OLED Infos/Ausblick

Im Jahr 2000 war die OLED Technologie nur auf Passiv-Matrix-Displays beschränkt. Viele Skeptiker spekulierten damals, dass OLEDs keine Zukunft hätten, zu teuer wären und dass sie gegen die Stärke der LCD-Technologie keine Chancen hätten. Vieles hat sich geändert innerhalb von 14 Jahren.

Die verkauften Mengen von AMOLEDs stiegen wesentlich gegen Ende des Jahres 2007 an, als Samsung Displays für Mobiltelefone auslieferte. Sechs Monate zuvor hatte Apple das iPhone eingeführt und damit begann das Zeitalter der OLEDs. Da Samsung Apples größter Smartphone-Konkurrent ist, war Apple motiviert, eine andere Technologie als OLEDs zu verwenden, wobei Samsung aber der einzige Großserienanbieter war. Doch Apple wusste, wie man sich die Grenzen der neuen Display-Technologie zu Nutze machen konnte und führte eine hohe Pixeldichte und LTPS LCDs mit niedrigem Stromverbrauch ein. Dies setzte Samsung unter starken Druck, da das Unternehmen nicht in der Lage war, die Retina-Spezifikationen zu erfüllen.

Während diese Einschränkung unerwartet war, reagierte Samsung mit seinem traditionellen Ansatz und forderte seine Ingenieure heraus, was zum Super AMOLED-Display für das Galaxy 5 führte, welches nun Marktführer ist nicht nur hinsichtlich der traditionellen Vorteile von OLED wie hohem Kontrast, schneller Reaktionszeit, hervorragendem Betrachtungswinkel, nahezu perfekter Farbwiedergabe, dünnem Formfaktor und großem Betrachtungswinkel. Doch Samsung ging noch weiter;

Das neue Display hatte den höchsten Dynamikbereich, was zu den besten Bildansichten bei viel Umgebungslicht führte. Handy-Displays werden oft unter relativ hellem Umgebungslicht verwendet, das Bild Farben und Kontrast auswäscht, wodurch die Bildqualität verringert wird und was es schwieriger macht, den Bildschirm zu sehen oder zu lesen. Um bei hellem Umgebungslicht verwendbar zu sein, sollte ein Display eine zweifache Kombination von hoher Bildschirmhelligkeit und niedriger Bildschirmreflexion haben. Das Galaxy S5 hat beide Eigenschaften.

Den ersten Platz hinsichtlich der niedrigsten Bildflächenreflexion bei mobilen Displays teilt sich das Galaxy S5 (mit 4,5%) zusammen mit dem Galaxy S4.

Das Display hat eine variable Helligkeitsfunktion, die bei einem branchenführenden Maximum von 698 cd/m2 liegt. Die Auflösung des Galaxy S5 liegt bei 1920 x 1080 in einem 5,3 „-Display und produziert 432 ppi, was mindestens 25 % höher ist als die LCD-Anzeige im iPhone 5S. Ein weiterer wichtiger Vorteil von OLEDs ist ihre hervorragende Bildschirm-Homogenität im Vergleich zu LCDs, welche oft Wärmeflecken und Schatten anzeigen, die von der erhellten LED an der Kante stammen. Während LCDs energieeffizienter für Bilder mit vorwiegend weißem Inhalt sind (z. B. Textbildschirme), sind OLEDs energieeffizienter für die meisten anderen Inhalte. Laut Displaymate sind OLEDs 27 % energieeffizienter als volle HD-LCD-Displays für gemischte Bildinhalte.

AMOLEDs haben die Messlatte für die Branche bei den kleinen / mittleren Displays erhöht. Aber wie verhält es sich mit Fernsehern, wo viel Wachstum erwartet wurde? Sowohl Samsung als auch LGD haben 55 “ große HD-TVs im Jahr 2014 eingeführt, die auf 8.5 Gen Pilot Fabs gebaut wurden. Diese haben jeweils eine kleine Kapazität von weniger als 8K Substrate / Monat. Eine 8.5 Gen ist so konfiguriert ist, dass acht 55 „-Panels pro Substrat erzeugt werden können. Jedes Unternehmen plante, ihre Verfahren mit der Pilotlinie zu testen und dann in eine Massenproduktionsanlage zu investieren, so dass mit dem laufenden Betrieb Ende 2014 oder Anfang 2015 begonnen werden kann. Obwohl beide Unternehmen gebogene AMOLED 55 „-Fernseher produzierten, waren die verwendeten Prozesse ganz anders. In der folgenden Tabelle sind diese dargestellt.

Vergleich von Samsung und LG Display AMOLED TVs:

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Die hohen Kosten sind der primäre Nachteil. Was kann dagegen getan werden? Der erste Faktor sind die geringen Stückzahlen, wo die Kapazität kleiner ist als 50K Panels / Monat im Vergleich zu einem herkömmlichen LCD Gen 8.5, der 500K Platten / Monat produziert. Man könnte spekulieren, dass, wenn der LCD-Prozess auf 50K Panels pro Monat begrenzt wäre, die Kosten genauso hoch sein würden. In der ersten Hälfte des Jahres 2014 waren die Erträge sehr gering bei weniger als 50 % sowohl für Samsung als auch für LG, da sie ihre Produktion auf <10K Platten / Monat verringerten. LCD-Erträge liegen bei mehr als 90%. Jedoch haben sowohl Samsung und LG ihre Erträge erhöht. Nach den neuesten Firmenmeldungen lagen diese bei 80 % bei Samsung und 70% bei LG. Das Engagement von LG für eine Gen 8.5 MP Fab mit 25K Substraten / Monat sollte die Produktion auf ca. 150K Panels / Monat erhöhen und den Preis auf ein Niveau verringern, das wettbewerbsfähig ist zu den LCD-Fernsehern der höheren Preisklasse. Andererseits hat Samsung entschieden, die Massenproduktion zu verzögern, auch wenn die Renditen auf ca. 80 % erhöht werden konnten. Die von Samsung abgegebene Begründung ist, dass die Produktionskosten zu hoch bleiben. Vergleicht man die Kosten von LG mit denen von SDC, so ist der Hauptschuldige vermutlich die Backplane, wobei LTPS fast doppelt so teuer ist wie IGZO in Bezug auf Capex (Investitionsausgaben für Sachanlagen). Es ist wahrscheinlich, dass Samsungs Frontplane billiger ist als LGs Frontplane wegen der zusätzlichen organischen Schichten in der Tandemstruktur und der Verwendung eines Farbfilters. Der Fernseher von LG benutzt auch die doppelte Schaltspannung wie Samsung, obwohl der Strom über die OLEDs ungefähr gleich ist. Bei dem Versuch, den Kosten-Nachteil von LTPS abzuschwächen, hat Samsung festgestellt, dass nur ein Teil der a-Si-Schicht in p-Si unter Verwendung von Excimer-Schichten umgewandelt werden muss. Dadurch ist man nun in der Lage, die Anzahl der Aufnahmen von normalerweise 20 auf 6 zu reduzieren. Dies vermindert die Laser-Capex um ca. 10 %. Offensichtlich sind weitere Kostensenkungsschritte notwendig, bevor Samsung sich wieder auf eine 8.5 MP-Gen verpflichten kann. Einer der Vorteile der OLEDs ist die schnelle Reaktion, die typischerweise 1000 Mal schneller ist als LCDs. Der folgende Screenshot zeigt keine sichtbare Bewegungsunschärfe oder latente Bilder von vorherigen Refresh-Zyklen, so dass die Reaktionszeit optisch nicht unterscheidbar ist vom Nullpunkt ohne sichtbare Anzeige basierend auf der Bewegungsunschärfe im Vergleich zu einem ähnlichen Screenshot eines aktuellen LED-basierten LCDs. Laut Displaymate ist der LG AMOLED-Fernseher der beste hinsichtlich der Bildanzeige, den die Organisation bislang getestet hat. Warum gibt es also so viele negative Berichte über die OLED-Fernseher? Einige kritisieren OLEDs, weil Panasonic und Sony aus dem Rennen ausgestiegen sind. Es ist zu beachten, dass sowohl Sony und Panasonic das Panel-Produktionsgeschäft verlassen haben und auf den Panel-Zukauf für ihre Fernseher umgestiegen sind. Andere behaupten, dass auch Samsung die Produktion zurückgestellt hat. Aber der Hauptnachteil ist der hohe Preis, den Samsung und LG erhoben haben, der bei ca. 10.000 US$ begann und nun bei ca. 5.000 US$ liegt. Dieser Preis ist immer noch mindestens doppelt so hoch wie vergleichbare LCD-Fernseher. Potenzielle Käufer finden es schwierig, die Unterschiede zu sehen, obwohl Experten behaupten, dass OLEDs sehr viel besser sind. Darüber hinaus verfügen LCD-Fernseher im oberen Preissegment nun über UHD-Auflösung, was das Vierfache der Anzahl der Pixel vom FHD beträgt. Zur Beachtung: es gibt eigentlich nichts in OLEDs, das ihre Auflösung begrenzt, wie in der Tat UHD AMOLEDs bereits gezeigt haben.

Demo der Reaktionszeiten LCD vs OLED

reaktionszeit-oled-vs-lcd
Links OLED TV Motion Blur Screen Shot
1352 Pixels Pro Sekunde 1/250th Sec Photo
Rechts ein LCD TV Motion Blur Screen Shot
1352 Pixels pro Sekunde/250th Sec Foto: DisplayMate

OLED-Display – Auslieferungen, Umsatz und Durchschnittspreise

OLED-Displays verzeichneten in den letzten drei Jahren ein deutliches Wachstum. Die Wachstumsrate bei den Auslieferungen stieg um 65 %, während die Wachstumsrate beim Umsatz 105 % betrug im Zeitraum vom Jahr 2010 bis 2013, wie in den Darstellungen 2 und 3 abgebildet. Das Wachstum bei den Auslieferungen und im Umsatz ist ausschließlich auf Smartphones zurückzuführen, welche ein Auslieferungsvolumen von 200 Mio. Einheiten und einen Umsatz von 10 Mrd. US$ im Jahr 2013 hatten.

AMOLED Auslieferungen (Tsd.)
Die nächste Abbildung zeigt den Verlauf der Durchschnittspreise. Wie bereits erwähnt, stiegen die durchschnittlichen Verkaufspreise von Smartphones im zeitlichen Verlauf von durchschnittlich 38 US$ im Q111 auf 49 US$ bis Q413. Diese Erhöhung ist auf die Steigung der Durchschnittsgröße von
4 “ auf 5,3 “ zurückzuführen. Fernsehpreise fielen von 5.500 US$ auf 3.625 US$, größtenteils aufgrund der erhöhten Renditen und Marktbedingungen.
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Blick in die Zukunft

Im Verlauf des Jahres 2013 wurde die AMOLED Produktion von Samsung dominiert. 99 % der Fläche von AMOLED-Displays und 97% der Einnahmen wurden von Samsung generiert. Das Jahr 2014 verspricht Kontinuität für Samsung, da das Unternehmen seine Produktion mit einer 6. GEN FAB für flexible Displays erweitert, deren Kapazität auf > 50K Substrate / Monat ausgelegt ist. Mit der Marktsättigung von Smartphones im höheren Preissegment hat Samsung einige Produktionsressourcen in den Tablet-Markt verschoben, siehe das kürzlich angekündigte Galaxy Tab S mit 8.4″und 10,5″-Modellen. Mit 2560×1600 erzeugt die Auflösung 356 bzw. 288 ppi.

Samsung hat die Kostenprobleme mit diesen größeren Displays überwunden und glaubt nun, dass AMOLEDs konkurrenzfähig sind im Wettbewerb mit ähnlichen LC-Displays mit hoher Dichte. Allerdings gibt es deutliche Anzeichen, dass Samsung im Jahr 2014 langsam Gegenwind zu spüren bekommen wird, was sich im Jahr 2015 noch verstärken wird. Wie bereits erwähnt, erwartet LG, eine Gen 8.5 im 4. Quartal 2014 in Betrieb zu nehmen, die eine installierte Leistung von ca. 24 K Substraten pro Monat haben wird. LG plant außerdem, seine Kapazität von flexiblen Displays zu erweitern und profitiert von den Gerüchten über eine Smart Watch, die Apple noch in diesem Jahr auf den Markt bringen soll und welche über eine ca. 1,2 Zoll flexible OLED verfügen soll. Prognosen von 50 Mio. Einheiten pro Jahr würden Kapazitäten von Massen-Anwendungen in Höhe von über 70 Mio. qm / Jahr benötigen oder 20% der AMOLED-Gesamtproduktion im Jahr 2013 erfordern.

Es wird erwartet, dass AUO in Taiwan in die Massenproduktion unter Verwendung seiner Gen 4.5 LTPS-Fab in Singapur einsteigen wird. Doch in den letzten paar Jahren hat AUO angedeutet, dass ihre AMOLED-Fertigung bevorstand, nur um die Produktion aufgrund der schlechten Renditen zu verzögern. JDI und Sharp in Japan haben auch höhere Forschungs- und Entwicklungskosten für AMOLED angekündigt, doch keiner der beiden scheint für die Massenproduktion für mindestens zwei Jahre bereit zu sein, da bisher keine Aufträge über Produktionsanlagen platziert wurden.

Samsung Galaxy Tab S mit 8,4 Zoll Display
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Am meisten macht es Sinn, in China nach neuen Produktionsanlagen zu suchen. Mehrere chinesische Flachbildschirm-Anbieter haben F & E-Anstrengungen hinsichtlich der Entwicklung von AMOLED-Fabs angekündigt. Die allgemeine Strategie ist es, 1) eine Gen 4.5 LTPS Fab zu bauen, 2) die Fab zur Massenproduktion mit LTPS und Flüssigkristall zu bringen, 3) die Kapazitäten teilweise auf AMOLEDs umstellen, bis der Prozess beherrscht wird und dann 4) die vollständige Umstellung auf AMOLEDs. Dieser Ansatz macht Sinn, weil China das Zentrum der Smartphone-Produktion ist, es einen Bedarf für mehr LTPS-Kapazität gibt, da die Nachfrage nach Displays mit hoher Dichte steigt und die lokalen Smartphone-Produzenten mit Apple und Samsung konkurrieren müssen und deshalb OLEDs als eine Möglichkeit sehen, gleiche Bedingungen auf dem Markt zu schaffen.

Ausblick der AMOLED Kapazität China

Die nächste Tabelle zeigt die Kapazitätenplanung der größten chinesischen Produzenten von Flachbildschirmen. Das Wort „größten“ ist wichtig, denn es gibt verschiedene Start-Ups, die von den chinesischen Regionalregierungen subventioniert werden und die im Verborgenen arbeiten.
Die OLED-Technologie hat sich rasch entwickelt und wird sich wahrscheinlich weiter in den nächsten 5 Jahren ändern. Bezeichnend für die Notwendigkeit einer Änderung ist das Fehlen von Standardprozessen oder Werkzeugen für die Herstellung von Displays sowie die breite Palette an Leistungen in Bezug auf die Ausbeute und die Panel-Wirksamkeit. Für kleine, mittlere Displays sind die Präferenzen wie folgt: Backplane-Größe Gen 5.5 und Typ LTPS; organisches Design R, G, B mit FMM und Emissionsstruktur der Oberfläche und Verkapselung mit Glas. Für großflächige Displays sind die Präferenzen Backplane-Größe Gen 8.5 und Typ LTPS oder IGZO; organisches Design R, G, B mit Small-Mask-Technologie oder RGBW (weiß) mit Farbfilter, Emissionsstruktur der Unterfläche und Verkapselung in Glas. In Sachen Ausstattung zeigen die nächsten beiden Tabellen die Gegebenheiten der koreanischen und nicht-koreanischen Hersteller für starre und flexible Substrate.
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Chinesische Firmen:
Irico, Csot, BOE, Jilian, AIV-BEX, Tianyi, Waki-Koden, Hehui, Guoxhian, Tianma, Ever Display, Visionox

Die drei wichtigsten Technologiebereiche, die von den Herstellern der AMOLED-Panels betrachtet werden, werden die zukünftige Marktfähigkeit von OLEDs bestimmen und ermitteln, ob sie in kleinen/mittleren und großflächigen Displays konkurrieren können.
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Art der OLED Backplane

· Art der Backplane — LTPS von Samsung wird sowohl in kleinen/mittleren und großflächigen Displays verwendet, aber Metalloxide (MO) von LG verfügten über die größte Dynamik in großflächigen Geräten. Es hat sich gezeigt, dass LTPS in so kleinen Substraten wie Gen 2 und so großen Substraten wie Gen 8.5 funktionieren. Jedoch sind die Kosten für Capex bei LTPS fast 2 Mal so hoch wie bei IGZO und für großflächige Anzeigen ist die Kostenlast signifikant. Abbildung 6 zeigt, wie der Laser in einer Gen 8.5-Umgebung arbeitet; Im Wesentlichen gibt es zwei Laser, die verwendet werden, um das gesamte Substrat gleichzeitig abzudecken. Allerdings ist MA noch eine relativ unreife Technologie und die Ausbeuten sind geringer als bei LTPS. Darüber hinaus ist die langfristige Stabilität von TFTs mit hohen Arbeitszyklen eine größere Herausforderung für MO als LTPS. Eine Zusammenfassung der Unterschiede von MO und LTPS wird in der nächsten Tabelle gezeigt. Doch eine weitere Backplane-Technologie wurde von Sony und kürzlich auch von Plastic Logic vorgestellt. Diese Backplanes verwenden organische TFTs (Polymere), die auf Kunststoffsubstraten in besonderen Umgebungsbedingungen gedruckt werden und benötigen kein teure lithographische Ausrüstung. Die Herausforderung für diese Technologie ist, die entsprechend erforderliche Beweglichkeit, Stabilität und Gleichförmigkeit zu erreichen. Plastic Logic erwartet, dass reale Produkte innerhalb von 2 Jahren für die Produktion bereit sind.

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Excimer-Laser auf Gen 8.5 Substrat, präsentiert von Coherent bei DisplayWorks 2014

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Material – bis heute ist das einzig verwendete Material in kommerziellen OLED-Displays ein kleines Molekül in Pulverform. Die lichtemittierenden Schichten sind entweder phosphoreszierend oder fluoreszierend. Dieses Material hat sich als herstellbar und effizient bewiesen und hat die höchste Lebensdauer für Smartphones oder Fernseher. Das Problem mit Pulvermaterial ist, dass es auf das Substrat aufgedampft werden muss. Das Verfahren gilt als zuverlässig, doch es findet eine Materialverschwendung statt. Typischerweise liegen die Nutzungsraten bei Vakuumbeschichtung im Bereich von 20 % bis 30 % ohne FMM und unter 5 % mit FMM. Die schlechte Ausnutzungsrate führt zu hohen Kosten, da die Materialkosten zwischen 1.000 US $ bis 2.000 US $ pro Gramm liegen. Die damit verbundenen Lizenzgebühren betragen 0,03 bis 0,05% des gesamten Panel-Preises und erhöhen so die Kosten. Die Alternative ist, organisches Material in Form einer Lösung zu verwenden, die aus Polymeren besteht und die für kleines Molekülmaterial geeignet ist. Es wurde gezeigt, dass diese flüssigen Formen von organischem Material die Wirkungsgrade von kleinem Molekülpulver haben, doch leider ist die Lebensdauer nicht zweckmäßig. Wenn es Material gäbe, das in Lösungen verarbeitet werden könnte, würden die Nutzungsraten auf 75 % oder mehr ansteigen und die Materialmenge könnte gesenkt werden.

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Erich Strasser
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