Vergleich der Display-Technologien OLED und LCD durch eine Nutzwertanalyse unter Berücksichtigung der Darstellungsqualität und des Stromverbrauchs

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1 Einleitung

1.1 Motivation

In der heutigen Zeit erleichtern technische Geräte den Alltag, bieten Unterhaltung und schaffen Arbeitsplätze. Die meisten dieser Geräte benötigen eine Möglichkeit, dem Benutzer Informationen mitzuteilen, wofür häufig Displays in unterschiedlichen Größen eingesetzt werden.

Die Anforderungen an ein Display sind abhängig vom Produkt bzw. Einsatzgebiet, weswegen hierfür auch eine Vielzahl verschiedener Technologien mit unterschiedlichen Eigenschaften zur Verfügung steht. Die OLED-Technologie (organische, lichtemittierende Diode) ist derzeit eine stark gefragte Alternative zu den bislang viel eingesetzten LCDs (eng: liquid crystal display / deu: Flüssigkristallbildschirm), Röhren-Monitoren und LED-Anzeigen. Was sich hinter dieser Technologie verbirgt und wie sie sich im Vergleich zu den bislang am häufigsten eingesetzten LCDs (57% Displaymarktanteil in 2006^[1]) beweisen kann, soll in dieser Ausarbeitung untersucht werden.

1.2 Aufbau

Für den Vergleich der OLED-Displays mit den LCDs wird eine NWA (Nutzwertanalyse) durchgeführt. Deren Bedeutung und Herkunft ist im Kapitel 2.1 erklärt. Im Anschluss wird erläutert, wie das menschliche Auge Farben wahrnehmen kann und wie Farben überhaupt entstehen. Weiterhin folgt im Unterkapitel 2.3 eine Erklärung, was für eine Aufgabe die Matrix in Displays übernimmt und welche Arten es gibt.

Nach den Grundlagen erfolgt die Vorstellung der Alternativen im Kapitel 3 mit anschließender Erklärung der Funktionsweise. Weiterhin wird auf Besonderheiten wie bspw. die Backlighttechnologien bei den LCDs eingegangen.

Im Anschluss an dieses Kapitel erfolgt die Festlegung der Analysekriterien mit einer Zusammenfassung als Bewertungstabelle.

Die Analyse der Alternativen auf Übereinstimmung mit den Kriterien folgt anschließend im Kapitel 5. Am Ende des Kapitels erfolgt eine Zusammenfassung der Ergebnisse in einer Auswertungstabelle. Eine Analyse der Ergebnisse ist im Kapitel 6 vorzufinden.

Zum Abschluss wird im Kapitel 7 eine Zusammenfassung der Ausarbeitung durchgeführt.

1.3 Zielsetzung

In dieser Ausarbeitung soll die LCD-Technologie mit der OLED-Display-Technologie verglichen werden. Die Schwerpunkte sind dabei im Bereich der Darstellungsqualität und im Strombedarf (umgangssprachlich: Stromverbrauch) zu legen, da dies angeblich die großen Vorteile der OLED-Display-Technologie sein sollen^[2][3][4]. Weiterhin soll eine Sensitivitätsanalyse die ermittelten Ergebnisse auf Schwächen bei der Gewichtungsfestlegung untersuchen.

2 Grundlagen

2.1 Nutzwertanalyse

Bei der NWA handelt es sich um ein Verfahren zur Bewertung von Handlungsalternativen. Die Erkenntnisse aus diesem Verfahren sollen bei einer subjektiven Entscheidung helfen und die Alternative ermitteln, die den größten Nutzwert aufweist. Je größer der Nutzwert ist, desto höher ist die Tauglichkeit zur Bedürfnisbefriedigung. Die NWA kommt bei Vergleichen zum Einsatz, bei denen die ausgewählten Kriterien nicht messbar sind und eine Bewertung der Alternativen durch Präferenzen des Bewertenden verfälscht werden könnte.

Im Jahr 1976 beschrieb Christoph Zangenmeister die Nutzwertanalyse als

»[...] die Analyse einer Menge komplexer Handlungsalternativen mit dem Zweck, die Elemente dieser Menge entsprechend den Präferenzen des Entscheidungsträger bezüglich eines multidimensionalen Zielsystems zu ordnen. Die Abbildung dieser Ordnung erfolgt durch die Angabe der Nutzwerte (Gesamtwerte) der Alternativen.«^[5]

2.2 Farben und deren Wahrnehmung

2.2.1 Das Menschliche Auge

Das Licht trifft als elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen auf die Sinneszellen der menschlichen Augen. Jede Wellenlänge repräsentiert dabei eine Farbe, die aufgrund von sinnesphysiologischen Vorgängen von jedem Menschen anders wahrgenommen wird. Zur einheitlichen Bezeichnung von Farben bedarf es deshalb physikalischer Hilfe. Die messtechnische Erfassung und Einteilung von Farben wird als Farbmetrik bezeichnet und beruht auf den physikalischen Grundlagen der Strahlung und den Wellenlängen^[6].

Der für das menschliche Auge wahrnehmbare Bereich liegt zwischen 380 nm und 750 nm^[7]. Über 750 nm beginnt der Infrarot-Bereich, welcher bspw. Temperaturunterschiede sichtbar macht. Anschließend folgen Radiowellen, Fernsehwellen und lange Radiowellen. Diese Wellenlängen werden in der Nachrichtentechnik als elektrischeWellen bezeichnet. Im Bereich unter 380 nm beginnt der Bereich der Ultra-Violetten-Strahlung gefolgt von der Röntgen- und Gammastrahlung^[8].

Ob Farben heller oder dunkler erscheinen, hängt von der Adaption des Auges ab. Damit ist das Verfahren zur Anpassung der Pupille an das Umgebungslicht gemeint. Je heller die Umgebung ist, desto mehr schließt sich die Iris und der Pupillendurchmesser wird verkleinert. In dunkler Umgebung öffnet sich die Iris komplett und die Pupille weitet sich^[9].

Das menschliche Auge kann mithilfe der Stäbchen Schwarz-Weiß und Kontraste wahrnehmen, währenddessen die Zapfen, welche sich nur im Zentrum der Retina im gelben Fleck befinden, für das Farbsehen verantwortlich sind. Für die Wiedergabe von Farben auf Displays ist dabei entscheidend, dass es drei verschiedene Zapfen-Typen gibt^[10]:

• S-Zapfen - decken den Blaubereich ab (ca. 430 nm)
• M-Zapfen - sind für den Grünbereich (ca. 530 nm)
• L-Zapfen - reagieren im Rotbereich (ca. 560 nm)

Wenn Licht in einer bestimmten Wellenlänge auf die Retina mit den Zapfen trifft, werden diese unterschiedlich stark angeregt. Das Gehirn ermittelt aus diesen Informationen die entsprechende Farbe. Dies funktioniert auch, wenn drei eng aneinanderliegende Strahlen mit unterschiedlichWellenlängen gleichzeitig auf die Retina treffen. Dadurch sind Farbdisplays möglich^[11].

2.2.2 Farben und deren Mischung

Zur Produktion der Wellenlänge einer Farbe werden drei linear voneinander unabhängige Farben benötigt (Erstes Graßmannsches Gesetz)^[12]. Diese drei Farben werden gemischt und durch Reduktion bzw. Erhöhung des Anteils einer Farbe entsteht eine andere Farbe. Eine linear voneinander unabhängige Farbe ist dann gegeben, wenn die Farbe sich nicht aus den anderen Beiden mischen lässt. Bei den drei Farben Grün, Gelb und Rot sind Grün und Rot unabhängig, allerdings lässt sich Gelb aus Rot und Grün mischen. Die Kombination RGB (Rot, Grün und Blau) und CMY (Cyan, Magenta und Yellow) würde funktionieren. Die Festlegung der drei Farben ist aber nicht ausreichend, denn die Art der Mischung muss ebenfalls berücksichtigt werden. Hierbei wird in additiver Farbmischung und subtraktiver Farbmischung unterschieden^[13].

In Anlehnung an SCHENK / RIGOLL (2010), S. 51
Abbildung 1: additive Farbmischung Links - subtraktive Farbmischung Rechts

Bei der additiven Farbmischung wird RGB eingesetzt. Die drei Farbquellen überlagern sich mit gleicher Leuchtstärke und werden vollständig von den beleuchteten Oberflächen reflektiert. Dabei entsteht im Zentrum der drei Lichtkegel ein Schnittbereich aller drei Farben mit der Zielfarbe Weiß. In den Schnittbereichen von zwei benachbarten Kegeln entstehen die Sekundärfarben Yellow, Magenta und Cyan. Leuchten die drei Farbquellen mit unterschiedlichen Stärken, dann entstehen verschiedene Ziel- und Sekundärfarben^[14].

Die subtraktive Farbmischung nutzt CMY und verwendet die Oberflächeneigenschaft von Materialien zur Absorbierung von bestimmten Primärfarben. Ausgangspunkt dieser Methode ist eine weiß beleuchtete Oberfläche, auf welcher überlappende Farbpigmente der drei Mischfarben aufgebracht sind. Bei der Reflektion werden der weißen Lichtquelle die Wellenlängen entfernt, die auf der Oberfläche aufgetragen sind. Dadurch entsteht im Zentrum der Überlappung aller drei Farben die Farbe schwarz und in den Sekundärbereichen die Farben Rot, Gelb und Blau^[15].

In der Abbildung 1 ist schematisch die additive und die subtraktive Farbmischung dargestellt.

Auf Basis der RGB-Mischung wurde 1931 das CIE-Farbmaßsystem (Commission Internationale d’Éclairage) durch die Internationale Beleuchtungskommission erstellt. In diesem Farbmaßsystem erfolgt eine Zuordnung und damit Standardisierung der Farbnamen zu den passenden Wellenlängen^[16]. In der Anlage 8 sind weitere Informationen enthalten.

2.3 Pixel und deren Ansteuerungs-Matrix

Ein Display besteht aus vielen einzelnen Punkten und jeder kann genau eine Farbe gleichzeitig aus der Farbpalette des Displays darstellen. Ein solcher Punkt wird als Pixel bezeichnet und besteht aus drei Subpixeln^[17]. Je nach Art des Displays (Überlagerung oder Absorbierung von Farben) kommt die additive oder substraktive Farbmischung zum Einsatz (siehe 2.2.2). Die Anzahl der Farben (Wellenlängen), die ein Pixel darstellen kann, ist von der Präzision der Elektronik abhängig, die die Spannungsversorgung und damit Helligkeit der Subpixel ansteuert^[18].

Damit ein Bild auf dem Display dargestellt werden kann, müssen die Subpixel über eine Matrix angesteuert werden. Sie ist ein Gitterkonstrukt aus vertikalen und horizontalen Leiterbahnen zur Ansteuerung und Stromversorgung der Subpixel. Es existieren die zwei Varianten PM (Passive Matrix) und AM (Aktive Matrix, welche sich im Aufbau und der gezielten Ansteuerungsmöglichkeit unterscheiden^[19].

Jedes Subpixel befindet sich auf einem Kreuzungspunkt der horizontalen und vertikalen Leiterbahnen^[20]. Bei einem Gitter mit 30 Spalten (x) und 10 Zeilen (y) können demnach 300 Subpixel angesteuert werden. Da aber ein Pixel aus drei Subpixeln besteht, welche bspw. nebeneinander angeordnet sind, stehen nur 100 Pixel zur Verfügung (Auflösung 10px mal 10px).

Die Anzahl an Zeilen und Spalten wird bei der Entwicklung und Produktion des Displays fest vorgeben, wodurch eine nicht veränderbare Pixelauflösung entsteht. Sie wird als native Auflösung bezeichnet. Bei der Darstellung von Bildern mit einer interpolierten (geringeren) Auflösung werden mehrere Pixel zu einem Pixel zusammengefasst. Bei einer höheren Auflösung kann ein Informationsverlust durch Auslassung von Pixeln entstehen^[21].

2.3.1 Passive Matrix

Eine PM ist ein einfaches Konstrukt aus einem Gitter, wobei sich zwischen den horizontalen und vertikalen Leiterbahnen die farbproduzierende bzw. lichterzeugende Elektronik befindet. Die Spannungsversorgung wird bei den horizontalen Drähten von der y-Richtung-Steuerung und bei den Vertikalen von der x-Richtung-Steuerung geregelt. Mittels serieller Verbindungen können die Steuerungen die einzelnen Drähte ansprechen (siehe Abbildung 2)^[22].

Die Adressierung eines Subpixels erfolgt zeilenweise. Zuerst wird eine Spannung auf die Leiterbahn der Zeile gelegt und anschließend eine Spannung auf die zugehörige Spaltenleiterbahn. Am Kreuzpunkt beider Leiterbahnen befindet sich das zu versorgende Subpixel, welches sich ähnlich wie ein Kondensator verhält. Es lädt sich kurz auf und gibt dann Strahlung ab. Nach Wegfall der Spannung nimmt diese ab und die Strahlungsintensität verringert sich, bis das Subpixel seinen natürlichen Zustand erreicht hat^[23].

Sobald eine Leiterbahn unter Spannung ist, baut diese ein elektrisches Feld auf der gesamten Länge auf und induziert in benachbarte Bahnen eine geringe Spannung. Dadurch können sichtbare Störlinien auf dem Display entstehen. Weiterhin ist nur eine geringe Bewegungsauflösung möglich, da der zeilenweise Aufbau eines Bildes viele Zugriffe benötigt, um ein komplettes Bild darzustellen^[24].

2.3.2 Aktive Matrix

Die Verwendung einer AM in einem Display gleicht die Nachteile der PM durch zusätzlichen Einbau eines Transistors und eines Kondensators an jedem Kreuzungspunkt aus (siehe Abbildung 2). Mithilfe dieser zwei Komponenten können die Subpixel gezielt ein- und ausgeschaltet werden. Dabei ist die Verwendung von herkömmlichen Transistoren und Kondensatoren aufgrund der flachen Bauweise der Displays allerdings nicht möglich, weshalb die Dünnschicht-Technik zum Einsatz kommt. Diese Technik hat den Displays den Namen TFT (eng: Thin Film Transistor / deu: Dünnfilmtransistor) eingebracht. Eine Nutzung des Displays wäre auch ohne Kondensator möglich, würde aber für ein Halten des Bildes sehr schnelle Ansteuerungszeiten benötigen, da die Eigenkapazität der farbproduzierenden bzw. lichterzeugenden Elektronik, im Falle eines LCD bspw. die Flüssigkristalle, nur sehr gering ist^[25].

Wie bei der PM erfolgt die Adressierung zeilenweise. Zur Ansteuerung eines Subpixels wird zuerst auf die Zeilenleiterbahn (Scan Bus) eine Spannung gelegt, welche mit den TFT-Gates der Subpixel auf dieser Zeile verbunden ist. Anschließend wird eine Spannung auf die zugehörige Spaltenleiterbahn (Daten Bus) gelegt, welche eine Verbindung mit den TFT-Source-Anschlüssender Subpixel hat. Die Source-Drain Strecke des TFT am Kreuzungspunkt von Zeile und Spalte wird niederohmig. Dadurch wird eine Spannung von der Spaltenleiterbahn über die Drainverbindung des TFT an den Kondensator zugelassen. Parallel zum Kondensator ist das Subpixel angeschlossen, welches auch eine Verbindung zum Drain hat^[26][27]. Zum Schließen des Stromkreises besitzt das Subpixel eine Verbindung zur Kathode^[28].

In Anlehnung an Hering / Martin (2005), S. 473 und BSI (2007), S. 144
Abbildung 2: vereinfachter, schematischer Aufbau einer Passiv- und einer Aktiv-Matrix am Beispiel LCD und OLED: TFT₁ Schalttransistor; TFT₂ Ansteuertransistor; C_St Speicherkondensator; A Anode; K Kathode

Bei OLED-Displays reicht ein TFT pro Subpixel für eine stabile Ausgangsspannung nicht aus, weswegen mindestens zwei TFTs und eine Versorgungsleitung eingesetzt werden. Einige Hersteller setzen vier TFTs ein, um so eine gleichmäßige Helligkeit erzeugen zu können. Dies bewirkt allerdings, dass die Herstellungsverfahren komplexer und die Ausschussraten höher werden. Weiterhin verdunkelt eine höhere Anzahl an TFTs das Display, denn das Licht kann diese nicht durchdringen. Eine Lösung dafür sind topemittierende OLEDs, bei der das Licht in die entgegengesetzte Richtung abgestrahlt und somit vom TFT nicht blockiert wird^[29].

3 Vorstellung der Alternativen

In Anlehnung an SCHWANECKE (2005), S. 10
Abbildung 3: Einteilung von Bildwiedergabegeräten

Die LCD- und OLED-Displays gehören in den Bereich der elektronischen Bildwiedergabe-Geräte, zu deren Vertretern auch die klassischen CRT-Monitore (eng: Cathode Ray Tube / deu: Kaltkathodenröhre) und die Beamer gehören. Diese Geräte können in verschiedene Bereiche eingeteilt werden, wie bspw. in Abbildung 3 dargestellt. Die Unterteilung erfolgt in diesem Beispiel nach der Art der Bildansicht und wie die erzeugten Bilder sichtbar werden. Wie in Kapitel 2.2.2 beschrieben sind Farben Wellenlängen, die nur mit Licht transportiert werden können. Aus diesem Grund ist entscheidend, ob ein Display mit der Bilderzeugung auch Licht emittiert oder ob es dafür das Umgebungslicht nutzt bzw. durch eine Sekundärquelle Licht erzeugen lässt. Aus der verwendeten Beleuchtungsmethode resultieren Eigenschaften wie Farbvalenz, Blickwinkel und Strombedarf, auf die in folgenden Kapiteln näher eingegangen wird^[30].

3.1 LCD

3.1.1 Beschreibung

Die Hauptbestandteile Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bilden die Basis für Flüssigkristalle^[31]. Sie wurden 1888 von T. Reinitzer entdeckt, als dieser feststellte, dass Cholesterin-Benzonat bei 145°C schmilzt, aber nicht direkt in einen flüssigen Zustand übergeht. Erst bei 179°C wurde das Gemisch klar und durchsichtig^[32].

Flüssigkristalle sind organische, längliche Kristallmoleküle^[33]. Im Jahr 1963 wurde festgestellt, dass diese Kristalle mithilfe von elektrischer Spannung im elektrischen Feld ausgerichtet werden können und dadurch die Lichtdurchlässigkeit verändert werden kann. Aufgrund dieser Entdeckung konnte 1967 das erste LCD in einem Labor gebaut werden. In den darauffolgenden Jahrzehnten wurden die Produktionsmethoden und die Technologie verfeinert, wodurch bessere und kostengünstigere LCDs entstanden. Im Jahr 2007 betrug die weltweite LCD-Produktion 400 Mio. Stück^[34].

3.1.2 Aufbau und Funktionsweise

Das Funktionsprinzip eines LCDs ist unabhängig von der Konstruktion des Displays. Die LC-Schicht (eng: liquid crystal / deu: Flüssigkristall) funktioniert als Lichtventil und je nach Ausrichtung der Polarisationsfilter ist das Display unter Spannung hell oder dunkel. Da bei dauerhafter Gleichspannung elektrolytische Vorgänge in den Flüssigkristallen stattfinden, muss bei jedem neuen Bildaufbau die Polarität der Source-Spannung geändert werden. Die Funktionsweise und der grundlegende Aufbau werden anhand der TN-Konstruktion (Twisted-Nemantic) erläutert^{[35][36][37][38]}:

Ein TN-Display besteht aus 10 Schichten sowie einer Eingangs- und einer Ausgangsstrahlung^[39]. Die nachfolgende Beschreibung der Schichten basiert auf der Abbildung 4.

Abbildung 4: Aufbau und Funktionsweise der TN-Zelle im Normally-White-Modus: 1 unpolarisiertes, weißes Licht; 2 Polarisationsfilter P1; 3 Glassubstrat G; 4 ITO-Anode; 5 Orientierungsschicht O1; 6 Flüssigkristallmolekül; 7 Orientierungsschicht O2; 8 ITO-Kathode; 9 Farbfilter; 10 Polarisationsfilter P2; 11 polarisiertes, farbiges Licht

Das Display benötigt eine externe Lichtquelle, die unpolarisiertes, weißes Licht produziert. Diese Eingangsstrahlung trifft auf einen gerillter Polarisationsfilter (P1). Dieser lässt nur die Lichtanteile durch, die in Rillenrichtung polarisiert sind. Direkt im Anschluss passiert die gefilterte Strahlung ein Glassubstrat (G) und danach die ITO-Anode (Indium Tin Oxide), welche transparent und leitfähig ist. Sie verbindet die Flüssigkristalle, welche in Zellen für die einzelnen Subpixel angeordnet sind, mit der Matrix (siehe 2.3). In der darauffolgenden Orientierungsschicht (O1) verankern sich die Molekühle in mikroskopischen Rillen. An diesen Molekühlen hängen weitere Molekühle, die aber nicht vollständig parallel zur Orientierungsschicht liegen, sondern sich leicht verdreht anordnen und eine Helix-Form (Wendeltreppe) zur zweiten Orientierungsschicht (O2) bilden^[40].

Die Moleküle befinden sich in der LC-Schicht, welche zusätzlich mit Abstandshaltern versehen ist. Diese gewährleisten eine gleichmäßige Dicke der Kristallschicht, die für eine gleichbleibende Ausleuchtung und Farbqualität des Displays unabdingbar ist.Weiterhin bewirken diese bei Temperaturschwankungen eine konstante Dicke, da die Flüssigkristalle bei Temperaturen unter 25°C sich zusammenziehen und bei höheren Temperaturen ausdehnen. Vor allem Temperaturen größer als 50°C bzw. bei bestimmten Flüssigkristallen größer als 70°C sind ein Problem, da bei Überschreitung des Schmelzpunktes die kristalline Struktur aufgelöst wird und damit die Lichtventilfunktion nicht mehr gegeben ist^[41][42].

Die zweite Orientierungsschicht besitzt um 90° gedrehte Rillen, da das Licht beim Transport durch die Flüssigkristallschicht aufgrund der Drehung in der Verkettung der Molekühle ebenfalls um 90° verdreht auf diese Schicht trifft. Direkt im Anschluss folgt die ITO-Kathode, welche den Stromkreis schließt (siehe 2.3.2)^[43].

Die weiße Eingangsstrahlung, welche durch den Polarisationsfilter (P1) polarisiert wurde, durchdringt anschließend eine Farbfilterschicht, die nur die Wellenlänge des Lichts passieren lässt, die ein Subpixel haben soll. Diese Schicht besteht deshalb aus vielen kleinen Filtern, die die drei benötigten Farben (siehe 2.2.2) aus dem Licht herausfiltern. Danach muss das farbige, polarisierte Licht eine weitere Glassubstratschicht passieren und erneut durch einen zum ersten Polarisationsfilter um 90° gedrehten Polarisationsfilter durchdringen. Diese Technik ist der "Normally White Modus", bei dem im spannungslosen Zustand das Licht durch das Display emittieren kann^[44].

Sobald eine Spannung angelegt wird, baut sich ein elektrisches Feld von der Anode in Richtung der Kathode auf und die Flüssigkristalle, die sich dazwischen befinden, ordnen sich in Richtung des Feldes. Die Verankerung in den Rillen der Orientierungsschichten bleibt allerdings erhalten, was bewirkt, dass das Licht nicht mehr gedreht und aufgrund der falschen Ausrichtung am zweiten Polarisationsfilter geblockt wird. Das Display bzw. das entsprechende Subpixel ist dunkel^[45]. Da ein Display nicht nur ganz hell und ganz dunkel ist, sondern dazwischen auch die Grautöne liegen, kann über die Höhe der Spannung die Ausrichtung der Molekühle reguliert werden. Üblich sind 0 bis 5V Spannung, wobei 5V das Subpixel dunkel schalten^[46].

Eine andere Möglichkeit ist der "Normally Black Modus". Hier ist der zweite Polarisationsfilter genauso ausgerichtet, wie der erste, was dazu führt, dass das Licht im spannungslosen Zustand aufgrund der Drehung geblockt wird. Durch anlegen einer Spannung wird die Drehung entfernt und das Licht kann das Display passieren^[47].

Neben der TN-Konstruktion gibt es auch STN (Super-Twisted-Nematic), bei der die Verdrehung zwischen 90° und 270° liegt. Dadurch kann das Licht mit sehr geringen Spannungsveränderungen und -intervallen angesteuert werden, was die Schaltgeschwindigkeiten erhöht^[48]. Eine weitere Konstruktion ist die IPS-Technologie (In-Plane-Switching), bei der der Blickwinkel erhöht werden kann, ohne die Kontraste zu verschlechtern. Dafür wird der Normally-Black-Modus eingesetzt und die Kathode und Anode befinden sich auf dem ersten Glassubstrat. Beim Anlegen einer Spannung bauen sich die elektrischen Feldlinien mit einer parallelen Anordnung zum Glassubstrat auf. Dies bewirkt, dass sich die Kristallmoleküle ebenfalls parallel zum Glassubstrat ausrichten und das Licht elliptisch polarisieren. Durch die Ellipsen wird der Lichtstrahl breiter und ist aus größeren Blickwinkeln zu sehen^[49].

3.1.3 Backlighttechnologien für LCD

Wie aus dem vorhergehenden Kapitel 3.1.2 erkennbar, ist die LCD-Technologie auf eine externe Lichtquelle angewiesen, um ein Bild sichtbar zu machen. Je nach Größe, Einsatzzweck und gewünschter Qualität im Bereich der Farben und des Strombedarfs existiert eine Auswahl an Techniken. Bei allen Techniken gilt, dass das abgegebene Weißlicht kräftig genug sein muss, um die verschiedenen Schichten zu durchdringen und kräftige Farben zu erzeugen. Auf eine Auswahl wird in folgenden Abschnitten eingegangen:

3.1.3.1 Reflektive Drehzellen

Diese Technik nutzt das Umgebungslicht aus und kommt ohne lichterzeugende Technik aus. Das Licht passiert die in Kapitel 3.1.2 beschriebenen Schichten rückwärts (beginnend mit Polarisationsfilter 2) und wird hinter dem Polarisationsfilter 1 von einem metallischen Reflektor ohne Veränderung des Polarisationszustandes reflektiert. Das reflektierte Licht passiert dann alle Schichten nochmals und das Display ist ablesbar. Dieses Verfahren kommt bei einfachen 7-Segment-Anzeigen zum Einsatz, wie bspw. Armbanduhren und Taschenrechnern. Bei größeren Displays würde das Umgebungslicht keine gleichmäßige Ausleuchtung bewirken^[50].

Durch die Erweiterung um eine schwache Lichtquelle (bspw. LEDs) und Verdoppelung aller Subpixel (für jede reflektive Zelle eine Transmissive) können diese Displays auch in dunkler Umgebung abgelesen werden^[51]. Dieses Variante findet bei Schwarz/Weiß-Monitoren Einsatz^[52].

3.1.3.2 CCFL

Die CCFL (engl. Cold-Cathode-Fluorescence-Light / deu: Kaltkathoden-Leuchtstoffröhre) ist vergleichbar mit Leuchtstoffröhren. Sie können auf zwei Arten ein LCD mit unpolarisiertem, weißem Licht versorgen. Die erste Variante ist die Kantenbeleuchtung. Die CCFL befindet sich hierfür an den Rändern des Displays und verteilt das Licht über angeschlossene Lichtleiter, welche hinter dem LCD verteilt sind. Für eine höhere Effektivität befindet sich hinter den Lichtleitern eine reflektierende Folie und zwischen den Leitern und dem LCD ist eine Streuscheibe angebracht. Diese gewährleistet eine gleichmäßigere Ausleuchtung^[53].

Die zweite Variante ist die Direktbeleuchtung. Dafür sind mehrere CCFL hinter dem LCD angebracht. Zwischen dem LCD und den CCFL ist für eine bessere Ausleuchtung ebenfalls eine Streuscheibe eingebaut^[54].

3.1.3.3 LED

Eine Hintergrundbeleuchtung mit LEDs ist aufgrund der Anforderung von unpolarisiertem, weißem Licht nur mit einem höheren Aufwand als bei Umgebungslicht- und CCFLBeleuchtung möglich. Es gibt keine Einzel-LEDs, die diesen Anforderungen direkt gerecht werden, weswegen zwei Möglichkeiten zur Umsetzung existieren. Bei der ersten Variante werden blaue LEDs benutzt, vor denen eine gelb fluoreszierende Folie (bspw. Phosphor) angebracht ist, wodurch eine Pseudo-White-LED entsteht. Bei der zweiten Variante werden drei LEDs der Farben Rot, Grün und Blau zusammen benutzt. Dadurch entsteht weißes Licht. Bei beiden Varianten werden viele LEDs in Matrix-Form hinter dem LCD angebracht. Durch Einbau einer Steuerelektronik ist es dann möglich, Bereiche des LCD abzudunkeln, wodurch bessere Schwarzwerte erzielt werden können (siehe 4.1.1)^[55].

3.2 OLED

3.2.1 Beschreibung

Die OLEDs haben Ihren Ursprung in der Solarzellenforschung. In einem Forschungslabor von Kodak wurde 1979 die Elektrolumineszenz bei der Arbeit an Solarzellen von Chin Tang entdeckt. Er beobachtete ein blaues Leuchten bei einem organischen Material und acht Jahre später baute er mit Steve van Slyke die ersten OLEDs auf Basis von kleinen Molekülen. Im Jahr 1990 wurde zusätzlich auch bei Polymeren eine Elektrolumineszenz entdeckt^[56][57].

Aus diesen beiden Entwicklungen haben sich zwei Typen von OLEDs entwickelt. Die SM-OLED (small molecule) basieren auf der Entdeckung von Tang, während die P-OLED (Polymer-OLED, auch PLED) von der Cambridge Display Technology stammen^[58][59].

Die OLED-Displays gehören zu den emittierenden Displays, da das Licht beim Anlegen einer Spannung aufgrund von chemischen Reaktionen durch Aussendung von Photonen entsteht. Derzeit werden kleine Displays bspw. für Handys, Kameras und Autoradios gebaut^[60]. Die ersten Produkte mit größeren Displays sind mittlerweile ebenfalls anzutreffen. Ein Beispiel ist der Hersteller Sony, der seit 2007 die ersten OLED-Fernseher produziert^[61]. Im Jahr 2006 betrug laut einer Prognose von Stanford Resources der Anteil der OLEDs 2% am gesamten Flachbildschirmmarkt^[62].

Das Auftragen von SM-OLEDs auf Trägermaterialien geschieht durch Verdampfung der organischen Materialien im Vakuum. Durch ein Trägergas gelangen die verdampften Materialien zum Trägermaterial und werden darauf abgeschieden^[63]. Im Gegensatz zu den SM-OLEDs können P-OLEDs als Flüssigkeit auf das Trägermaterial gebracht werden. Hierfür stehen Spin-Coating-Verfahren und Printing zur Verfügung. Beim Spin-Coating wird eine geringe Menge der Flüssigkeit aufgetragen und anschließend durch schnelle Rotation des Trägermaterials gleichmäßig verteilt. Beim Printing können Rollen-Drucker und Tintenstrahldrucker eingesetzt werden^[64]. Die Produktion von P-OLEDs muss unter Schutzgas erfolgen, da Sauerstoff undWasserdampf die Lebenserwartung stark verringern. Deshalb erfolgt direkt nach der Trocknung der Flüssigkeit eine Verkapselung der P-OLEDs^[65][66].

3.2.2 Aufbau und Funktionsweise

Der schematische Aufbau von SM- und P-OLEDs ist identisch: Als Kathode wird meistens Aluminium verwendet. Auf der Kathode folgt eine Elektronen-Transportschicht, auf der sich die Emissionsschicht (entweder Small-Molecule oder die Polymere) befindet. Diese ist für die spätere Lichterzeugung zuständig. Anschließend folgt eine transparente Lochtransportschicht, die die Effektivität steigert. Die Anode aus ITO ist auf dieser Schicht aufgetragen und mit dem Trägermaterial (bspw. Glas) verbunden^[67][68][69]. Die Abbildung 5 stellt diesen Aufbau dar und erläutert vereinfacht die Funktionsweise.

In Anlehnung an CDTLTD.CO.UK (2010A)
Abbildung 5: Aufbau und Funktionsweise einer OLED: 1 Kathode; 2 Elektronentransportschicht; 3 Emissionsschicht; 4 Lochtransportschicht; 5 Anode; 6 Trägermaterial (bspw. Glas); 7 wahrgenommene Farbe (hier 128 Teile Blau und 255 Teile Rot)

Für die Entstehung von farbigem Licht erfolgt nach dem Anlegen einer Spannung ein physikalischchemischer Prozess: Zwischen der Anode und Kathode baut sich ein elektrisches Feld auf. Je dünner die Schichten dazwischen sind, desto weniger Spannung wird benötigt. Derzeit werden 3-5 Volt eingesetzt. Die Kathode setzt Elektronen frei, welche über die Elektronen-Transportschicht in Richtung der Emissionsschicht wandern. Auf der anderen Seite injiziert die Anode "Löcher" in die Lochtransportschicht, welche die Löcher in Richtung Emissionsschicht leitet. Nachdem die Elektronen und die Löcher in die Emissionsschicht übergegangen und aufeinander getroffen sind, wird ein chemischer Prozess ausgelöst, der einen angeregten Zustand verursacht. Dieser Zustand überträgt sich auf die eindotierten Emittermoleküle, die dann Photonen, also Licht, freisetzen. Dieses Licht hat je nach verwendetem Material in der Emissionsschicht die gewünschte Wellenlänge (Farbe)^[70][71][72].

Die Kombination eines Lochs und eines Elektrons wird als Exziton bezeichnet. Der Anregungszustand stellt den Eigendrehimpuls des Elektrons (Elektronenspin) dar, welcher in vier möglichen Spinkombinationen auftreten kann. Dabei entsteht nur bei einer Art ein Singulett, welches sichtbares Licht emittieren kann; die anderen drei Arten sind Tripletts und geben Energie als Wärme ab. Der elektrische Wirkungsgrad ist deshalb auf 25% limitiert^[73].

Bislang galt die Annahme, dass bei Polymer-OLEDs Tripletts in Singuletts umgewandelt werden können, dies ist aber nicht der Fall, weswegen ein möglicher Vorteil ggü. SM-OLEDs nicht mehr gegeben ist. Bei SM-OLEDs kann durch Einbringung von molekularen Komplexen in die Farbstoffschicht ein Zerfall der Tripletts ausgelöst werden, bei dem Licht ausgestrahlt wird^[74].

3.2.3 Herausforderungen bei der Umsetzung von flexiblen Displays

Die Konstruktion von flexiblen OLED-Displays erfordert viel Fachwissen bei der Auswahl der Materialien. Dies ist notwendig, da der Folienverbund, der die OLEDs umgibt und von Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff abkapselt, starken, mechanischen Belastungen standhalten muss. Weiterhin sollten auch die richtigen Materialien für die Kathode und Anode ausgewählt werden, da das Display ansonsten nur eingeschränkt durchsichtig werden kann. Weitere Probleme sind die Ansteuerungsmatrix und die Temperaturfestigkeit^[75][76].

4 Analysekriterien und Gewichtung

4.1 Darstellungsqualität

Wie in Kapitel 2.2 beschrieben, sind Farben individuelle Sinneseindrücke, die bei jedem Menschen unterschiedlich ausfallen. Aus diesem Grund ist eine unabhängige Beurteilung der Darstellungsqualität, die ein Display erbringt, von einem Menschen nicht subjektiv durchführbar. Weiterhin gibt es für die Darstellungsqualität keine direkte Messgröße, weswegen dieses Kriterium in die messbaren Faktoren zerlegt wird, welche die Darstellung beeinflussen.

Ein grundlegender Faktor der Darstellungsqualität ist die Farbvalenz. Sie repräsentiert die direkte Wirkung von Farbreizen auf das Auge. Mithilfe der Farbmaßzahlen X (Rot), Y (Grün) und Z (Blau) lässt sich eine Farbvalenz eindeutig im CIE-Farbmaßsystem abbilden (siehe Anlage 8). Sie setzt sich dabei aus dem Farbton, dem Kontrast und der Helligkeit zusammen^{[77][78][79][80]}.

Je nach Einsatzgebiet des Displays sind auch die Auflösung, der Blickwinkel und die Geschwindigkeit maßgeblich an der Darstellungsqualität beteiligt.

4.1.1 Farbvalenz

4.1.1.1 Farbton / Farbtiefe

Die Anzahl der darstellbaren Farbtöne wird bei Displays durch die Anzahl der möglichen (Helligkeits-) Abstufungen vorgegeben. Diese resultieren aus der technischen Möglichkeit, wie fein die Matrix (siehe 2.3) die Subpixel ansteuern kann und wird als Farbtiefe angegeben. Die kleinstes Einheit ist 1 Bit für ein Schwarz/Weiß-Display, während mit mehr Bits Graustufen und Farben realisiert werden können. Aktuell sind 8 Bit je Subpixel üblich, womit 256 Helligkeitsabstufungen möglich sind (2⁸ je Kanal). Dadurch kann mit einem Pixel ein Farbbereich von 16,7 Mio Farbtönen realisiert werden (256³ je Pixel). In manchen Software-Anwendungen steht die Angabe 32 Bit, welche aus dem Bereich der subtraktiven Farben stammt und beim Farbraum CMYK anzutreffen ist. Hierbei können ebenfalls 16,7 Mio Farbtöne realisiert werden. Die zusätzlichen 8 Bit werden für die Keyfarbe (= Schwarz) eingesetzt, da aufgrund von Farbverunreinigungen in CMY kein reiner Schwarzton erzeugt werden kann^[81][82].

Je größer die Farbtiefe ist, desto mehr Farben kann ein Display also darstellen und umso genauer ist die naturgetreue Wiedergabe von Bildern möglich.

4.1.1.2 Kontrast / Kontrastverhältnis

Der Kontrast gibt an, wie groß der Helligkeitsunterschied zwischen einem eingeschalteten und einem ausgeschalteten Pixel sein kann (idR. zwischen Schwarz und Weiß) und wie viele Abstufungen dazwischen liegen. Hierbei ist ein möglichst hoher Wert besser, da die Beimischung von Weißanteilen in Farbtönen neue Farbtöne erzeugt und damit den Farbbereich des Displays vergrößert. Der Kontrast ist abhängig von der Leuchtintensität (bspw. beim LED-LCD von der LED-Hintergrundbeleuchtung und der Durchlässigkeit der LC-Schicht) und von der Möglichkeit des Displays, die Pixel schwarz anzeigen zu lassen^[83][84].

Die umgangssprachliche Bezeichnung "Kontrastverhältnis" ist hierbei eigentlich falsch, denn der Vergleich zweier Kontrastwerte von zwei Geräten ist das Kontrastverhältnis.

Es wird zwischen statischem und dynamischen Kontrast unterschieden. Ersterer ist der zuvor beschriebene Kontrast, während der dynamische Kontrast eine Namensgebung der Industrie ist. Er entsteht durch die Regulierung der Hintergrundbeleuchtung bei LCDs und erhöht dadurch künstlich den Kontrast. Der statische Kontrast ist aufgrund der eingesetzten Technologien derzeit auf 1:2.500 begrenzt, währenddessen bei dynamischen Kontrasten die Industrie mit 1:1.000.000 und mehr wirbt. Beide sind nicht miteinander vergleichbar, da der statische Kontrast bei Stand- und Bewegtbildern gleich bleibt, währenddessen beim dynamischen Kontrast der zusätzliche Kontrastbereich durch Hintergrundbeleuchtungsanpassung nur zwischen aufeinanderfolgenden Bildern einsetzt^[85].

Der Kontrast hat eine direkte Auswirkung auf die Anzahl der darstellbaren Farbtöne. Je größer also der statische Kontrast ist, desto mehr Farbtöne können realisiert werden.

4.1.1.3 Helligkeit

Das menschliche Auge kann Farben erst bei einer Leuchtdichte von über 10^-6 cd/m² wahrnehmen und wird ab 10⁴ cd/m² geblendet. Ein Display sollte dementsprechend dazwischen liegen. Damit die Wahrnehmung der Farben so erfolgt, wie das originale Bildmaterial dies vorsieht, muss das abgestrahlte Licht dem Umgebungslicht angepasst sein. In dunklen Räumen wird eine geringere Helligkeit benötigt, währenddessen helle Räume die Strahlung des Displays dämpfen und deswegen das Display heller strahlen muss^[86].

Damit ein Display bspw. auch bei Sonnenlicht genutzt werden kann, muss es eine hohe Leuchtdichte aufweisen. Display-Hersteller geben diesen Wert in Form der Helligkeit (Wert mit cd/m²) an.

4.1.2 Blickwinkel

Der Blick- oder auch Betrachtungswinkel ist lange ein Problem für die LCDs gewesen. Durch die eingesetzte TN-Technologie (siehe 3.1.2) wurden bei Schrägbetrachtung die Farbtöne verfälscht und die Kontrastwerte sanken. Durch Verbesserungen in der Konstruktion der Displays und Entwicklung neuerer Technologien (bspw. IPS-Panel bei LCDs) können höhere Blickwinkel realisiert werden. Dies ist bspw. bei Fernsehern wichtig, damit Personen, die keine direkte Einsicht haben, ebenfalls das Bild erkennen können. Es wird zwischen horizontalem und vertikalem Blickwinkel unterschieden^[87].

Je höher der Betrachtungswinkel ist, desto blickwinkelstabiler sind die Farben und desto universeller ist das Display einsetzbar.

4.1.3 Auflösung

Die Punktauflösung bei der visuellen Wahrnehmung entspricht bei einer Distanz von 50 cm rund 0,1 mm. Diese Auflösung wird durch die Größe der Zapfen im menschlichen Auge (rund 3 μm) definiert^[88]. Je weiter das menschliche Auge vom Display entfernt ist, desto größer können die Pixel sein, ohne dass die wahrgenommene Auflösung nachlässt. Es gilt also, je kleiner ein Pixel gebaut werden kann, desto näher kann der Betrachter am Display sitzen, ohne einen Qualitätsverlust festzustellen.

4.1.4 Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit eines Displays gibt an, wie schnell ein Pixel von einem hellen Zustand in einen Dunklen wechseln kann (auch Reaktionszeit genannt). Hierbei können drei Varianten gewählt werden: Weiß-Schwarz, Grau-Grau und Farbe-Farbe. Eine hohe Geschwindigkeit bei der Umschaltung ist bei sich schnell verändernden Bildern notwendig, da ansonsten ein "Schliereneffekt" auftritt. Damit sind ein unscharfes Bild und nachziehende Bilderartefakte gemeint, die sichtbar sind, obwohl teilweise schon ein neues Bild aufgebaut ist^[89].

Je schneller ein Pixel seinen Zustand ändern kann, desto besser.

4.2 Strombedarf

Der Strombedarf wird im Rahmen von Green-IT und steigenden Strompreisen immer wichtiger. Auch wenn es um Mobilität geht und ein Display über einen Akku versorgt wird, sind geringe Verbrauchswerte wichtig, um möglichst lange ohne externe Stromquelle auszukommen. Bei den Displays sind aber Abhängigkeiten zu beachten, denn die Effizienz zwischen Helligkeit und Kontrast im Vergleich zum Strombedarf muss beachtet werden. Entscheidend ist, wie viel Strom die Bilderzeugung und die Hintergrundbeleuchtung benötigen.

Es gilt, je weniger Strom benötigt wird, desto besser, da die Faktoren Helligkeit und Kontrast gesondert bewertet werden.

4.3 Lebensdauer

Aufgrund dessen, dass die OLED-Displays noch nicht lange auf dem Markt sind, fehlen Erfahrungswerte bzgl. Qualität und Haltbarkeit. Deshalb muss neben der Darstellungsqualität auch die Lebenserwartung beurteilt werden. Hierbei sollte während der Laufzeit eine konstante Bildqualität gewährleistet sein. Die Hersteller geben die Lebenserwartung in Stunden an. Als Ende der Lebenserwartung wird 50% der Anfangshelligkeit festgelegt, wobei die Laufzeit durch die Faktoren Umgebungstemperatur, Anfangshelligkeit und Kühlung beeinflusst wird.

4.4 Auswertungstabelle

Aus den beschriebenen Kriterien wurde die Bewertungstabelle 1 erstellt. Die entsprechende Punkteverteilung, die genauen Vergabekriterien und die Gewichtung können der Tabelle entnommen werden.

5 Vergleich der Alternativen

Aufgrund der vielfältigen LCD-Technologien in Bezug auf die Konstruktion der LC-Schicht und der genutzten Lichtquelle werden zwei Vertreter aus diesem Bereich gewählt. Im folgenden werden die Display-Konstruktionen CCFL-LCD mit TN, LED-LCD mit IPS und OLED miteinander verglichen. Auf Besonderheiten von SM-OLEDs und P-OLEDs wird, sofern Unterschiede bestehen, bei der Bewertung hingewiesen.

5.1 Darstellungsqualität

Im Bereich der darstellbaren Farbtöne sind alle drei Alternativen identisch. Dies resultiert aus der Farbmischung, die die Technologien nach dem selben Prinzip durchführen. Es werden aus drei Farben (siehe 2.2.2), welche durch die drei Subpixel realisiert sind, die gewünschten Farbtöne generiert. Wie viele Farbtöne möglich sind, hängt von der Matrix ab, die die Subpixel mit Spannung und Strom versorgt. Durch unterschiedliche Spannungen wird die Leuchtintensität eines Subpixels reguliert und damit auch der Farbanteil des Subpixels. Da alle drei Technologien eine Matrix benötigen, ist die Ausgangslage für diese gleich. Aus diesem Grund bekommen alle die maximal mögliche Punktzahl.

Im Bereich des Kontrastes und der Helligkeit weisen die LCD-Alternativen Schwachstellen auf. Diese entstehen durch die Anzahl der Schichten in der Konstruktion, die viel Licht dämpfen (bis zu 90% der Eingangsstrahlung^[90][91]) und damit auch den Kontrast technisch beschränken.

Die starke Hintergrundbeleuchtung bei CCFL-LCDs wirkt sich weiterhin nachteilig auf den Farbton "Schwarz" aus, denn selbst bei kompletter Sperrung der LC-Schicht dringt ein minimaler Lichtanteil mit 0,5 - 1 cd/m²^[92][93] durch, welcher bei dunkler Umgebung wahrgenommen wird^[94]. Hier kann die Hintergrundbeleuchtung nicht reguliert werden. Dieses Problem hat die Industrie durch die Verwendung von LEDs verbessert und den dynamischen Kontrast eingeführt (LED-LCDs). Hier kann die Beleuchtung dem Bildinhalt angepasst werden, wodurch diese Reststrahlung vermieden wird. Sowohl CCFL-LCDs als auch LED-LCDs können mit den derzeitigen Möglichkeiten Kontraste bis 1:2500 realisieren^[95]. Die Helligkeit bei CCFL-LCDs liegt bei 250 - 400 cd/m²^[96][97] und bei LED-LCD sind 500 cd/m² möglich^[98].

Die OLED-Technologie ist selbst emittierend und in der Lage, Schwarz und Weiß darzustellen, reguliert außerdem bei der Mischung eines Farbtons direkt die Helligkeit mit und kann Kontraste über 1:10.000 erreichen (bspw. 1:1.000.000 beim Sony XEL-1)^[99]. Die Helligkeit steht bei OLEDs in direktem Zusammenhang zur Lebensdauer, weshalb die meisten Hersteller 1.000 cd/m² erzeugen^[100], obwohl Werte von 100.000 cd/m² erzielt werden könnten^[101].

In der Effizienz der Strahlungsabgabe sind OLED-Displays um den Faktor 1,6 besser als LCDs. Die Helligkeit eines 150 cd/m² OLED-Display bspw. erreicht ein LCD erst mit 250 cd/m² Eingangsstrahlung^[102].

Der Vergleich der Blickwinkel ist schwierig, da die Hersteller Angaben zu den Winkeln machen, aber nicht veröffentlichen, welche Kontrast- und Helligkeitsverluste dabei auftreten. Generell gilt, dass ein Display 100% Kontrast und Helligkeit bei senkrechter Betrachtung auf die Bildschirmfläche bietet. Der angegebene Blickwinkel ist die Position, an der sowohl Kontrast als auch Helligkeit noch 1/10 der maximal möglichen Leistung aufweisen. Viele Hersteller von einfachen Displays geben die Winkel aber mit 1/5 an, ohne darauf hinzuweisen. Dies bewirkt bei den TN-Displays, dass diese auf dem Papier besser sind, als in der Realität. Normale CCFL-LCDs mit TN erreichen beim Grenzwert 1/10 H 130° und V 110° (Horizontal und Vertikal). Wenn ein solches TN-Display mit 1/5 angegeben wird, dann steigen die Werte auf bis zu 160° H und V^[103].

Bei den IPS-Displays können im  178° und im V 178° erreicht werden^[104]. Einen minimal größeren Blickwinkel mit bis zu 180° im H und V erreichen die OLED-Displays^[105].

Aufgrund der Möglichkeit, Polymer-OLED-Displays durch ein Druckverfahren zu produzieren, sind sehr feine Subpixel realisierbar, weswegen die Größe eines Subpixel 32 μm x 98 μm betragen kann. Zwischen den Subpixeln befindet sich ein Abstand von rund 10 μm, da die P-OLEDs flüssig aufgetragen werden (um Farbvermischung zu verhindern) und keine leitenden Verbindungen zwischen diesen vorliegen dürfen (sonst leuchtet mehr als ein Subpixel). Diese Größe entspricht 200 ppi (Pixel per Inch) und ist für kleine, sehr hoch auflösende Displays gedacht. Für Full-HDFernseher ist dagegen 90 ppi ausreichend^[106]. Da ein Pixel aus drei Subpixel besteht, würde ein P-OLED-Pixel somit eine Größe von rund 126 μm x 108 μm haben. Ein LCD-Subpixel wirkt dagegen mit 280 μm x 93 μm sehr groß, wobei die Subpixel direkt aneinander liegen und keine Zwischenräume brauchen. Ein Pixel ist dementsprechend 280 μm x 279 μm groß^[107]. Die Pixel- und Subpixelgröße bei LCDs variiert je nach Displaygröße, bleibt aber über 0,04 mm².

Ein Größenvergleich sowie ein Auflösungsbeispiel sind in Anlage 9 enthalten.

Bei der Geschwindigkeit von Flachbildschirmen geben die Hersteller meistens die Grau-Grau Zeit ohne die verwendete Messmethode an. Um zwei LCDs miteinander vergleichen zu können, muss deshalb entweder der Test selber durchgeführt werden oder aber auf Testergebnisse von professionellen Laboratorien zurückgegriffen werden. Die TN-Displays können derzeit bis zu 2 ms Umschaltzeit erreichen, während die IPS-Displays aufgrund der umfangreicheren Bewegungen in der LC-Schicht rund 5 ms benötigen^[108].

Da bei den OLEDs keine physikalischen Bewegungen stattfinden, sondern durch Energie-Transport und -Umwandlung direkt Strahlung erzeugt wird, sind diese mit 0,001 ms (1 μs) sehr schnell^[109].

5.2 Strombedarf

Die Betriebsspannung liegt bei LCDs und OLED-Displays zwischen 1 - 6 Volt. Bei reflektiven TN-LCDs ist der Strombedarf im μW-Bereich, während IPS-Displays aufgrund des benötigten, stärkeren elektrischen Feldes einen etwas höheren Strombedarf aufweisen^[110][111]. Erst durch den Einsatz einer Hintergrundbeleuchtung steigt der Strombedarf bei LCDs um ein vielfaches an.

Den größten Bedarf weist die CCFL-Backlighttechnologie auf, welche rund 30 W benötigt (je Röhre mit 30 mm Durchmesser und einem Meter Länge). Sie erzeugt zwischen 30 und 100 lm/W^[112], wobei mit zunehmender Laufzeit und Alter die Leuchtintensität abnimmt^[113]. Ein weiteres Problem ist die Ineffizienz der Röhren, denn diese strahlen in alle Richtungen rund um die Röhre ab und trotz Reflektoren geht ein Teil der Strahlung nicht in Richtung des LCD. Von 70 lm/W werden deshalb nur 42 lm/W genutzt^[114]. Dieses Problem tritt bei LEDs nicht auf, da diese zielgerichtet die Strahlung emittieren und mit 50 bis 100 lm/W eine höhere Effizienz besitzen^[115]. Der Strombedarf für ein LED-Backlight hängt von der Anzahl der eingesetzten LEDs und deren Einzelleistung ab.

Die OLED-Displays sind im Vergleich zu den LCDs sehr stromsparend. Sie erzielen zwischen 40 und 102 lm/W (je nach eingesetztem Material und Hersteller) bei 1.000 cd/m²^[116][117]. Generell gilt, dass bei dunklen Bildinhalten OLEDs weniger Strom benötigen als bei hellen Bildern. In einem Testaufbau von Samsung verbrauchte ein OLED-Display beim dunklen Bild 29 mW, währenddessen das Helle 337 mW verbraucht^[118].

Direkte Vergleiche von OLEDs mit CCFL-LCDs und LED-LCDs sind nicht verfügbar, da die entsprechenden Studien durch Unternehmen veranlasst wurden und in deren Besitz sind. Um dennoch eine Bewertung in dieser NWA vornehmen zu können, werden Tests genutzt, die zwei der drei Alternativen vergleichen.

Ein Vergleich in der Veröffentlichung "Nanotechnologie" vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik beziffert den Strombedarf eines OLED-Displays mit 2,5 V, 80 mA und 135 mW. Das LCD wird in diesem Vergleich mit 80 mA, 3,3 V und 160 mW angegeben^[119]. Die Stromersparnis liegt in diesem Beispiel bei 15,6%. Ein anderer Vergleich von Samsung benennt für das OLED-Display einen Bedarf von 47 mW und beim LCD von 252 mW. Damit liegt die Stromersparnis in diesem Fall bei 81,3%^[120].

Diese zwei Beispiele zeigen auf, dass OLEDs einen geringeren Strombedarf als LCDs haben. Beim Vergleich von CCFL- und LED-LCDs ist die LED-Variante besser, da sie die bessere Effizienz aufweist und einen geringeren Strombedarf hat. In der Bewertung können die festgelegten Grenzwerte für die Punkthöhe aufgrund der fehlenden direkten Vergleiche nicht berücksichtigt werden, weswegen die OLED-Variante drei Punkte, LED-LCD zwei Punkte und die CCFL-LCDVariante einen Punkt erhält.

5.3 Lebensdauer

Die Lebensdauer bei den LCDs wird durch die Hintergrundbeleuchtung vorgegeben. Die CCFLLCDs und die LED-LCDs erreichen dabei rund 50.000 Stunden (ca. 5 Jahre und 8 Monate Dauerbenutzung). Auch danach sind die Displays weiter nutzbar, allerdings ist die Helligkeit dann unter 50%. Die LED-LCDs sind dennoch etwas besser, da diese in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C eingesetzt werden können, während die CCFLs die längste Lebensdauer bei 25 °C haben^[121].

Die Lebenserwartung von OLED-Displays ist derzeit stark von der verwendeten Leuchtdichte und den blauen OLEDs abhängig. Bei 1.000 cd/m² erreichen die blauen P-OLEDs 15.000 h, die Grünen 80.000 h und die Roten 90.000 h. Ausgehend von den blauen P-OLEDs entspricht das einer Dauerlaufzeit von 1 Jahr und 8,5 Monaten. Allerdings kann die gleiche Sorte P-OLEDs auch mit 400 cd/m² eingesetzt werden und erreicht dann 94.000 h, 456.000 h und 560.000 h, was einem Dauerbetrieb von 10 Jahren und 9 Monaten entspricht. Eine andere Sorte von P-OLEDs (auch RGB, aber andere Farbmaßzahlen im CIE) erreicht bei der Farbe Blau 18.000 h und dadurch eine Laufzeit von 2 Jahren und 0,5 Monaten, wobei diese eine höhere Effizienz zwischen Strombedarf und Leuchtdichte aufweisen. Aufgrund der höheren Effizienz geht diese Sorte P-OLEDs in die Bewertung ein^[122].

5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse

In der Tabelle 2 sind die Punkte hinterlegt, die jede Alternative in den einzelnen Kategorien erhalten hat. Die Kennzeichnung EP steht für die erreichten Einzelpunkte, während GP das Produkt der Einzelpunkte mit der Gewichtung ist.

6 Ergebnisauswertung mit Sensitivitätsanalyse

Die OLED-Display-Alternative hat sich in einem Großteil der Kriterien gegenüber den beiden LCD-Technologien aufgrund besserer Eigenschaften durchsetzen können. Im Bereich der Lebensdauer ist diese Alternative den anderen Beiden unterlegen, weist aber mit 322,5 von möglichen 400 Punkten eine sehr große Übereinstimmung zu den Kriterien auf.

Die Alternative CCFL-LCD mit TN-Technologie belegt mit 192 Punkten den letzten Platz. Sie hat aufgrund der Konstruktion größere Defizite beim Strombedarf aufzuweisen, der vor allem auf die Hintergrundbeleuchtung zurückzuführen ist. Diese erzeugt für sich alleine eine enorme Helligkeit im Vergleich zu LED-LCD bzw. OLED-Display, aber aufgrund der schlechteren Effizienz (Abstrahlung rund um die Röhre und nicht zielgerichtet zum LCD) können fast 50% der Strahlung nicht genutzt werden. Dies wirkt sich dann auch nachteilig auf die Leuchtdichte des Displays aus, weswegen hier ebenfalls schlechte Ergebnisse erzielt wurden. Aufgrund der TNTechnologie weist dieses Display auch eine schlechte Blickwinkelstabilität auf, kann dafür aber eine hohe Geschwindigkeit realisieren.

Die LED-LCD Alternative mit IPS-Technologie belegt mit 239,5 Punkten den mittleren Platz. Sie bildet den Mittelweg zwischen CCFL-LCD und OLED-Display indem sie die Nachteile der anderen Alternativen ausgleicht. Dadurch können allerdings keine optimalenWerte erzielt werden. Dies spiegelt sich vor allem in der Geschwindigkeit wieder, die aufgrund der IPS-Technologie gering ausfällt. Diese wird aber benötigt, um bessere Kontrastwerte und Blickwinkelstabilität zu erzielen.

Die LED-LCD Alternative mit IPS-Technologie belegt mit 239,5 Punkten den mittleren Platz. Sie bildet den Mittelweg zwischen CCFL-LCD und OLED-Display indem sie die Nachteile der anderen Alternativen ausgleicht. Dadurch können allerdings keine optimalenWerte erzielt werden. Dies spiegelt sich vor allem in der Geschwindigkeit wieder, die aufgrund der IPS-Technologie gering ausfällt. Diese wird aber benötigt, um bessere Kontrastwerte und Blickwinkelstabilität zu erzielen.

Die festgelegten Kriterien und deren Gewichtung sind nicht als festes Maß zu interpretieren, denn sie spiegeln die Präferenzen der Person wieder, die sie definiert hat. Mit einer Veränderung der Bewertungskriterien kann überprüft werden, wie stabil die ermittelten Ergebnisse sind und ob sich eine Verlagerung der Punkte ergibt. In der Tabelle 3 wurde die Gewichtung verändert, um zu überprüfen, ob dadurch eine Verschiebung erfolgt.

Die Verlagerung der Gewichtung zugunsten anderer Kriterien hat keine Veränderung der Rangfolge ergeben. Die OLED-Display-Technologie erhält weiterhin die meisten Punkte. Dies resultiert aus den überwiegend besseren Werten ggü. den LCD-Alternativen. Eine Verschlechterung des Ergebnisses kann nur über die Lebenserwartung erzielt werden, da die OLED-Technologie darin den anderen unterlegen ist.

Die CCFL-Alternative hat in dieser Bewertung die Distanz zur LED-Variante stark verringern können. Die höhere Punktzahl entsteht durch die verbesserte Gewichtung bei den Kriterien, in denen diese Variante viele Punkte erzielen konnte (Lebensdauer und Geschwindigkeit). Würde der Fokus dieser NWA nicht auf der Darstellungsqualität und dem Strombedarf liegen, sondern bspw. auf Geschwindigkeit, dann würde diese Alternative dementsprechend eine höhere Punktzahl erreichen und die LED-Variante schlechter abschneiden, da sie mit der IPS-Technologie langsamer wäre.

7 Schlussbetrachtung

Die OLED-Dislplay-Technologie kann die LCD-Technologie im Bereich der Darstellungsqualität und im Strombedarf ersetzen. Dabei liefert sie gleichzeitig bessere Bilder und kann Betriebskosten einsparen. Die Lebenserwartung der blauen OLEDs ist derzeit ein Schwachpunkt bei dieser Technologie und reduziert die Laufzeit eines Displays erheblich. Würde ein Display nur aus roten oder grünen OLEDs bestehen, dann würde es mit über neun Jahren und einer vielfach höheren Leuchtdichte die LCDs auch in diesem Kriterium schlagen.

Aufgrund der Energieeinsparungsmöglichkeit, können in der Zukunft die OLED-Displays bei steigenden Strompreisen eine wichtige Funktion im Rahmen der Kosteneinsparung und des Umweltschutzes übernehmen.

Im Bereich der flexiblen Displays mit der OLED-Technologie bleibt derzeit abzuwarten, was die Forschung in den kommenden Jahren im Bereich des Verkapselungsmaterials entdecken wird, um das Problem der hohen Knickbelastung zu regulieren und somit die flexiblen OLED-Displays Marktreif zu bringen.

Sowohl die Nutzwertanalyse als auch die anschließende Sensitivitätsanalyse haben aufgezeigt, dass die Vorteile der OLED-Display-Technologie in den Bereichen Darstellungsqualität und Strombedarf überwiegen, weswegen sie für alle Geräte empfohlen werden kann.

8 Anlage: CIE-Farbmaßsystem

Das CIE-Farbmaßsystem wird auch Normfarbtafel genannt und hat das Ziel, eine einheitliche Beschreibung aller Farben vorzunehmen, die der Mensch wahrnehmen kann. Dies wurde mittels Experimenten durchgeführt, in der durch additive Überlagerung der drei monochromatischen Strahler rot (700 nm), grün (546 nm) und blau (435,8 nm) eine Nachbildung sämtlicher spektraler Farben erfolgte. Diese drei Farben werden auch Normvalenzen genannt. Die Ergebnisse dieses Experimentes wurden in den Spektralkurven festgehalten, welche in Abbildung 6 dargestellt sind. Ein Teil der Farben konnte nicht durch additive Farbmischung generiert werden, weswegen diese durch Überlagerung mit dem roten Strahler nachgebildet wurden. Die Farbmischung in diesem Bereich (350 nm bis 540 nm) wird deshalb uneigentliche Farbmischung genannt und kann in der Praxis nicht mit drei Farben produziert werden^[123][124].

Entnommen aus SCHENK / RIGOLL (2010), S. 53
Abbildung 6: Spektralwertkurven der RGB-Strahler (CIE)

Zur Darstellung aller Spektralfarben führte die CIE die virtuellen Normvalenzen X (virtuelles rot), Y (virtuelles grün) und Z (virtuelles blau) ein. Mithilfe dieser drei virtuellen Farben können bei der additiven Farbmischung alle darstellbaren Farben erzeugt werden^[125].

Für die Darstellung der experimentellen Ergebnisse mithilfe der virtuellen Farben wurde eine Transformierung von RGB (CIE) nach XYZ (CIE) vorgenommen. Daraus ergab sich ein dreidimensionales Farbsystem, welches für eine bessere Darstellung in ein zweidimensionales System umgewandelt wurde. Diese Zahlen konnten anschließend in die CIE Normfarbtafel eingetragen werden^[126].

Die Transformierung und die Umwandlung in das zweidimensionale System, sowie die CIE Normfarbtafel sind in der Abbildung 7 dargestellt.

Grafik Entnommen aus DE.WIKIPEDIA.ORG (2005)
In Anlehnung an SCHENK / RIGOLL (2010), S. 54f
Abbildung 7: Transformierung von RGB (CIE) nach XYZ (CIE), Umwandlung in ein zweidimensionales System und die CIE Normfarbtafel

Das Dreieck in der Farbmaßtafel in Abbildung 7 kennzeichnet den RGB-Farbbereich, der durch die meisten Displays abgedeckt wird.

9 Anlage: Größenvergleich von LCD- und OLED-Pixeln

Die nachfolgende Abbildung 8 stellt das Größenverhältnis zwischen LCD-, OLED- und deren Subpixeln maßstabsgerecht dar. Dabei ist zu erkennen, dass auf der Fläche eines einzelnen LCD-Pixels mind. 4 OLED-Pixel der Größenordnung 200 ppi passen würden. Diese Größenunterschiede sind in der Abbildung 9 anhand eines 40"-Displays verdeutlicht dargestellt.

Abbildung 8: maßstabsgetreue Darstellung der Größenverhätlnisse zwischen LCD-Pixeln und OLEDPixeln

Abbildung 9: Rechenbeispiel zur Verdeutlichung des Größenverhätlnisses

10 Fußnoten

1. ↑ Vgl. Froböse / Jopp (2006), S. 25
2. ↑ Vgl. Dohlus (2010), S. 201
3. ↑ Vgl. oled-forschung.de (2010b)
4. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 8
5. ↑ Zangenmeister (1976), S. 45
6. ↑ Vgl. Dohlus (2010), S. 98
7. ↑ Vgl. Schenk / Rigoll (2010), S. 45
8. ↑ Vgl. Haferkorn (2003), S. 13
9. ↑ Vgl. Schenk / Rigoll (2010), S. 45f
10. ↑ Vgl. ebd., S. 48f
11. ↑ Vgl. ebd., S. 49, 51
12. ↑ Vgl. Dohlus (2010), S. 99
13. ↑ Vgl. Schwanecke (2005), S. 20
14. ↑ Vgl. Schenk / Rigoll (2010), S. 51f
15. ↑ Vgl. ebd., S. 52
16. ↑ Vgl. Dohlus (2010), S. 101
17. ↑ Vgl. Litfin (2004), S. 188
18. ↑ Vgl. Schmidt (2005), S. 406
19. ↑ Vgl. ebd., S. 406
20. ↑ Vgl. ebd., S. 406
21. ↑ Vgl. Schenk / Rigoll (2010), S. 32f
22. ↑ Vgl. ebd., S. 32
23. ↑ Vgl. Schmidt (2005), S. 406
24. ↑ Vgl. ebd., S. 406
25. ↑ Vgl. ebd., S. 406
26. ↑ Vgl. ebd., S. 406f
27. ↑ Vgl. Schwanecke (2005), S. 19, 33
28. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 211
29. ↑ BSI (2007), S. 145
30. ↑ Vgl. Schwanecke (2005), S. 10f
31. ↑ Vgl. Schenk / Rigoll (2010), S. 30
32. ↑ Vgl. Froböose / Jopp (2006), S. 17
33. ↑ Vgl. Schenk / Rigoll (2010), S. 30
34. ↑ Vgl. Miszalok (2007), S. 1
35. ↑ Vgl. ebd., S. 1f
36. ↑ Vgl. Litfin (2004), S. 189
37. ↑ Vgl. Schmidt (2009), S. 460
38. ↑ Vgl. Hering / Martin (2005), S. 474
39. ↑ Vgl. ebd., S. 466
40. ↑ Vgl. ebd., S. 466
41. ↑ Vgl. Schwanecke (2005), S. 32
42. ↑ Vgl. Litfin (2004), S. 189
43. ↑ Vgl. Hering / Martin (2005), S. 466f
44. ↑ Vgl. ebd., S. 466f
45. ↑ Vgl. ebd., S. 466f
46. ↑ Vgl. Schwanecke (2005), S. 30
47. ↑ Vgl. Hering / Martin (2005), S. 467
48. ↑ Vgl. ebd., S. 469f
49. ↑ Vgl. ebd., S. 471f
50. ↑ Vgl. ebd., S. 470
51. ↑ Vgl. ebd., S. 471
52. ↑ Vgl. Schwanecke (2005), S. 13
53. ↑ Vgl. Matthes (2004), S. 2
54. ↑ Vgl. ebd.
55. ↑ Vgl. Miszalok (2009)
56. ↑ Vgl. oled-forschung.de (2010a)
57. ↑ Vgl. Froböse / Jopp (2006), S. 27
58. ↑ Vgl. oled-forschung.de (2010a)
59. ↑ Vgl. Froböse / Jopp (2006), S. 28
60. ↑ Vgl. oled-forschung.de (2010b)
61. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 3
62. ↑ Vgl. Froböse / Jopp (2006), S. 25
63. ↑ aixtron.com (2010)
64. ↑ Vgl. Bünnagel / Wilson / Pounds / Grizzi (2008), S. 7
65. ↑ Vgl. Froböse / Jopp (2006), S. 33f
66. ↑ Vgl. Hertel / Müller / Meerholz (2005), S. 340
67. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 6
68. ↑ Vgl. oled-forschung.de (2010c)
69. ↑ Vgl. cdtltd.co.uk (2010a)
70. ↑ Vgl. Froböse / Jopp (2006), S. 29
71. ↑ Vgl. Fleißner (2008), S. 14
72. ↑ Vgl. cdtltd.co.uk (2010a)
73. ↑ Vgl. Froböse / Jopp (2006), S. 37f
74. ↑ Vgl. ebd., S. 38
75. ↑ Vgl. oled-forschung.de (2010d)
76. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 249f
77. ↑ Vgl. Jaklitsch (2004), S. 43
78. ↑ Vgl. Hammer (2008), S. 162
79. ↑ Vgl. Dohlus (2010), S. 98
80. ↑ Vgl. Wesarg (2009), S. 14
81. ↑ Vgl. Lange (2006), S. 32
82. ↑ Vgl. Waldraff (2004), S. 184
83. ↑ Vgl. Gierlinger / Immer / Graf (2005), S. 42
84. ↑ Vgl. Zöller-Greer (2010), S. 9
85. ↑ Vgl. tft-monitore.de (2010)
86. ↑ Vgl. Hering / Martin (2005), S. 259
87. ↑ Vgl. Gierlinger / Immer / Graf (2005), S. 43
88. ↑ Vgl. Preim / Dachselt (2010), S. 47
89. ↑ Vgl. Messmer / Dembowski (2003), S. 49
90. ↑ Vgl. Hering / Martin (2005), S. 470
91. ↑ Vgl. Miszalok (2009)
92. ↑ cd/m² ist die Einheit der Leuchtdichte L und gibt an, wie ein Objekt auf das menschliche Auge wirkt. Es ist entfernungsunabhängig und bildet einen Zusammenhang der Oberfläche des Körpers und dessen Lichtstärke.
93. ↑ Vgl. Stich (2007), S. 10
94. ↑ Vgl. Zöller-Greer (2010), S. 42
95. ↑ Vgl. tft-monitore.de (2010)
96. ↑ Vgl. ebd.
97. ↑ Vgl. Hertel / Müller / Meerholz (2005), S. 344
98. ↑ Vgl. Kobayashi / Mikoshiba / Lim (2009), S. 183
99. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 235
100. ↑ Vgl. cdtltd.co.uk (2010b): History
101. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 66
102. ↑ Vgl. Fyfe (2008), S. 9
103. ↑ Vgl. prad.de (2010)
104. ↑ Vgl. ebd.
105. ↑ Vgl. oled-forschung.de (2010e)
106. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 206
107. ↑ Vgl. Kenyon (2008), S. 291
108. ↑ Vgl. tftcentral.co.uk (2010b)
109. ↑ Vgl. Lee (2005), S. 540
110. ↑ Vgl. Litfin (2004), S. 188
111. ↑ Vgl. Hester / Harrision (2009), S. 194
112. ↑ lm/W ist die Einheit der Lichtausbeute und bildet sich aus dem Quotienten des Lichtstroms und der aufgewendeten Strahlungsleistung.
113. ↑ tftcentral.co.uk (2010a)
114. ↑ Vgl. Mrosk (2009), S. 37
115. ↑ Vgl. Dziadek (2009), S. 20
116. ↑ Vgl. Bünnagel / Wilson / Pounds / Grizzi (2008), S. 2
117. ↑ Vgl. Jüstel (2010), S. 2
118. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 9
119. ↑ Vgl. BSI (2007), S. 145
120. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 9
121. ↑ Vgl. Kobayashi / Mikoshiba / Lim (2009), S. 139, 183
122. ↑ Vgl. Halls (2008), S. 117f
123. ↑ Vgl. Schenk / Rigoll (2010), S. 53f
124. ↑ Vgl. Dohlus (2010), S. 101ff
125. ↑ Vgl. Schenk / Rigoll (2010), S. 52
126. ↑ Vgl. ebd., S. 52

11 Abkürzungsverzeichnis

12 Abbildungsverzeichnis

13 Tabellenverzeichnis

14 Literatur- und Quellenverzeichnis