Tandem-OLED und Mikrolinsen: woher OLED seine Helligkeit nimmt

OLED gewinnt jeden Vergleich beim Schwarzwert und verliert die meisten bei der Helligkeit. Der Grund steckt in der Bauweise: Ein Pixel, das sein Licht selbst erzeugt, hat kein Backlight, das man kräftiger aufdrehen könnte. Zwei Entwicklungen gehen das von verschiedenen Seiten an. Die eine stapelt Leuchtschichten übereinander, die andere legt Linsen davor.

Warum ein selbstleuchtendes Pixel an seine Grenze stößt

Helligkeit entsteht bei OLED durch Strom. Je mehr Ladung pro Sekunde durch die organischen Schichten eines Subpixels fließt, desto mehr Photonen kommen heraus, und desto schneller altert das Material. Dieser Zusammenhang ist nicht linear: Eine verdoppelte Stromdichte kostet mehr als die Hälfte der Lebensdauer, je nach Material deutlich mehr. Am empfindlichsten reagiert Blau: Blaue Photonen tragen die höchste Energie und beanspruchen die zugehörigen Moleküle entsprechend hart.

Deshalb regelt jedes OLED-Panel sich selbst herunter. Ein weißes Vollbild erscheint sichtbar dunkler als ein kleines weißes Fenster auf schwarzem Grund, weil eine Schutzautomatik (im Englischen Automatic Brightness Limiter) Panel und Netzteil vor Dauerlast bewahrt. Bei Filmmaterial fällt das kaum auf, denn dort sind helle Flächen meist klein. Eine Sportübertragung aus dem sonnigen Stadion oder ein weißes Textdokument zeigt die Grenze dagegen sofort.

Dazu kommt ein zweiter Verlust: Ein großer Teil des erzeugten Lichts verlässt den Bildschirm nie.

Tandem-OLED: mehrere Emissionseinheiten in Reihe

Der klassische OLED-Aufbau ist ein Sandwich: Anode, eine Transportschicht für Löcher, die Emissionsschicht, eine Transportschicht für Elektronen, Kathode. Liegt Spannung an, treffen Elektronen und Löcher in der Mitte aufeinander, bilden angeregte Zustände und geben deren Energie als Licht ab. Pro Elektron entsteht im günstigsten Fall ein Photon. Mehr ist in dieser Bauform nicht drin.

Ein Tandem-Panel stapelt zwei solcher Einheiten übereinander und schaltet sie elektrisch in Reihe. Zwischen ihnen sitzt eine Ladungserzeugungsschicht, im Englischen charge generation layer. Sie ist der eigentliche Trick: Im elektrischen Feld erzeugt diese Zwischenschicht selbst Ladungsträgerpaare und schickt Elektronen in die eine, Löcher in die andere Richtung, sodass beide Etagen gleichzeitig versorgt werden. Dasselbe Elektron, das von außen in das Bauteil fließt, löst also in jeder Etage eine Emission aus.

Bezogen auf den Strom verdoppelt das die Lichtausbeute. In der Praxis fällt der Zuwachs etwas geringer aus, weil die zweite Etage optisch nicht an derselben Stelle sitzt und ihr Licht anders interferiert. Für eine gewünschte Helligkeit genügt einem Zweifachstapel ungefähr die halbe Stromdichte je Schicht, einem Dreifachstapel etwa ein Drittel. Darin liegt der Gewinn, denn die Alterung hängt an genau dieser Stromdichte. Weniger Strom je Schicht heißt zweierlei: länger durchhalten bei gleicher Helligkeit, oder heller fahren bei gleicher erwarteter Lebensdauer. Beides zusammen geht nur teilweise.

Geschenkt bekommt man das nicht. Mit jeder Etage addiert sich die Betriebsspannung, weshalb sich der Verbrauch je Lumen kaum ändert. Etwas günstiger fällt er aus, weil eine Leuchtschicht bei niedriger Stromdichte effizienter arbeitet, doch der große Sprung auf der Stromrechnung ist es nicht. Gewonnen wird Reserve. Jede weitere Etage kostet zudem Ausbeute in der Fertigung, weshalb Mehrfachstapel den teuren Baureihen vorbehalten bleiben.

Neu ist das Prinzip übrigens nicht. In der OLED-Beleuchtung und in weißen TV-Panels arbeitet man seit Langem mit zwei gestapelten Einheiten, klassisch einer blauen und einer gelbgrünen. Neu ist, wie weit das getrieben wird: drei und mehr Emissionseinheiten in Oberklasse-Fernsehern, dazu der Sprung in Notebooks und Tablets, deren Panels lange nur eine Emissionseinheit hatten. Weil die geringere Stromdichte auch die ungleichmäßige Alterung einzelner Bildbereiche verlangsamt, wirkt der Stapel nebenbei gegen Einbrennen, ohne das Thema zu erledigen.

MLA: Linsen holen das gefangene Licht heraus

Licht entsteht in einem OLED mitten in einem Stapel hauchdünner Schichten, und zwar in alle Richtungen gleichzeitig. Auf dem Weg nach außen passiert es Grenzflächen zwischen Materialien unterschiedlicher optischer Dichte: organische Schichten mit einem Brechungsindex um 1,7 bis 1,8, dann Glas um 1,5, dann Luft. An jeder solchen Grenze gibt es einen Grenzwinkel, oberhalb dessen nichts mehr hindurchgeht. Wer beim Tauchen von unten gegen die Wasseroberfläche geschaut hat, kennt den Effekt: Ab einem bestimmten Blickwinkel wird die Fläche zum Spiegel.

Flach auftreffende Strahlen bleiben deshalb im Schichtstapel gefangen. Sie laufen seitlich im Glas oder in den organischen Schichten weiter, bis sie irgendwo absorbiert werden. Ein weiterer Anteil verschwindet als Oberflächenplasmon in der metallischen Elektrode, also als Elektronenschwingung an der Metallgrenze, aus der nie ein Photon wird. Nach außen gelangt in einem einfachen Aufbau grob ein Fünftel bis ein Drittel des erzeugten Lichts. Der Rest wird Wärme.

Ein Mikrolinsen-Array setzt hier an. Über der Leuchtfläche liegen Milliarden winziger konvexer Strukturen, jede viel kleiner als ein Subpixel. Sie ändern den Winkel, unter dem ein Strahl auf die kritische Grenzfläche trifft, und holen damit einen Teil der sonst gefangenen Moden in den Auskoppelkegel. Zusätzlicher Strom fließt dafür nicht: Die Linsen sind passive Optik und kosten nur Fertigungsaufwand.

Der Gewinn lässt sich in zwei Währungen ausgeben: mehr Spitzenhelligkeit bei gleichem Strom, oder gleiche Helligkeit bei weniger Strom, was der Lebensdauer zugutekommt. Nebenwirkungen bleiben. Eine strukturierte Oberfläche verändert, wie das Panel Raumlicht zurückwirft und wie die Helligkeit zu schrägen Blickwinkeln abfällt. Je nach Umsetzung leidet der Schwarzeindruck im hellen Zimmer etwas. Die Linse ist auch nicht der einzige Weg zu mehr Licht: Ein Panel, das blaues Licht per Quantenpunkte in Rot und Grün wandelt, statt es durch absorbierende Farbfilter zu schicken, kommt über eine andere Route zum selben Ziel, nachzulesen unter Quantum Dots.

Zwei Hebel an verschiedenen Stellen

Beide Techniken konkurrieren nicht miteinander. Sie multiplizieren sich. Der Stapel erlaubt dem Pixel, mehr Licht zu erzeugen, ohne sich dabei aufzureiben. Die Linsen sorgen dafür, dass mehr davon beim Zuschauer ankommt. Ein Panel kann das eine haben, das andere oder beides. Zuletzt gab es sogar den umgekehrten Schritt: Bringt ein weiterer Stapel genug Reserve, darf die Linsenschicht samt Nebenwirkungen wieder entfallen.

• Angriffspunkt: der Stapel bei der Erzeugung des Lichts, die Mikrolinsen bei seiner Auskopplung.
• Wirkprinzip: hier Emissionseinheiten in Reihe, verbunden über eine Ladungserzeugungsschicht, dort Brechung an winzigen Linsen.
• Strom je Schicht: sinkt im Stapel deutlich, bleibt hinter den Linsen unverändert.
• Lebensdauer: der Stapel wirkt direkt über die Stromdichte, die Linsen nur indirekt, wenn man ihren Gewinn in weniger Strom statt in mehr Helligkeit investiert.
• Preis dafür: höhere Betriebsspannung und schlechtere Ausbeute auf der einen Seite, eine zusätzliche Optikschicht mit verändertem Verhalten bei Raumlicht und schrägem Blick auf der anderen.

Warum Mini-LED beim hellen Bild trotzdem vorn liegt

Ein LCD trennt Lichtquelle und Bildmodulation. Beim Schwarzwert ist das der bekannte Nachteil, bei der Helligkeit ein gewaltiger Vorteil: Die Leuchtdioden im Backlight sind anorganische Halbleiter, sie vertragen hohe Stromdichten, sie sitzen auf einer Platine, die Wärme wegleitet, und man kann mehr davon verbauen. Wird es zu warm, hilft ein größerer Kühlkörper.

Beim OLED ist das Pixel die Lichtquelle. Wärme entsteht dort, wo auch das Bild entsteht, in einer Schicht von wenigen hundert Nanometern Dicke auf Glas. Verschieben lässt sie sich nicht, und mehr Leuchtfläche geht nur auf Kosten von etwas anderem. Der Abstand ist deshalb ausgerechnet dort am größten, wo er am wenigsten schmeichelt: beim großflächig hellen Bild, etwa in einer Schneelandschaft oder auf einer weißen Textseite.

Anders sieht es bei kleinen Spitzlichtern aus. Ein Reflex auf einer Motorhaube, das Mündungsfeuer in einer Nachtszene: solche Flächen darf ein OLED sehr hell fahren, weil die Last lokal begrenzt bleibt und der Rest des Panels dabei stromlos schwarz ist. Genau davon lebt HDR, und genau hier haben Tandem und Mikrolinsen den größten sichtbaren Effekt. Ein Mini-LED-Fernseher schafft dort womöglich mehr Absolutwert, umgibt das Spitzlicht aber mit einem schwachen Lichthof: Seine kleinste steuerbare Einheit ist eine Dimmzone, kein Pixel. Wie sich beide Bauweisen sonst schlagen, zeigt der Vergleich Mini-LED gegen OLED.

Beide Verfahren verschieben diese Grenze spürbar. Aufheben lässt sie sich damit nicht. Solange Licht in organischen Molekülen entsteht, zahlt am Ende jemand für jedes zusätzliche Quäntchen Helligkeit, und dieser Jemand ist der blaue Emitter. Die interessante Frage bei einer neuen OLED-Generation lautet nicht, welche Spitzenhelligkeit im Prospekt steht, sondern wie viel davon nach fünf Jahren Fernsehabenden noch da ist.