CES 2021: All-Digital but Virtually IRL with OLED Technology

Sofort nach dem Start in das Jahr 2021 geht es zur CES, dem wichtigsten jährlichen Zusammentreffen für Innovationen in der Unterhaltungselektronik. Die diesjährige Veranstaltung wird 1000 Exponate und 100 Programmstunden umfassen. Alles ist digital, aber In Real Life (IRL)”, dank kontinuierlicher Innovationen in der Display-Technologie.

Für die Scharen von Besuchern, die sich über ihre mobilen High-End-Geräte einschalten, ist das Zuschauererlebnis immersiver denn je. Denn trotz der Pandemie setzten führende Marken ihre Tradition fort, aufregende neue Smartphones auf den Markt zu bringen. Apple stellte seine iPhone12-Familie vor, Samsung präsentierte sein neuestes faltbares Gerät, das Galaxy Z Fold 2, und Huawei stellte sein P40 Pro vor – alle mit OLED-Technologie.

Die Vorteile der OLED-Technologie sind hinlänglich bekannt. Beispiellose Farbklarheit, sowie flexible Displays, die Geräte wie das Galaxy Z Fold charakterisiereb, und vieles mehr. Diese Vorteile sorgen für ein schnelles Wachstum des OLED-Display-Marktes weltweit. Allein in China haben Unternehmen in den letzten Jahren zusammen 49 Milliarden Dollar in die OLED-Technologie investiert um 12 OLED-Produktionslinien zu bauen. Sieben weitere befinden sich im Bau.

Dennoch gibt es noch ungenutzte Effizienzpotenziale, die die Leistung von OLED-Geräten weiter maximieren könnten. Mit neuen Innovationen bei den Emitter-Materialien werden die Smartphones der nächsten Generation mit einer höheren Energieeffizienz und einer noch längeren Akkulaufzeit ausgestattet sein.

In unserem ersten Blog des Jahres 2021 haben wir einen unserer Wissenschaftler eingeladen, mit uns in die OLED-Emissionsschichten einzutauchen und zu erklären, wie Materialinnovationen die Energieeffizienz von Smartphones der nächsten Generation verbessern werden.

Blau: Das ist es, was OLEDs Power gibt

Der Prozess, der zur Lichtemission führt
Im OLED-Stack gibt es zwei Arten von Ladungen: Elektronen (mit einer negativen Ladung) und Löcher (mit einer positiven Ladung). Wenn eine Spannung angelegt wird, wandern die Ladungen über die gegenüberliegenden Seiten des Bauelements in Richtung der emittierenden Schicht. Hier treffen die entgegengesetzten Ladungen aufeinander und bilden ein sogenanntes Exziton. Nach kurzer Zeit zerfällt das Exziton und sendet Licht aus. Das Verhältnis zwischen der Anzahl der von der Oberfläche des Bauelements emittierten Photonen und der Anzahl der injizierten Ladungen ist ein Maß für die Effizienz. Es wird externe Quanteneffizienz (EQE) genannt. Andere wesentliche Parameter wie Farbe, Leistungseffizienz und Lebensdauer werden stark von den Prozessen in dieser Schicht beeinflusst.

Die Emitter-Materialien, die in den heutigen OLED-Produkten (Fernseher, Smartphones, etc.) zu finden sind, sind das Ergebnis von mehr als 30 Jahren Forschung und Entwicklung unter der Leitung von industriellen und akademischen Kooperationen.

Im Schnittpunkt von Rot, Grün und Blau
Ein OLED-Display besteht aus drei verschiedenen Arten von Pixeln – Rot, Grün und Blau. Durch die Kombination dieser Farben kann die gesamte Farbskala dargestellt werden. Jedes Pixel ist ein separates OLED-Bauteil und für jede Farbe unterscheidet sich der Emitter erheblich. Rot und Grün sind phosphoreszierende Emitter, die Schwermetall- und Seltene-Erden-Materialien verwenden, um eine hohe Effizienz und Lebensdauer des Displays zu erreichen

Blau: Die Quelle zur neuen Effizienz
Blau ist der Ausreißer. Da blaue phosphoreszierende Emitter eine sehr schlechte Lebensdauer aufweisen, können sie nicht in einem OLED-Display verwendet werden. Blaues Licht hat eine viel höhere Energie als rotes und grünes Licht. In der Tat ist die Energie so hoch, dass die Materialien in phosphoreszierenden blauen OLEDs viel schneller degradieren als in rot und grün phosphoreszierenden OLEDs. Um dieses Problem zu lösen, werden fluoreszierende Materialien als Emitter verwendet. Sie sind zwar viel stabiler als blau phosphoreszierende Emitter, aber die Effizienz ist schlecht.

Blau ist der am wenigsten effiziente Emitter. Während rote und grüne Leuchtstoffe 100 % der Exzitonen zur Lichtemission nutzen können, sind fluoreszierende Materialien auf nur 25 % beschränkt. Innerhalb eines Geräts bedeutet dies maximale EQEs von 25-35% für grüne und rote, aber nur 10% für blaue Pixel. Diese Diskrepanz wirkt sich auf den Stromverbrauch aus. In Mobiltelefonen verbraucht Blau bis zu 10 % des gesamten Stromverbrauchs. Die Verbesserung der Effizienz ist der grundlegende Weg, um den Stromverbrauch zu reduzieren und eine längere Akkulaufzeit zu ermöglichen.

CYNORAs Fluoreszenz-Blau-Ansatz

CYNORA’s cyBlueBooster™

CYNORA adressiert diese Technologie-Lücke mit seinem Fluorescent Blue Produkt, dem cyBlueBooster (TM). Dieser Ansatz verwendet ein Host-Material, das die Ladungen zum Emitter trägt (wie typische OLED Hosts) und gleichzeitig als Pumpe für die Effizienz fungiert, indem es seine Energie in das emittierende blaue Material überträgt. Dieser Ansatz erhöht die Effizienz der Exzitonennutzung von 25% auf ca. 40% und verbessert die EQE auf >10%, ohne die Stabilität des Bauelements zu beeinträchtigen. Durch die Nutzung von CYNORAs umfangreicher Erfahrung im Moleküldesign wird die intrinsische Effizienz des Materials weiter verbessert. Der Gesamteffekt ist eine Erhöhung der Lebensdauer des blauen Pixels und eine Leistungssteigerung für den blauen Emitter.

Die Effizienz ist jedoch nur ein Teil des Ganzen. Die Farbreinheit und die Materialstabilität können ebenfalls eine Herausforderung für den fluoreszierenden blauen Ansatz darstellen. Die Farbreinheit ist eine Kombination aus Spitzenemission und Spitzenschärfe. Echte tiefblaue Farbreinheit kann nur mit präzisen Emitter-Materialdesignstrategien erreicht werden. Wenn ein Material von der Spezifikation abweicht, müssen erhebliche Änderungen am OLED-Stack vorgenommen werden, um die Pixelleistung zu optimieren. Dies ist kostspielig und in großen Produktionsanlagen sehr aufwändig. Die Lebensdauer ist das letzte Puzzleteil, da nicht alle fluoreszierenden blauen Dotierstoffe die erforderliche Stabilität erreichen können, um sie zu erfolgreichen Kandidaten für Displays zu machen.

Während die jüngsten Materialinnovationen Materialdotierungen hervorgebracht haben, die eine hohe Effizienz ODER eine gute Farbreinheit mit unterschiedlichen Lebensdauern liefern, bietet CYNORAs fluoreszierendes Blau beides in einem einzigen emittierenden Material. Im Vergleich zu ähnlichen Produkten bietet es eine Effizienzsteigerung von >15% und eine echte Farbreinheit (<30nm full-width at half maximum) mit Vorteilen bei der Lebensdauer, die es zu einer guten Wahl für heutige Anwendungen machen. Erhältlich in verschiedenen Blautönen, können Displayhersteller den Emitter für ihre einzigartigen Produkte auswählen und optimieren, ohne ihre OLED-Stacks oder Prozesse zu verändern.

Ein besseres Blau bedeutet, dass die nächste Generation von Smartphones einen geringeren Stromverbrauch der blauen Pixel (und damit der Displays) erreichen kann, während die Farbqualität weiter verbessert wird – ohne Einbußen bei der Lebensdauer.

Image credit: CES