Der Wettlauf ist rasant, die Pressemeldungen überschlagen sich. Seit dem Frühjahr hielt Samsung den Rekord für den weltweit grössten Bildschirm, der die OLED-Technik (Organic Light Emitting Diode) nutzt: Gerade mal 17 Zoll war dieser gross. Im September antwortete nun auf der Internationalen Ausstellung für Flachbildschirme in Japan die Firma Philips auf die Herausforderung, und zwar mit der Vorstellung eines 20-Zoll-Monitors. Der Bildschirm mit einer Auflösung von drei Millionen Pixel besteht zum ersten Mal aus einem einzigen Stück.
Ob in Autos, Handys, Flugzeugen, Zügen und Computern: Flachdisplays finden millionenfach Anwendung. Der überwiegende Anteil dieser Displays basiert bisher auf den Flüssigkristall-Displays (Liquid Crystal Display, LCD). Diese Technik, die einst in Europa von Chemiekonzernen wie Hoffmann-La Roche und Merck vorangetrieben wurde, ist heute aus unserer computerisierten Welt nicht mehr wegzudenken. Heutzutage wird der Grossteil der Flüssigkristall-Displays in Asien hergestellt. Von den über 25 Milliarden Dollar, die jährlich mit Flachbildschirmen umgesetzt werden, gehen 60 Prozent auf das Konto japanischer, gar 97 Prozent auf das aller fernöstlicher Produzenten.
Allerdings hat die LCD-Technik ihre Grenzen: Die Monitore können nicht beliebig vergrössert, die Kosten nicht reduziert werden. Seit etwa zehn Jahren nun wird an der nächsten Generation der Monitore getüftelt: den OLEDs. Diese hauchdünnen, flexiblen Plastikmonitore werden – glaubt man den Experten – demnächst unsere Computerwelt erneut revolutionieren. Doch wann wird die Technik massenreif, und wer wird vorne sein? Immerhin erhofft sich Europa mit der neuen Technik den erneuten Einstieg in den Markt der Displays. Aber niemand weiss bisher, wann diese Technik den endgültigen Durchbruch schafft.
Die Ursprünge der Flüssigkristallforschung liegen mittlerweile 116 Jahre zurück. Bei der Untersuchung von Pflanzeninhaltsstoffen stiess der österreichische Botaniker Friedrich Reinitzer auf ein merkwürdiges Phänomen: Das Benzoat des Cholesterols ging bei 145,5 °C nicht in eine klare Schmelze über, sondern zunächst in eine trübe Flüssigkeit. Und erst beim weiteren Erhitzen auf 178,5 °C kam dann der endgültige Übergang in die klare Flüssigkeit – die Substanz hatte zwei Schmelzpunkte. Otto Lehmann leitete 1889 daraus die revolutionäre Erkenntnis ab, dass es sich bei diesen Erscheinungen um einen neuen, bisher nicht beschriebenen Aggregatzustand handelte. Er nannte sie «flüssige Kristalle».
Der Dornröschenschlaf dieser Entdeckung dauerte bis in die 60er Jahre des letzten Jahrhunderts, als neue Techniken für dieses Phänomen gefunden wurden. Flüssigkristalle sind organische Moleküle, die typischerweise langgestreckt sind und eine ungleichmässige Verteilung der elektrischen Ladungen im Molekül (Dipol) aufweisen. In der Flüssigkeit weisen die einzelnen Moleküle untereinander eine gewisse Ordnung auf.
In der sogenannten nematischen Phase fehlt die Ausbildung von Schichten. Wird jedoch eine elektrische Spannung angelegt, zeigt sie physikalische Eigenschaften eines Festkörpers mit richtungsabhängigem Verhalten. Je nach Stromfluss ändert sich also die Lage der Kristalle. Sie können somit wie ein An/Aus-Schalter für einen Lichtfluss wirken. 1968 stellte George Heilmeier der Fachwelt den ersten Flüssigkristall-Display vor. Das war ein echter Durchbruch, wenn auch dieses Display noch eine Betriebstemperatur von etwa 80 °C benötigte. Nach den Taschenrechnern mit 7-Segment-Anzeige begann in den 80er Jahren mit den Laptops dann der weltweite Siegeszug der LCD-Technik.
Bisher glänzen die LCD-Monitore jedoch durch eine ganze Reihe von Nachteilen. Jeder, der schon mal vor einem Notebook gesessen hat, weiss das. Die Farben könnten brillanter sein, und – was noch schlimmer wiegt – man kann den Bildschirm nur aus einem ganz bestimmten Winkel einsehen. Obendrein sind TFT-Monitore (TFT, engl. Thin Film-Transistor) immer noch viel zu teuer.
In den Forschungsabteilungen der Elektroriesen wird daher mit Hochdruck an neuen Flachbildschirmen getüftelt. «Heute entwickeln wir mit Hilfe von Molecular Modeling alle 6 Wochen neue Kristall-Moleküle», bestätigt Hartmut Vennen vom Kristallhersteller Merck. Im Jahr 2001 stellte die Firma mehr als 500 neue Einzelverbindungen her, mehr als 6000 Flüssigkristallmischungen wurden getestet.
Die Entwicklung in den Reinraumlabors der LCD-Firmen bleibt also nicht stehen. Denn ein entscheidender Punkt bei der Entwicklung neuer LCDs ist neben dem Wunsch nach schnelleren Schaltzeiten und immer geringerem Energieverbrauch ein blickwinkelunabhängiger Kontrast. In jüngster Zeit hat Merck zusammen mit einem Partner das sogenannte In-Plane-Switching patentieren lassen. So erhält man LCDs mit einem Betrachtungswinkel von bis zu 170 Grad, der sich mit dem der herkömmlichen Bildröhrenmonitore durchaus messen kann. Das heisst, dass diese Display-Art für die Anwendung in Fernsehern, PC-Monitoren, Notebooks und Navigationssystemen in Autos geeignet ist.
Auch für besonders grosse Displays wie zum Beispiel professionell eingesetzte Monitore für Computer-Aided Design (CAD) oder Fernsehbildschirme steht mittlerweile eine Technologie zur Verfügung. Das Ergebnis sind Blickwinkel von ebenfalls 170 Grad ohne Beeinträchtigung des Kontrastes und der Graustufen sowie ohne Farbverzerrungen.
Zusätzlicher Aggregatzustand Flüssigkristall
«Die Zukunft ist aus Plastik», ist sich dagegen Karsten Heuser vom Siemens-Forschungslabor für Monitortechnik sicher. Leuchtende Kunststoffe sollen schon bald die Flüssigkristalle verdrängen, die heute in den Displays unserer Telefone, Autoradios und Computerbildschirme stecken. Und der Entwickler hofft, dass die neue Generation von Leuchtanzeigen auch Bereiche erobern kann, in denen die alten Bildschirmchen den Dienst versagen. Schon wird von dynamischen Werbeplakaten oder gar von leuchtenden Tapeten gesprochen. Und von bezahlbaren Bildschirmen, die so flexibel sind, dass sie sich zusammenfalten oder rollen lassen.
Organic Light Emitting Displays – oder Dioden, je nachdem, wen man fragt – sollen dies alles möglich machen. Die Leuchtdioden bestehen dabei aus organischen, halbleitenden kleinen Molekülen (Small Molecules, SM). Werden dagegen längerkettige Kunststoffmoleküle genutzt, spricht man von Polymer-OLED-Displays (PLED). Gemeinsam ist beiden, dass diese leitfähigen Kunststoffe wie bei einem elektronischem Halbleiter verschiedene Energieniveaus haben. Beim Energieabfall sendet der Kunststoff Lichtphotonen aus.
Der Aufbau eines OLED-Displays ist im Vergleich zu einem LCD sehr einfach: Auf Glas oder einer durchsichtigen biegsamen Trägerfolie wird ein transparenter elektrischer Leiter aufgebracht, gewöhnlich ist dies Indiumzinnoxid, das später im Bauteil als Anode fungiert. Der Träger wird dann mit der Kunststoff-Leuchtschicht hauchdünn überzogen. Abschliessend wird noch eine metallische Kathode aufgedampft. Was sich in der Theorie einfach anhört, ist in der Praxis schwierig: Die Dioden sind extrem empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff und müssen daher hinter Glas verkapselt werden. Für die Verarbeitung gelten gleiche Reinheitskriterien wie in der Halbleiterindustrie.
Derzeit herrscht zwischen den Ingenieuren ein Glaubenskrieg, ob für die Super-Displays der Zukunft besser kurze oder lange Kunststoffmoleküle verwendet werden sollten. «98 Prozent der Produkte sind derzeit Small-Molecule-OLEDs», sagt Karl Leo vom Institut für Angewandte Photophysik in Dresden. Ob sich der Anteil für Polymer-Displays bald ändern wird, kann auch er im Moment nicht beantworten. Die Molekül-Displays sind günstiger in der Herstellung und zeigen noch höhere Lebensdauer. «Aber die Polymer-Bildschirme bieten den Vorteil, dass durch das Inkjet-Verfahren viel grössere Monitore hergestellt werden können», so Leo. Canon etwa spricht von 500-Zoll-Displays und noch grösseren Formaten. Für die PLEDs sieht Leo deshalb ein enormes Wachstumspotential.
Erforscht in Cambridge, wurden OLEDs vor etwa zehn Jahren von Kodak massgeblich vorangetrieben; die Firma hält zahlreiche Patente. Gegenüber den LCD-Bildschirmen zeigen organische Displays gleich mehrere Vorteile. Doch vor allem die geringen Herstellungskosten machen sie künftig interessant. Denn die Technik kommt ohne Hintergrundbeleuchtung aus, die Materialkosten für die lichtgebende Schicht fällt also weg. Nur so können die nur wenige Millimeter flachen Displays gebaut werden.
Diese hauchdünne Technik bietet jedoch noch mehr. Nahezu aus jedem Blickwinkel zeigen OLED-Monitore ein brillantes Bild und haben – im Gegensatz zu LCD-Anzeigen – eine hohe Schaltgeschwindigkeit. Sie sind also besonders videotauglich. Das alles geht einher mit einem äusserst geringen Stromverbrauch auf Grund der hohen Lichtausbeute – das schont die Akkus von Laptop, Mobiltelefon und Co.
Der Trick dabei: Eine gezielt eingebrachte Verunreinigung – von Fachleuten Dotierung genannt – erhöht die Effizienz und senkt die Betriebsspannung der OLEDs. Am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme in Dresden wird an diesen OLEDs der zweiten Generation fieberhaft geforscht. «Diese Displays stecken zwar noch in den Kinderschuhen», sagt Leo, «aber wir haben an unserem Institut die bisher weltweit effizienteste Leuchtdiode entwickelt. Der Fortschritt geht weiter.»
Den Schlüssel zum Erfolg – ob OLED oder PolyLED – liefern auch die organischen Farbstoffe. Derzeit in Führung ist die «kurze» Fraktion. Sie hat allerdings einen Nachteil: Hinter jedem Bildpunkt muss eigens ein herkömmlicher Transistor sitzen. Und für die Produktion sind nach wie vor relativ umständliche Belichtungstechniken erforderlich.
Die Polymer-Farbstoffe, Poly-Phenylene-Vinylene und andere Derivate, haben andererseits den Vorteil, dass sie in Flüssigkeiten löslich sind. Damit sind völlig neue Fertigungstechniken denkbar: Die leuchtenden Kunststoffe können einfach mit Hilfe eines Tintenstrahldruckers auf ihren Träger aufgedruckt werden. Die Fertigung wird deutlich unkomplizierter und damit billiger. Und auch die Elektronik, die zur Steuerung notwendig ist, ist bei den Polymer-Bildschirmen unkomplizierter.
Die Funktionsweise von LCD und OLED im Vergleich
Die Molekül- oder Polymerbausteine bieten jedoch im Moment den Forschern noch einige Aufgaben. «Es gibt noch Probleme mit der Stabilität von tiefen Blautönen», weiss Heuser. Denn die roten, grünen und blauen Farbstoffe altern unterschiedlich schnell. Durch dieses unregelmässige Altern der Einzelfarben kommt es zu Farbverzerrungen des Gesamtbildes. Die Polymer-Hersteller Covion in Frankfurt und die Firma Cambridge Display Technology in England haben zwar kürzlich Blautöne mit einer Lebensdauer von 10'000 Stunden vorgestellt. Doch noch ist die Lebensdauer der Polymer-Monitore beschränkt.
Monochrome und erste vollfarbige OLED-Displays sind dagegen mittlerweile schon am Markt. Etwa 17,3 Millionen Einheiten wurden davon im Jahr 2003 produziert, rund 250 Millionen Dollar umgesetzt – eine Steigerungsrate zum Vorjahr um 270 Prozent. Die Autoradios und Handys mit gelbgrüner oder roter Plastik-Leuchtkraft sind zunehmend in den Geschäften zu finden. Die asiatischen Konzerne wie Pioneer (Marktanteil 40%) Samsung (33%), RiTDisplay (23%) sowie einige chinesische Firmen sind dabei wieder einmal vorne. Sony beispielsweise hat dieses Jahr einen vollfarbigen PDA auf OLED-Basis bis zur Marktreife gebracht. Die grösseren PLED-Displays sollen dann in den nächsten Jahren folgen – die Fertigung wurde schon angekündigt. Auch der Elektronikhersteller Pioneer will im kommenden März mit der Massenfertigung von organischen Aktivmatrix-LEDs beginnen.
Philips und Osram/Siemens sind dagegen in Europa Vorreiter. Osram betreibt derzeit die grösste Fertigungsanlage für PolyLEDs in Penang in Malaysia und ist zuversichtlich, bei diesem Trend weiter mithalten zu können. In Amerika bietet Kodak ein vollfarbiges Kameradisplay auf Plastikbasis an. Und auch General Electric mischt mit: Der Elektrokonzern präsentierte einen rund 61x61 cm grossen Prototyp mit einer Helligkeit von 1200 Lumen.
«Vollfarbige OLED-Bildschirme», prophezeit Karl Leo, «werden wohl im Jahr 2007 endgültig auf den Markt kommen.» Die organischen Displays werden dann vermutlich einen Anteil von 5 Prozent (2004:
2 Prozent) am Weltmarkt für Displays einnehmen und ein Volumen von rund 3 Milliarden Dollar umsetzen.
«Technisch gesehen», befürchtet allerdings Karl Leo, «können wir in Europa nur noch in Einzelaspekten bei diesem Markt mithalten. Es gibt in Europa derzeit keine grossen Fertigungsanlagen. Ganz anders sieht es dagegen in Asien aus. Es scheint, als würden wir wieder einmal abgehängt.» Während die Grundlagenforschung zwar in Europa vorangetrieben wird, steht die Aussicht auf geschäftsfähige Produkte derzeit in weiter Ferne. Dabei gibt es eine Reihe von zukunftsweisenden Forschungsprojekten, die vorne dabei sind. In der Schweiz läuft beispielsweise am Institut für Materialkunde der Universität Lausanne das europäische Programm FLEXLED (Flexible polymer light emitting displays). Auch das EU-Projekt PLASTRONIX konnte in Zusammenarbeit mit Philips einige Erfolge vorweisen. Doch die Forschungsbudgets sind gegenüber den Etats in Amerika und Asien viel zu gering.
Denn massiv wird derzeit in die Forschung investiert: Der Markt für Subdisplays bis hin zur Elektronik ist einfach zu gewaltig, zu erfolgversprechend. Die Designer der Handy- oder Automobilbranche warten beispielsweise sehnsüchtig auf ein Display, das gebogen ist. «Alles im Auto ist rund, nur das Display nicht», meint Heuser. Mit OLEDs wäre dies aber möglich.
Die Polymere können heutzutage gekauft, neue Anwendungen entwickelt werden. Allerdings ist noch ein gutes Stück Weg zu gehen, bis OLEDs die Nachfolger der heutigen TFT-Flachbildschirme werden. «Vor drei Jahren wurden schon Versprechungen für vollfarbige Displays abgegeben», sagt Heuser. «Die Produktion ist dann aber doch nicht so einfach, wie es die Prototypen suggerieren.» Bis zum biegsamen Plastikmonitor wird es also noch dauern. Sicher ist, dass OLEDs die LCDs einmal verdrängen werden. Bloss wann ist die Frage.
Dabei steht schon die nächste Monitorgeneration in den Startlöchern. Dazu sollen mit Hilfe der Nanotechnik sogenannte Kohlenstoff-Nanoröhren (carbon nano tubes, CNT), also mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde, hergestellt werden. Die scharfen Spitzen dieser Kohlenstoff-Nanoröhren dienen als Quelle für Elektronen, die wie beim herkömmlichen Fernsehgerät gegen einen Leuchtschirm beschleunigt werden.
Diese neue Technologie verspricht noch hellere und schärfere Bilder und noch weniger Energieverbrauch als die OLED-Prototypen. Gegenüber den Plasmabildschirmen haben Nanoröhren-Bildschirme zudem den Vorteil, dass sie nicht anfällig gegen das sogenannte Einbrennen sind. Werden unbewegte Bilder zu lange auf dem Monitor angezeigt, brennen sie sich buchstäblich dauerhaft in das Glas ein.
Und die Nano-Displays verbrauchen erheblich weniger Strom. Auch die Schwächen der Flüssigkristall-Displays kennen diese Feldemissions-Displays nicht: Schlieren oder sogenannte Geisterbilder können durch viel kürzere Umschaltzeiten als bei einem LCD schon gar nicht entstehen. Und schliesslich kann man die Bilder aus jedem beliebigen Winkel betrachten.
Dies klingt nach einer weiteren bahnbrechenden Entwicklung im Monitormarkt. Schon kündigte Samsung die Einführung dieser Nanoröhren-Bildschirme für die nächsten zwei Jahre an. Ob es Europa gelingt, dannzumal bei dieser Technik mitzuhalten, bleibt nur zu hoffen.
