Einführung der OLED-Displays braucht Zeit Revolution mit Verzögerung

Nur wenige Teilmärkte der Elektronik wachsen so schnell wie die Flachdisplays – rund 20 % pro Jahr. Bei kleinen und mittleren Formaten herrschen heute die LCDs vor, bei großen Formaten Plasma. Jetzt heißt es, eine ganz neue Technologie könnte beiden in den nächsten Jahren den Rang ablaufen: die organischen Leuchtdioden, OLEDs, mit einigen bestechenden Vorzügen. Wann ihr Durchbruch wirklich kommt, ist aber noch nicht abzusehen. Vor Beginn einer Massenproduktion sind noch erhebliche technologischen Hürden zu überwinden.

Einführung der OLED-Displays braucht Zeit

Nur wenige Teilmärkte der Elektronik wachsen so schnell wie die Flachdisplays – rund 20 % pro Jahr. Bei kleinen und mittleren Formaten herrschen heute die LCDs vor, bei großen Formaten Plasma. Jetzt heißt es, eine ganz neue Technologie könnte beiden in den nächsten Jahren den Rang ablaufen: die organischen Leuchtdioden, OLEDs, mit einigen bestechenden Vorzügen. Wann ihr Durchbruch wirklich kommt, ist aber noch nicht abzusehen. Vor Beginn einer Massenproduktion sind noch erhebliche technologischen Hürden zu überwinden.

Man sollte nicht alles so unbesehen glauben, was die Sensationspresse verkündet. Wenn da vor einigen Jahren zu lesen stand, dass die OLEDs die LCDs in Kürze ablösen würden, dann war das höchst voreilig. Wie sich zeigt, wird sich ein Technologiewandel mit derartiger Tragweite – wenn überhaupt – über Jahre oder Jahrzehnte hinziehen. Was aber nicht heißt, dass die nach der anfänglichen Euphorie eingetretene Ernüchterung so etwas wie ein Katzenjammer wäre. Dass diese Technologie aussichtsreich ist, bezweifelt niemand. Aber sie ist im Moment noch zu unreif, als dass man gleich in Riesenwerke wie bei den LCDs investieren würde. Das braucht noch Jahre.

Realisten erwarten einen ähnlich lang dauernden Wechsel wie beim Übergang von der Bildröhre zum Flachdisplay. Laut einigen Vorhersagen aus den 90-er Jahren hätten die klobigen Kolben längst vollständig abgelöst sein müssen. In Wahrheit sind sie gerade eben erst (stückzahl- wie umsatzmäßig) von den LCDs knapp überrundet worden. Ihre Produktion geht langsam zurück, enden wird sie aber noch sehr lange nicht. Immerhin hat ihre Bildqualität innerhalb von mehr als hundert Jahren Evolution ein Niveau erreicht, das nicht leicht zu übertreffen ist. Im übrigen vollzieht sich ihre Ablösung in den einzelnen Teilmärkten mit sehr verschiedenem Tempo. Zuerst konnten die LCDs einen Markt erobern, wo es vorher überhaupt keine Röhren gab: in völlig neuen Produkten wie Laptop-Computern. Erst mit den hier gesammelten Produktionserfahrungen wurde es möglich, den Desktop-Monitor-Markt aufzurollen, was jetzt gerade mitten im Gange ist. Bei den Fernsehern wird die Umstellung noch sehr viel länger dauern; die flachen sind noch nicht lange auf dem Markt und bisher teuer, dabei in der Bildbrillianz den besten Röhren immer noch unterlegen. Entsprechend würde eine Ablösung der LCDs durch OLEDs in den einzelnen Bereichen ähnlich unterschiedlich verlaufen.

Neue Chancen für Europa

Kaum war bekannt geworden, dass bestimmte organisch-chemische Moleküle bei Stromdurchfluss Licht aussenden, da stürzten sich zahllose Institute und Firmen auf diese neue Materialklasse – in der Hoffnung, in das Display-Geschäft einsteigen und hohe Umsätze damit machen zu können. Weltweit dürften es mittlerweile über hundert sein – nicht alle in Konkurrenz zueinander, sondern vielfach auch in enger Kooperation. Die marktbeherrschenden Display-Hersteller in Fernost sind mehr oder weniger alle dabei, sie wollen frühzeitig einen Fuß in der Tür haben. Daneben aber auch eine ganze Reihe von völlig neuen Firmen, häufig ausgegründet aus Hochschul- oder Forschungsinstituten oder auch aus großen Chemiekonzernen. Viele davon sitzen in Europa und den USA. Bei dieser noch so neuen Technologie besteht in Fernost kein solch prinzipieller Erfahrungsvorsprung wie bei LCDs und Plasma-Bildschirmen. Die Karten werden hier vielmehr völlig neu gemischt. Damit haben westliche Hersteller wieder ganz frische Chancen.

Den Wunsch, in Deutschland nach dem in den 80er Jahren verpassten Anschluss doch noch eine nennenswerte Display-Produktion aufzubauen, hatten schon viele Vertreter von Industrie und Forschung. Vordenker war Ende 1998 Prof. Dr. Wolfgang Ehrfeld, bis 2001 Leiter des Instituts für Mikrotechnik Mainz (IMM), seitdem Vorstand der Ehrfeld Mikrotechnik AG, Wendelsheim. Er stellte fest, dass die Voraussetzungen dafür hier eigentlich gar nicht so schlecht sind [1]: eine den Weltmarkt versorgende Zulieferindustrie, ein beachtliches Know-how bei Forschung und Entwicklung und zahlreiche Anwender; speziell ein sehr guter Stand auf dem jungen, aber viel versprechenden Gebiet der OLEDs bei der Fa. Covion Organic Semiconductors GmbH, Frankfurt/Main, ausgegründet aus Hoechst/ Aventis, heute bei Avecia. Ehrfeld: „Eine einheimische Herstellung würde die Entwicklungszeiten verkürzen und maßgeschneiderten Versionen bessere Chancen bieten: Beschleunigter Transport, engere Kontakte zwischen Herstellern und Kunden und eine vereinfachte Infrastruktur würden erhebliche Kosten einsparen.“ Werner Becker von Merck, Darmstadt, ergänzt: „Unsere Beziehungen zur asiatischen LCD-Industrie sind aufgrund der räumlichen Entfernung und der kulturellen Unterschiede nicht immer reibungslos. Mit deutschen Abnehmern wäre das sicher leichter und würde zu schnelleren Erfolgen führen.“

Daraus entstand im Februar 2000 das „Deutsche Flachdisplay-Forum e.V.“ als Gruppierung des VDMA (DFF, www.displayforum.de), eine Arbeitsgemeinschaft von Hochschulinstituten, Forschungsinstituten und Industriefirmen, mittlerweile mit rund 80 Mitgliedern und seit August 2004 Ehrfeld als Ehrenvorsitzendem. Die anfängliche Idee, hierzulande eine Großfertigung von LCDs nach Fernost-Vorbild aufzubauen, wurde schnell wieder verworfen; für die völlig neue OLED-Technologie sah man aber reale Chancen. Inzwischen planen die Initiatoren, das ursprünglich rein deutsche Projekt zu einem europäischen zu erweitern, genannt ADRIA (Advanced Display Research Integration Action).

Einigkeit herrscht unter den Technologen darüber, dass es zum Aufbau einer OLED-Massenfertigung in der Größe der heutigen LCD-Werke noch viel zu früh ist. Zunächst muss noch sehr viel mit unterschiedlichen Basismaterialien und Produktionsverfahren experimentiert werden, bis man den richtigen Weg findet. So entstand 2002 der Plan für eine „Deutsche OLED-Referenzanlage“ (DORAn), sozusagen als technologische Spielwiese, getragen von 13 DFF-Mitgliedern. Geschäftsführer Dr. Eric Maiser: „Wir haben im Rahmen des DORAn-Projekts schon eine ganze Menge an Studien über Fertigungstechnologien gemacht.“ Es ist ein Standort in Sachsen vorgesehen, im Moment existiert aber erst ein Planungsbüro in Leipzig. Vorerst kämpft das Projekt mit Finanzierungsproblemen, es haben sich bisher nicht genügend risikobereite Geldgeber gefunden. Wenn das Vorhaben gelingt, dann entstände für die europäische Industrie eine gute Chance, am Weltmarkt eine wesentliche Rolle zu spielen. Mehrere hiesige Firmen sind technologisch mit an der Spitze. Allen voran Covion, Weltmarktführer bei den Grundmaterialien und Lieferant für die meisten Display-Hersteller. Ein weiterer deutscher Produzent ist Osram Opto Semiconductors (www.osram-os.com) in Regensburg.

Auf dem Gebiet Materialentwicklung und Optimierung des OLED-Aufbaus arbeitet auch die Novaled GmbH (www.novaled.com), eine Ausgründung aus der TU Dresden (Institut für Angewandte Photophysik, IAPP, Prof. Dr. Karl Leo) und dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) Dresden; weitere Partner sind die Deutsche Thomson Brandt GmbH (Hannover), Applied Films (Alzenau) sowie der Lehrstuhl für Bildschirmtechnik der Universität Stuttgart (www.lfb.uni-stuttgart.de; Leitung Prof. Dr. Norbert Frühauf). Im Rahmen des Projekts OLEDFAB sollen OLED-Displays der „zweiten Generation“ entstehen: mit gesteigertem Wirkungsgrad, durchoptimierter Fertigung und verbesserter Systemintegration. Finanziell gefördert wird das insgesamt mehr als 7 Mio. Euro teure Vorhaben durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, das Sächsische Staatsministerium für Wirtschaft und Arbeit sowie das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst in Baden-Württemberg.

Wichtige europäische Hersteller sind Philips in Eindhoven sowie die britische Cambridge Display Technology (CDT), eine Ausgründung aus der dortigen Universität, wo die grundlegenden Forschungsarbeiten an den Polymer-Basismaterialien gelaufen waren (www.cdtltd.co.uk). In den USA gehören zu den führenden Firmen IBM (zusammen mit dem Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich und der japanischen Tochter IDTech), Eastman-Kodak, Universal Display Corp. (Pasadena), Uniax (Santa Barbara), Dow Chemical, DuPont, eMagin und einige weitere.

Bestechende Vorteile

Der entscheidende Unterschied gegenüber den LCDs: OLEDs leuchten selbst. Weil sie nur in den Pixels Strom verbrauchen, die tatsächlich aufleuchten, können sie viel Energie einsparen. Bei LCDs strahlt dagegen die Hinterleuchtung ständig mit voller Stärke; in den dunklen Bildpunkten wird das Licht wieder absorbiert. Aber selbst in voll weißen Bildpunkten schlucken die Polarisatoren und die Farbfilter mehr als 90 % des Lichtes weg. Indem OLEDs – bei geeignet gestaltetem Bildinhalt – mit weniger Betriebsleistung auskommen, hält die Batterie mit einer Aufladung länger durch.

Weitere Pluspunkte: Dank hoher Helligkeit sind OLEDs sehr gut ablesbar, prinzipbedingt haben sie einen sehr breiten Blickwinkel. Die Ansprechzeit ist mit wenigen Mikrosekunden extrem kurz, bei schnellen Bewegtbildern gibt es keine Verschmierungen. Und sie begnügen sich mit einer einzigen Glasplatte als Substrat, dadurch sind sie sehr viel dünner und leichter als LCDs, die immer zwei Glasplatten und zusätzlich noch die Hinterleuchtung brauchen.

Weiter Weg zu großen Formaten

Auf der weltgrößten Fachkonferenz über Displays, veranstaltet von der SID (Society for Information Display; 2004 in Seattle) und ähnlichen Kongressen waren schon von einer ganzen Reihe von Firmen großflächige, vollfarbige OLED-Displays zu sehen. Den Größenrekord hält Seiko-Epson mit einem 40-Zoll-Polymer-Display (Auflösung 1280 x 768 Pixel, 18 bit Farbtiefe). In Small-Molecule-Technik hat IDTech (Joint Venture von IBM und Chi-Mei) eine 20-Zoll-Version vorgestellt (1280 x 768, [3]), Samsung 17 Zoll (1600 x 1200), Kodak 15 Zoll (1280 x 720). Toshiba Matsushita Display Technology (TMDT) hatte schon zur SID 2003 ein vollfarbiges 17-Zoll-OLED-Polymer-Display vorgestellt, Philips hat einen 13-Zoll-Typ (Polymer, 576 x 324, Bild 7). Auch Sony ist mit dabei. Ständig kommen weitere dazu.

Das sollte aber nicht die Illusion erwecken, dass man diese Bildschirme schon im nächsten Jahr kaufen könnte. Es sind durchweg Einzelstücke oder allerkleinste Kleinserien, mehr oder weniger mit der Hand gestrickt. Dafür eine Massenfertigung zu vertretbaren Kosten auf die Reihe zu bekommen, ist eine enorme technologische Herausforderung, Erfolg ist noch nicht garantiert.

Um auf Stückzahlen zu kommen, ist zuerst ein Durchbruch auf einem Nischenmarkt nötig; danach können neue Märkte in Angriff genommen werden. Gut angelaufen sind die OLEDs in Autoradios und als äußere Zweit-Displays auf zusammenklappbaren Handys (Bild 8). Dabei hängt der Markterfolg stark vom Preis ab. Er darf nicht wesentlich über entsprechenden LCDs liegen. Der Gerätebenutzer kauft bestimmte Eigenschaften, nicht eine bestimmte Technologie. Das Gerät muss nur funktionieren und gut aussehen; was innen drin ist, interessiert ihn nicht.

Einen entscheidenden Schritt vorangegangen ist hier das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) in Dresden. An die Stelle der bisherigen Punktquellen für die Abscheidung der Small-Molecule-Schichten ist die weltweit erste In-Line-OLED-Fertigungsanlage getreten (Bild 9) – entwickelt und installiert von Applied Films, Alzenau. Sie besteht aus elf Prozessmodulen für die Beschichtung von 300 mm x 400 mm großen Substraten, die hier in senkrechter Richtung vorbeifahren. Dafür stehen bis zu zwölf Linienquellen zur Verfügung. Die Masken werden gleich danach automatisch gereinigt; es laufen mehrere im Kreis, das spart sehr viel Zeit. Dieses Prinzip hat sonst keine einzige Firma. Im Moment läuft noch keine Produktion, die Anlage befindet sich in der Erprobungsphase. Zunächst will man Demonstratoren und Prototypen entwickeln, später auch Klein- und Mittelserien fertigen. Zum Material kommentiert Jörg Amelung, OLED-Projektleiter am IPMS: „Wir haben uns für Small Molecule entschieden, weil damit Effizienz und Lebensdauer besser sind. Es werden aber weiterhin beide Technologien nebeneinander existieren, je nach Anwendung.“ Die Backplanes mit den Transistoren (hier Poly-Silizium) stammen vom Labor für Bildschirmtechnik der Universität Stuttgart.

Schnelles Wachstum zu erwarten

Zunächst einmal sind die OLEDs eine interessante Ergänzung des bestehenden Display-Spektrums. Wie viel das Marktforschungsunternehmen DisplaySearch erwartet, gibt die Tabelle wieder. Die Wachstumsraten sind imposant, von „Verdrängung“ der LCDs kann aber überhaupt noch keine Rede sein. Darüber wird man vielleicht in zehn Jahren noch einmal neu diskutieren können.