz großer Anstrengungen der Hersteller reicht die Lebensdauer der Organischen Leuchtdioden (OLED) heute noch nicht aus für alle Display-Anwendungen in den Consumer-Märkten. Eine Bestandsaufnahme ergibt: Der Markteintritt geht nicht ganz so stürmisch voran, wie noch vor ein paar Jahren geglaubt. Bei den Flachdisplays entwickeln sich auch die LCDs weiter. Aber die Beteiligten lassen keinen Zweifel: Die Zukunft gehört den OLED-Displays.

Die Euphorie war groß, als 1997 das erste, auf OLEDs basierende Display in einem Produkt sein Debüt hatte. Alles, was in der Display-Industrie einen Namen hatte, warf sich auf das neue Objekt. Riesige Märkte wurden prognostiziert, Ablösestrategien für existierende Displays wurden entworfen. Das OLED-Display ist eigentlich ein „ideales“ Display. Es ist flexibel und extrem flach, verspricht außerordentliche Helligkeit und ist technologiebedingt auch preiswert. So etwas liebt die Industrie – und darum sind wir der Frage nachgegangen, warum diese Erwartungen noch nicht erfüllt wurden.

Für unsere Analyse haben wir zwei Referenzen eingeholt: Wir besuchten das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS [1] in Dresden und Osram Opto Semiconductors [2] in Regensburg.

Zwischen Euphorie und Ernüchterung

Alle frühen Prognosen über die Marktentwicklung der OLED-Displays sind nicht eingetreten. Kodak arbeitete schon seit den 80er Jahren an dem Thema. Doch es zeigte sich, dass der Übergang vom Labor auf eine Produktion schwierig ist. Das Hochfahren der Fertigungslinien verzögerte sich, es gab Probleme mit den Schichtdicken, der Materialreinheit, mit der großtechnischen Verarbeitung, aber auch mit der Ausbeute. Und es gab auch Probleme bei den Marktauguren. Anfangs waren nur wenige Produkte greifbar. Die Veröffentlichung immer neuer Zahlen beruhte oft auf Ankündigungen für neue OLED-Displays. Kommen diese dann etwas verzögert auf den Markt, dann sind diese Zahlen sofort obsolet. Dies erklärt das heftige Auf und Ab der frühen Marktzahlen.

Und noch etwas hat zur Ernüchterung beigetragen: Derzeit sind die organischen Displays den Flüssigkristall-Displays (LCD) noch nicht haushoch überlegen. Sie sind vielfach besser, aber die Anwender denken in kommerziellen Kategorien: Eine neue Technik muss bei gleichem Preis eine Größenordnung besser sein als die andere, sonst braucht der Übergang lange.

Beispiele gefällig? Der Energieverbrauch eines OLED- liegt zwar unterhalb dem eines LC-Displays, aber für viele Anwendungen reicht das noch nicht als Wechselkriterium. Auch die LCDs entwickeln sich noch weiter. So ist das Argument des größeren Betrachtungswinkels der organischen Displays zusammengeschmolzen: Einige Hersteller von Active-Matrix-LCDs können das mit geringen Einschränkungen fast schon genau so gut.

Allerdings gibt es ein paar Eigenschaften, die mit OLEDs kaum zu realisieren sind. Samsung hat ein LCD mit 2 m Bilddiagonale entwickelt, das auf Substraten von 1,9 m x 2,2 m gefertigt werden kann. Dahin ist für OLED-Displays noch ein sehr weiter Weg. Da eine der beiden OLED-Technologien – basierend auf „kleinen Molekülen“ – mit Schattenmasken arbeitet, ist die Skalierbarkeit bis zu solchen Dimensionen technisch nicht machbar. Die OLED-Konkurrenz der „langkettigen Polymere“ hat zwar diese Einschränkung in der Prozesstechnik nicht: Diese lassen sich drucken. Dafür kämpft sie mit der Materialstabilität. Noch immer gilt die Faustformel: Je kürzer die Wellenlänge der Farbe, desto instabiler wird das Material. Das hat physikalisch-chemische Gründe und erklärt, warum die OLED-Hersteller oft mit der Farbe Blau kämpfen.

Das ist es aber nicht allein. Das menschliche Auge „sieht“ die Farben des Spektrums nicht mit gleicher Intensität. Werden die Farben des Spektrums mit gleicher Intensität abgestrahlt, dann empfinden wir Gelb und Grün als besonders hell, Rot und Blau als lichtschwächer.

Die Konkurrenten unter dem OLED-Dach

Die organischen Displays machen sich untereinander Konkurrenz mit zwei Arten von organischen Materialien, den „Small Molecules“ und den „Polymers“. Noch immer herrschen die „Small Molecules“ bei den heutigen Produkten vor; sie weisen aus der Historie heraus einen Entwicklungsvorsprung auf. Mehr als 90 % der 2005 am Markt befindlichen OLED sind auf „Small Molecules“ aufgebaut. OLED-Farbdisplays aus den „kleinen Molekülen“ erreichen heute bis zu 7000 Stunden Betriebsdauer (im Videobetrieb bei Raumtemperatur). Die Entwicklungskurve der Polymer-Displays liegt im Vergleich etwa zweieinhalb Jahre zurück.

So pendelt nun die Meinung noch immer zwischen den zwei Alternativen hin und her. Noch scheint das Pendel zugunsten der „Small Molecules“ auszuschlagen, weil sie schon am Markt sind. Das kann sich jedoch sehr schnell ändern, zumal in jüngster Zeit die „Polymers“ große Fortschritte bei Stabilität und Alterung gemacht haben. Und weil eine abgesicherte Entscheidung im Augenblick noch nicht möglich ist, setzen einige Unternehmen – wie z.B. Samsung – zum Zeitpunkt der Recherche auf beide Techniken und entwickeln sie mit einigem Aufwand weiter. Der Grund dafür ist strategisch: Was immer sich durchsetzen wird, die Unternehmen wollen auf jeden Fall ganz vorne mit dabei sein.

Vielleicht gibt es auch noch einen weiteren Weg, um farbige organische Displays herzustellen: durch den Bau eines „weißen“ Displays. Das Bild wird anschließend mit Hilfe von Farbfiltern zerlegt. Das ginge sowohl mit „Small Molecules“ als auch mit „Polymers“. Technisch bietet das viele Vorteile für die Prozessierung, allerdings sinkt bei der Filterung die Helligkeit etwa um den Faktor 2 bis 3.

Die Ausgangsmaterialien sind nur ein Unterscheidungsmerkmal, die Architektur der Displays ein anderes. Hier konkurrieren „Active Matrix“-Displays (AMD) und „Passive Matrix“-Displays (PMD) miteinander. Letztere sind relativ einfach herzustellen. Die Katode und die transparente Anode stellen eine gekreuzte Matrix dar, der Licht emittierende Kunststoff liegt dazwischen (Bild 1). Aufgrund der Verluste in den elektrischen Leitungen ist die Leitungslänge eingeschränkt und es können nur kleine Displays realisiert werden. Diese kleinen Displays werden aber heute bereits in großen Stückzahlen nachgefragt. Ein fernsehfähiger OLED-Bildschirm dürfte erst um 2009 herum auf den Markt kommen, auch wenn Prototypen schon gezeigt wurden (Bild 2).

Die OLED-Einheit ist noch nicht das ganze Display

Das Display für sich funktioniert ja noch nicht. Es werden dazu Treiberchips und etwas Peripherie benötigt. An die Treiber werden dabei besondere Ansprüche gestellt: OLEDs arbeiten im Gegensatz zum LCD stromgesteuert und benötigen daher relativ hohe Vorspannungen mit hoher Präzision und kurzen Ansprechzeiten. Das setzt sehr präzise analoge Ansteuerchips voraus. Vor drei Jahren haben die Produzenten von OLED-Displays und Chip-Hersteller oft noch an einem Tisch gesessen, um gemeinsam über solche Chips zu brüten. Heute hat sich die Lage entspannt: Zwei Dutzend Firmen auf der Welt befassen sich mit Treiber-Chips für organische Displays und der notwendigen Peripherie. Der Markt ist schon da: ca. 28 Mio. OLED-Displays wurden 2004 weltweit verkauft. Da bis auf weiteres von einem zweistelligen Wachstum pro Jahr ausgegangen wird, wächst dieser Markt auch entsprechend.

Das wirtschaftliche Kernproblem bleibt aber die Überführung der im Labor erprobten Verfahren in eine Produktion mit brauchbaren Ausbeuten, hoher Zuverlässigkeit und guter Langzeitstabilität. Bei den „Polymer“-Displays ist das Potential mit Sicherheit noch nicht ausgeschöpft, zumal sich bei den Ausgangsmaterialien immer wieder Neues tut. Und deswegen setzen viele Hersteller – trotz einer Durststrecke – auf die „Polymers“.

Die Grundfakten für OLED-Displays sind bei beiden Prinzipien die gleichen:

  • Bei einem effizienten Display ist die Anzahl der Ladungsträger ausgeglichen. Nur dann ist die Wahrscheinlichkeit der Rekombination von Elektronen und Löchern genügend groß. Die Mechanismen dafür sind geklärt, sie werden heute beherrscht.
  • Die Quanteneffizienz der Photonenerzeugung beträgt heute fast 100 % – da lässt sich kaum mehr was verbessern.
  • Die optische Auskopplung hat noch großes Potential. Möglich sind hier theoretisch etwa 60 % Wirkungsgrad, realisiert wurden aber erst 20 %.

Die Redaktion ist nach Dresden gefahren an das Fraunhofer-Institut Photonische Mikrosysteme (FhG IPMS). Es verfügt über die seinerzeit erste vertikale „In Line“-Prozessanlage zur Herstellung von OLED-Displays (Bild 3). „Vertikal“ deshalb, weil hierbei das Trägersubstrat senkrecht durch die Anlage transportiert wird. So kann eine Fertigungslinie aufgebaut werden, die vom Einführen des Substrats bis zur Ausgabe des fertigen OLED-Displays nicht unterbrochen ist. Das Institut ist einer der wenigen Lieferanten, die Displays von der Konzeption bis zum Systemmodul anbieten können (Bild 4).

Wir haben uns am FhG IPMS mit Professor Karl Leo über die technischen Entwicklungen und die Display-Konkurrenz zum LCD unterhalten:

Die ersten Beobachtungen von Elektrolumineszenz in organischen Halbleitern liegen ja schon 40 Jahre zurück. Doch erst nach der Jahrtausendwende kamen die ersten Displays auf den Markt. Können Sie kurz skizzieren, was sie besser können als LCDs und wo sie noch weiterer Verbesserung bedürfen?

Prof. Karl Leo: Im Kontrast und in der Videofähigkeit – bei Zugriffszeiten um eine Mikrosekunde! – ist das OLED-Display eindeutig besser. Der früher vorhandene Vorteil des großen Blickwinkels von praktisch 180 Grad fällt heute kaum mehr ins Gewicht, da hier die LCDs aufgeholt haben. Die Bautiefe der organischen Displays ist kleiner, was insbesondere die Handy-Hersteller schätzen. Auch Effizienz und Flexibilität sprechen für OLED, und auf Sicht gesehen wohl auch der Preis. Wenn erst einmal die OLED-Displays in Massenmärkten sind, dann dürften sie bis zu 30 Prozent billiger sein als ihre LCD-Brüder – abhängig von ihrer Größe. Doch letztlich sind verfügbare Quantität und Qualität entscheidend: Derzeit sind die Ausbeuten noch niedrig, und auch die Lebensdauer kann noch verbessert werden. Für kurzlebige Produkte aber, wie modische Handys, reicht dies schon aus.

Sie haben eine Pilotanlage für die Herstellung großflächiger Substrate am Institut. Was war damals der Grund für deren Aufbau?

Leo: Organische Halbleiter sind das Thema unseres Fraunhofer-Instituts und auch meines Lehrstuhls an der TU Dresden. Die gemachten Erfahrungen werden derzeit von einem „Spin off“ der FhG und der TU Dresden (der Novaled GmbH [3]) genutzt und vermarktet. Dieses „Spin off“ beschäftigt mittlerweile 40 Mitarbeiter – ein Beweis für die Chancen, die in den OLED-Displays stecken. Wir beschäftigen uns seit einiger Zeit insbesondere mit „dotierten“ OLEDs, deren Vorteile in der Produktion wir an unserer eigenen Anlage mit „In Line“-Abscheidung untersuchen können. Dies und andere wichtige Eigenentwicklungen – wie z.B. ein „Stacked OLED“, bei dem eine weiße LED durch Stapeln von rot, grün und blau entsteht – macht eine eigene Beschichtungsanlage am Institut erforderlich.

Arbeitet das Institut auf eigene Rechnung, oder wird mit Industrie-Partnern zusammengearbeitet?

Leo: Das Institut finanziert sich zu etwa 70 Prozent aus Fremdmitteln, davon der größere Teil aus der Industrie. Im Bereich der organischen Displays überwiegt derzeit noch die öffentliche Förderung. Der Anteil der Industrie liegt hier erst bei etwa 10 Prozent.

Sehen Sie OLED-Displays auf Dauer in einem Verdrängungswettbewerb zu LCDs? Oder gibt es Anwendungsdomänen, wo die eine oder die andere Technologie bestimmend sein wird?

Leo: Obwohl OLED für viele Anwendungen das „ideale“ Display ist: Es wird sicher beides geben – Märkte, die allein von einem dieser beiden Flachdisplays besetzt werden, und solche, die von beiden bearbeitet werden. Sicher werden auch Plasmadisplays ihre Märkte haben. Im Display-Bereich kann man immer mit neuen Technologien rechnen.

Einrollbare Displays gehören zu den Visionen, über die oft in populären Technikbeiträgen berichtet wird. Zumindest in Schwarzweiß wurden schon Prototypen gezeigt. Auch ein Thema für das IPMS?

Leo (lachend): Das ist noch weit weg. Die Probleme mit den Materialien sind einfach noch zu groß, um über erste Demo-Muster hinauszugehen.

Das Institut arbeitet an transparenten OLED-Displays, die im ein- und ausgeschalteten Zustand durchsichtig sind. Was sind denkbare Einsatzgebiete dafür?

Leo: Einen Einsatz sehen wir beim Mobiltelefon. So könnte man die getrennten Außen- und Innendisplays durch ein einziges ersetzen. Man müsste dann nur eine elektronische Invertierung des Bildinhaltes realisieren.

Zu einem weiteren Gespräch haben wir Osram Opto Semiconductors in Regensburg aufgesucht. Das Unternehmen betreibt in Penang (Malaysia) eine Fertigung von OLED-Displays (Bild 5). Diese ging zur Jahreswende 2003/ 2004 in Betrieb und erreicht bis zum Herbst 2005 ihre volle Produktionskapazität. Derzeit werden dort monochrome Displays in größeren Stückzahlen produziert, vor allem für Anwender aus der Kommunikationstechnik, für medizinische Geräte zur Selbstdiagnostik, für industrielle Anwender und auch für die mobile Consumer-Elektronik (Bild 6). Die Größen der 2 mm dünnen Displays (einschließlich Polfilter) liegen derzeit bei maximal 4 cm Bilddiagonale (1,6 Zoll). An Farben werden Orange, Gelb und Hellgrün angeboten. Im Laufe des Jahres sollen Weiß, Rot, Dunkelgrün, Magenta und Blau hinzukommen. Gleichzeitig soll die Dicke der Displays auf 1,7 mm heruntergebracht werden – für endverbrauchernahe Anwendungen zählt jeder zehntel Millimeter.

Den CEO von Osram Opto Semiconductors, Dr. Rüdiger Müller, fragten wir nach den künftigen Plänen seines Unternehmens, das sich auch noch mit anderen optoelektronischen Halb-leitern beschäftigt:

Die bei den Flachbildschirmen heute marktdominante LCD-Technologie stagniert ja nicht, sondern entwickelt sich ebenfalls weiter. Verlängert das den Wettlauf zwischen LC- und OLED-Displays?

Dr. Rüdiger Müller: Dank der selbst emittierenden Arbeitsweise von organischen Displays und der damit verbundenen besseren Farbwiedergabe, dem besseren Kontrastverhältnis, der Schnel-ligkeit in der Video-Wiedergabe und der geringeren Bauhöhe können neue – von LCDs nicht bediente – Applikationen adressiert werden. Mit kleinformatigen Displays ist der Markteintritt in MP3-Spieler und in Handys gelungen. Andererseits entwickelt sich die LCD-Technologie kontinuierlich weiter und verteidigt als reife Flachbildschirm-Technologie die etablierten Marktsegmente. Die Koexistenz wird allein schon wegen der unterschiedlichen Marktgröße der beiden Technologien anhalten.

Neben OLED und Flüssigkristall hat sich ja noch eine weitere Flachdisplay-Technik entwickelt: die Plasmadisplays. Wenngleich diese Technik wohl eher das Feld der Großdisplays besetzt: Sind nicht drei Flachdisplay-Techniken als Angriffsgruppe gegen die klassischen Röh-rendisplays zu viel?

Müller: Plasmadisplays (PDP) sind derzeit als Flachbildschirme mit mehr als 40 Zoll Bildschirmdiagonale kommerziell verfügbar. Sie konkurrieren da mit LCDs. Der Markteintritt von OLED-Displays mit etwa 20 Zoll Bildschirmdiagonale als dritte Technologie ist wohl frühestens 2007 zu erwarten, so dass PDP und OLED nicht zeitgleich in Konkurrenz treten werden.

Mehr als hundert Firmen tummeln sich gegenwärtig auf dem OLED-Display-Markt: Bleibt da für den Einzelnen genug zum Leben? Oder fängt die Auslese schon an, bevor der Marktzugang vollzogen wurde?

Müller: Die Mehrzahl der im OLED-Markt tätigen Firmen arbeitet noch in der Entwicklungsphase und ist nicht im Markt mit Produkten vertreten. Ähnlich wie seinerzeit in der LCD-Industrie wird auch bei organischen Displays nach einer Konsolidierungsphase eine überschaubare Anzahl von Firmen übrig bleiben. Sie werden dem Wettbewerb durch konsequente Umsetzung der Strategie und entsprechende Kapitalkraft standhalten.

Sie haben schon früh erkennen lassen, dass Osram noch etwas ganz anderes mit den „Polymers“ machen will als nur Displays: Leuchtflächen nämlich mit gleichmäßiger Lichtverteilung. Das hört sich nach langfristigem Ersatz der klassischen Glühlampe an. Gibt es da neue Erkenntnisse?

Müller: In erster Linie sehe ich OLED in der Beleuchtung als intelligente, hoch effiziente Lichtlösung. Organische Leuchtdioden können zu diffusen großflächigen Lichtquellen führen, wenn man dafür kostengünstige Herstellverfahren entwickeln kann. Solche „leuchtenden Tapeten“ werden neue Anwendungen eröffnen. Irgendwann in zehn oder zwanzig Jahren sehe ich auch die Möglichkeit, einen hoch auflösenden Bildschirm an der Wand mit einer solchen diffusen Beleuchtungsquelle zu verschmelzen: Damit könnte von der Wohnzimmerbeleuchtung zum Heimkino umgeschaltet werden.

Osram beteiligt sich als weltweit führender Hersteller von Leuchtmitteln an der angekündigten Forschungsintitiative in Deutschland, die die Entwicklung von organischen Leuchtpaneelen vorantreiben will. Technologien wie diese sind Teil der Unternehmensstrategie. Die OLED-Displays selbst werden sich vor allem in jenen Bereichen durchsetzen, in denen sie ihre Vorteile – Farbigkeit, Langlebigkeit und geringe Bautiefe – ausschöpfen können.