Viele High-End-Smartphones sind heutzutage mit AMOLED-Displays ausgestattet. Obwohl der Begriff AMOLED häufig fällt, verstehen Sie wirklich den Zusammenhang mit OLED? Warum wetteifern Smartphone-Hersteller so sehr um OLED-Panels? Können Smartphones und VR-Geräte OLED zum Standard für Displaytechnologie machen?

Vor diesem Hintergrund wollen wir die OLED-Technologie einmal genauer betrachten.

OLED-Struktur und Leuchtprinzip

Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind eine ursprünglich von Kodak entwickelte und patentierte Displaytechnologie. Diese Technologie nutzt organische Polymere als Halbleitermaterialien in Leuchtdioden. Diese Polymere können natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein und unterschiedliche Molekülgrößen aufweisen. Proteine ​​und DNA sind Beispiele für organische Polymere.

Der grundlegende OLED-Aufbau ähnelt einem Sandwich und besteht aus einer ITO-Schicht (Indiumzinnoxid), die mit der positiven Elektrode verbunden ist, und einer Metallkathode. Der Schichtaufbau umfasst eine Lochtransportschicht, eine Emitterschicht und eine Elektronentransportschicht.

Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen sich die von der Anode erzeugten Löcher und die von der Kathode erzeugten Elektronen zur Lochtransportschicht bzw. Elektronentransportschicht und werden in die Emitterschicht injiziert. Beim Zusammentreffen von Elektronen und Löchern in der Emitterschicht entstehen Exzitonen, die die lichtemittierenden Moleküle anregen und so sichtbares Licht erzeugen.

Sobald die angelegte Spannung einen geeigneten Wert erreicht, rekombinieren Löcher der Anode mit Elektronen der Kathode in der Emitterschicht und erzeugen so Licht. Je nach Materialzusammensetzung wird rotes, grünes oder blaues Licht emittiert, aus dem dann nach dem RGB-Farbmischprinzip Vollfarbbilder entstehen.

OLED vs. LCD

OLED-Displays sind selbstleuchtend, das heißt, jedes Pixel emittiert sein eigenes Licht. LCDs hingegen emittieren kein Licht und benötigen eine Hintergrundbeleuchtung unterhalb des Panels.

Ein LCD-Modul (LCM) besteht aus dem LCD-Panel und der Hintergrundbeleuchtungseinheit. Das LCD-Panel enthält typischerweise Polarisatoren, Glassubstrate, Farbfilter, transparente Elektroden, TFTs und Flüssigkristalle. Die Hintergrundbeleuchtungseinheit umfasst Lichtquellen, Lichtleiterplatten, optische Folien und Strukturkomponenten.

OLED-Klassifizierung und -Eigenschaften

Basierend auf den Ansteuermethoden lassen sich OLED-Displays unterteilen in:

• PMOLED (Passive Matrix OLED)
• AMOLED (Aktivmatrix-OLED)

PMOLED

PMOLED nutzt eine Matrix aus Kathoden und Anoden, die die Pixel mittels eines Abtastverfahrens beleuchten. Jedes Pixel arbeitet im Pulsmodus und emittiert kurzzeitig eine hohe Helligkeit.
Vorteile: Einfacher Herstellungsprozess, geringere Kosten
Nachteile: Nicht geeignet für große oder hochauflösende Bildschirme

AMOLED

AMOLED verwendet unabhängige TFTs zur Ansteuerung jedes einzelnen Pixels. Jedes Pixel kann kontinuierlich und unabhängig Licht emittieren.
Vorteile: Niedrige Ansteuerspannung, längere Lebensdauer der Leuchtkomponenten
Nachteile: Komplexer Fertigungsprozess, schwierige Kostenkontrolle

AMOLED dominiert den OLED-Markt und stellt die vorherrschende Entwicklungsrichtung dar. Wenn heutzutage von „OLED-Displays“ die Rede ist, ist in der Regel AMOLED gemeint.

Wichtigste Vorteile der OLED-Technologie

• Ultradünne Struktur, etwa ein Drittel der Dicke von LCDs
• Festkörperbauteile mit hoher Stoßfestigkeit
• Große Betrachtungswinkel mit minimaler Farbverschiebung
• Schnellere Reaktionszeiten im Vergleich zu LCDs (bis zu 1000-mal schneller bei frühen OLED-Fernsehern wie dem 2007 erschienenen 11-Zoll-Modell XEL-1 von Sony)
• Hervorragendes Tieftemperaturverhalten (funktionsfähig auch unter -75°C, sofern die Schaltkreise intakt sind)
• Höhere Energieeffizienz im Vergleich zu LCDs
• Kann auf verschiedenen Substraten, einschließlich flexibler Materialien, hergestellt werden.

Obwohl frühe OLED-Displays eine begrenzte Lebensdauer hatten, haben bedeutende Verbesserungen in den letzten Jahren eine breite Anwendung in Mobiltelefonen ermöglicht. OLED-Panels sind jedoch weiterhin teurer als LCDs, und weitere Fortschritte in der Massenproduktion sind erforderlich.

AMOLED-Herstellungsprozess

Da AMOLED den OLED-Markt dominiert, konzentrieren wir uns auf dessen Produktionsprozess:

Backplane-Prozess → Frontplane-Prozess → Modulmontage

Backplane-Prozess

Der erste Schritt sowohl bei der AMOLED- als auch bei der TFT-LCD-Produktion ist die Herstellung der TFT-Rückwandplatine.

OLEDs sind stromgesteuerte Bauelemente und benötigen einen hochstabilen Strom, der von der Ladungsträgermobilität abhängt. Daher ist LTPS (Niedertemperatur-Polykristallines Silizium) der am besten geeignete Halbleiterdünnfilm für OLED-TFTs. Die meisten AMOLED-Panels verwenden LTPS-Substrate, während LCDs aus Kosten- und Prozessgründen üblicherweise a-Si verwenden.

Wesentliche Unterschiede zwischen der TFT-Nutzung in LCD und OLED:

1. LCD-Pixel benötigen nur ein TFT-Display, während OLED-Pixel mindestens vier TFT-Displays benötigen.
2. OLED-TFTs erfordern eine wesentlich höhere Fertigungsgenauigkeit, was zu geringeren Ausbeuten führt.

Der Backplane-Prozess umfasst Filmbeschichtung, Fotolithografie und Ätzung zur Herstellung von LTPS-Strukturen mit mikrometergenauer Präzision und extrem hohen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit.

Zur Grundausstattung gehören:

• Photolithographiesysteme
• Nass- und Trockenätzmaschinen
• ICP-Ätzgeräte
• PVD- und CVD-Systeme
• Laserkristallisationssysteme
• Ionenimplantationsmaschinen
• Schnellthermische Glühanlage

Frontplane-Prozess

Die Bearbeitung der Frontplane ist der kritischste Schritt bei der AMOLED-Herstellung.

Nach der Reinigung und Trocknung wird das LTPS-TFT-Substrat zur Kühlung in eine Stickstoffatmosphäre überführt und so umgedreht, dass die Filmseite nach unten zeigt. Anschließend wird das Substrat zur Aufdampfung der Funktions- und Emissionsschichten in eine Hochvakuumkammer (ca. 5 × 10⁻⁵ MPa) eingebracht.

Nach der Beschichtung wird das Panel einer Funktions- und Sichtprüfung unterzogen, der Polarisator wird angebracht und anschließend wird es zusammengebaut.

Zur Grundausstattung gehören:

• Substrattransfersysteme
• Reinigungszubehör
• Verdampfungsmaschinen
• Spannmaschinen
• Alterungs- und Heilungssysteme

Das Herzstück der AMOLED-Herstellung ist die Vakuumverdampfung , bei der organische Materialien und Metallelektroden auf das LTPS-Substrat aufgebracht werden. Dieser Prozess erfordert hochspezialisierte Anlagen.

Aktuell gilt Canon Tokki (eine Canon-Tochtergesellschaft) weithin als Weltmarktführer im Bereich OLED-Aufdampfanlagen und besitzt eine nahezu monopolartige Stellung bei Anlagen zur Massenproduktion.

Modulmontageprozess

Im letzten Schritt wird das AMOLED-Panel zu einem gebrauchsfähigen Modul zusammengebaut.

Im Vergleich zu LCD-Modulen sind AMOLED-Module einfacher, da sie keine Hintergrundbeleuchtung oder Farbfilter benötigen.

Zu den grundlegenden Schritten gehören:

• Plattenzuschnitt, Reinigung und Trocknung
• ACF-Anhang
• COG-, FOG- und TAB-Verklebung
• Elektrische Prüfung
• Schutzbeschichtung und Aushärtung
• Endmontage und Verpackung

Zur Grundausstattung gehören:

• Reinigungsmaschinen
• Schneidemaschinen
• ACF-Bonding-Maschinen
• COG/FOG/OLB-Verbindungsgeräte
• Alterungstestsysteme
• AOI-Inspektionssysteme

Technische und anwendungsbezogene Herausforderungen von OLED

OLED gilt weithin als die Zukunft der Displaytechnologie. Großflächige OLED-Panels – insbesondere solche mit Oxid-TFT-Technologie – stehen jedoch vor erheblichen Herausforderungen hinsichtlich Ausbeute, Kosten und Skalierbarkeit.

Zu den wichtigsten Hindernissen zählen:

• Großflächige Paneelfertigung
• Gleichmäßigkeit der Ablagerung organischer Materialien
• Zuverlässigkeit der Verkapselung

Herausforderungen bei großformatigen OLED-Panels

Bei LTPS-Prozessen ab der 5.5. Generation stoßen die Möglichkeiten aufgrund der Einschränkungen der horizontalen RGB-Bedampfung mit feinen Metallmasken (FMM) an ihre Grenzen. Mit zunehmender Panelgröße führt die Schwerkraft zu einem Durchhängen der Masken, was Farbmischungen und eine reduzierte Auflösung zur Folge hat.

Überlegungen zur Oxid-TFT-Technologie

Gängige Oxid-TFT-Strukturen umfassen:

• Koplanar
• Ätzstoppschicht (ESL)
• Rückseitenkanalätzung (BCE)

Koplanare Strukturen sind zwar einfacher, weisen aber Zuverlässigkeitsprobleme auf. BCE- und ESL-Strukturen bieten eine bessere Leistung und Ausbeute, wobei ESL die höchste Zuverlässigkeit auf Kosten der Prozesskomplexität bietet.

Oxid-TFTs reagieren empfindlich auf Licht und Wärme, was zu Verschiebungen der Schwellenspannung führt und die Prozessstabilität und -gleichmäßigkeit beeinträchtigt.

Herausforderungen bei der OLED-Farbgebung und -Abscheidung

OLED-Displays verwenden RGB-Subpixel, die mittels Vakuumverdampfung aufgebracht werden. Mit zunehmender Panelgröße wird es immer schwieriger, eine gleichmäßige Helligkeit und Farbbalance zu gewährleisten. Blaue OLED-Materialien haben eine kürzere Lebensdauer, was eine Kompensation erfordert, die die Farbgenauigkeit beeinträchtigen kann.

Gebogene und weiße OLED-Displays

Tandem-OLED-Strukturen ermöglichen hocheffiziente weiße OLEDs, die sich für Beleuchtung und Displays eignen. Allerdings weisen weiße OLEDs im Vergleich zu RGB-OLEDs eine geringere Farbsättigung und Farbreinheit auf und benötigen mehr als zehn Dünnschichtschichten, was eine extrem hohe Gleichmäßigkeit der Schichtdicke erfordert.

Zukunftsaussichten und konkurrierende Displaytechnologien

OLED, MicroLED und QLED gelten als Displaytechnologien der nächsten Generation. Alle drei verwenden selbstleuchtende RGB-Subpixel und können theoretisch eine Lichtausbeute von bis zu 95 % erreichen.

Aus fertigungstechnischer Sicht teilen sich diese Technologien etwa 70 % ihrer Ausrüstung und Prozesse, wodurch der Wettbewerb weniger nach dem Prinzip „Alles oder nichts“ ausfällt als in früheren Auseinandersetzungen zwischen LCD und Plasma.

Technologievergleich

• OLED: Ausgereiftes Ökosystem, flexibel, aber begrenzte Lebensdauer und Stabilität
• QLED: Anorganische Werkstoffe mit ausgezeichneter Langlebigkeit, deren Herstellung in großem Maßstab jedoch schwierig ist.
• MicroLED: Höchstes Effizienz- und Helligkeitspotenzial, jedoch extrem anspruchsvolle Massentransfer- und Montageprozesse

MicroLED bietet eine überlegene Energieeffizienz und Helligkeitsdichte und benötigt für die gleiche Helligkeit nur etwa 10 % der emittierenden Fläche im Vergleich zu OLED.

Der zukünftige Gewinner unter OLED, MicroLED und QLED wird letztendlich nicht allein durch Leistungskennzahlen bestimmt, sondern durch technische Machbarkeit, Fertigungsausbeute, Kosteneffizienz und langfristige Zuverlässigkeit bei der Massenproduktion.

Trotz seiner Einschränkungen erfüllt OLED bereits die praktischen Anforderungen der Unterhaltungselektronik und ist nach wie vor eine dominierende Kraft in der heutigen Displayindustrie.