Micro LED Display Technologie

Die Micro LED Technologie (auch μLED, MikroLED, MicroLED, MLED) wurde durch Samsung bekannt. Samsung behauptet – der Micro LED Display Technologie gehört die Zukunft. Samsung hat sie erstmal auf der CES 2018 Messe in Las Vegas präsentiert. Und zwar in der Form sogenannter „Wand“ (The Wall). Es handelte sich um einen 146″ Modular Fernseher. Er bestand eigentlich aus vielen einzelnen 9,37″ großen Modulen. Diese Module lassen sich nahtlos zusammenführen. Dadurch ist eine einfache Anpassung der Displaygröße und Auflösung möglich. Unten ist das offizielle Samsung Video davon.

Auf der CES 2019 Messe ist Samsung einen Schritt weiter gegangen. Es wurden eine 219-Zoll Videowand und ein 75-Zoll Micro LED vorgestellt. Aber was steckt eigentlich dahinter? Ist die Technologie wirklich so neu?

Die eigentliche Technologie wurde im Jahr 2000, auf Kansas State University entwickelt. Ein Prototyp wurde zum ersten Mal im Jahr 2012 vorgestellt. Und zwar in Form einer 55-Zoll „Crystal LED Display“ von Sony. Aber bis Jahr 2016 hat niemand an eine Vermarktung gedacht. Erst dann wurden neue Herstellungsprozesse entwickelt, die eine Massenproduktion theoretisch ermöglichen. Heutzutage arbeitet außer Samsung und Sony auch Apple intensiv daran. Und auch eine Reihe Asiatischen Display-Hersteller, die sich aber überwiegend an die Industrie-Anwendungen konzentrieren.

Aber was bedeutet überhaupt Micro-LED? Um es zu verstehen, muss man ganz von vorne anfangen. Daher erklären wir in nächsten Abschnitten die wichtigsten Flachbildschirm-Display-Technologien und deren Unterschiede. Dabei überspringen wir die überholten Technologien. Folgende vier Technologien beschreiben wir zuerst kurz:

TFT LCD und LED
QLED
OLED
MLED

2. TFT LCD Display Technologie

Der Name klingt schon kryptisch. Die Abkürzung bedeutet „Thin Film Transistor“ „Liquid Crystal Display“.

Micro LED Display Technologie - TFT LCD Prinzip — Foto: Japan Display Inc.

Es funktioniert folgendermaßen (stark vereinfacht): Hinter dem Display befindet sich eine Hintergrundbeleuchtung. Zwischen zwei Glasplatten befinden sich Flüssigkristalle (eng. Liquid Crystal). Ohne angelegte elektrische Spannung sind die Kristall-Moleküle parallel zur Glasoberfläche. Man sieht (fast) das komplette Licht von der Hintergrundbeleuchtung. Wenn man eine elektrisch Spannung anlegt, orientieren sich die Moleküle vertikal zum Glas. Es ändert sich die Transparenz und man sieht daher nur einen Teil der Hintergrundbeleuchtung. Mit unterschiedlichen Spannungen, optischen Filter und Polarisatoren kann man die Transparenz steuern. Bis (theoretisch) kein Licht mehr durchdringt. In Praxis ist so was nicht möglich, daher ist ein LCD Display nie richtig schwarz. Hierbei ist es nicht möglich verschiedene Farben zu sehen. Falls man auch diese haben will, wird es komplizierter.

2.1 RGB LCD TFT Display

Ein herkömmliches LCD TFT Display besteht aus vielen Pixeln. Diese sind wiederum in jeweils drei Unterpixeln (RGB – rot, grün, blau) unterteilt. Um diese zu steuern braucht man einen „Thin Film Transistor – TFT“. Und zwar für jeden Unterpixel. Für ein Full-HD Display (1920 x 1080 Pixel) braucht man also über 6 Milionen Transistoren. Jeder davon hat eigene Flüssigkristalle. Mit der Spannung steuert man die Orientierung der Kristalle und damit die Lichtdurchlässigkeit. Zusätzlich werden noch verschiedene Farbfilter und Licht-Polarisatoren eingesetzt. Damit erzielt man die gewünschte Farbe.

Heutzutage werden mehrere Techniken eingesetzt. Die heißen etwa TN, PVA, MVA, IPS. Sie unterscheiden sich untereinander wie die Kristalle angeordnet und angesteuert werden. Das Grundprinzip bleibt aber immer gleich. Egal welche Technik man verwenden, es bleiben immer ein Paar grundsätzliche Nachteile, die in der Natur dieser Technik liegen:

Die schwarze Farbe ist nicht hinzukriegen. Es ist nämlich unmöglich komplett die Hintergrundbeleuchtung zu blockieren. Ein wenig Licht kommt immer durch.
Relativ hoher Stromverbrauch. Die Hintergrundbeleuchtung ist immer an, die wird nur teilweise nicht durchgelassen. Als Hintergrundbeleuchtung werden hier Leuchtröhren (CCFL) verwendet. Die sind energetisch sehr ineffizient.
Flüssigkristalle sind träge. Die sind eine dicke Flüssigkeit und brauchen einfach eine gewisse Zeit um sich zu orientieren. Unter Verwendung verschiedener Techniken wurde die Reaktionszeit auf ca 1ms reduziert. Viel besser geht es aber nicht. Es ist einfach durch die Physik begrenzt.
Temperaturabhängigkeit von Flüssigkristallen.

3. LED Display

Genaugenommen ist ein LED Display auch ein TFT LCD. Der Unterschied – die Hintergrundbeleuchtung. Die herkömmlichen LCD TFT haben nämlich eine Elektrolumineszenz-Folie oder eine Kaltkathoden-Beleuchtung als Hintergrundbeleuchtung. Hier übernehmen die LEDs diese Rolle. Eigentlich ist der Begriff LED Fernseher, die Hersteller gerne verwenden, falsch. Es müsste eigentlich „LCD Fernseher mit LED Hintergrundbeleuchtung heißen“.

Micro LED Display Technologie CCFL Display-Hintergrundbeleuchtung

Die Leuchtdioden (LED – eng. light emmiting diode) als Hintergrundbeleuchtung haben deutliche Vorteile:

geringerer Stromverbrauch, dadurch auch weniger Wärme
LED lassen sich auch lokal dimmen – besserer Kontrast
Hohe Lebensdauer und Stabilität
Weniger Volumen, damit wird das Display insgesamt dünner.
Schnellere Reaktion

Bei den Fernseher werden aktuell zwei Techniken verwendet:

Edge LED – hier befindet sich die LED Beleuchtung nur an den Rändern. Hier gibt es zwei Varianten:
a) mit Lokal-Dimming
b) ohne Lokal-Dimming
Damit das Display gleichmäßig ausleuchtet, befindet sich eine Diffusor-Schicht oben drauf. Die Beleuchtung bliebt aber trotzdem nicht homogen. Vor allem an Ecken ist dieses deutlich zu sehen.
Direct LED (full array dimming). Hier sind die LEDs über die gesamte Display-Oberfläche verteilt. Damit ist die Display-Fläche gleichmäßig beleuchtet. Auch hier gibt es mehrere Varianten:
a) ohne Local-Dimming
b) mit Local-Dimming – die LEDs sind dabei in kleineren Blöcken zusammengefügt und lassen sich unabhängig voneinander dimmen. Dadurch erreicht man einen guten Kontrast. Je nach dem Hersteller und Modell gibt es unterschiedlich viele lokale Zonen. So haben etwa die besten Modelle von Samsung 240 Dimming-Zonen. Manche billigere Modelle bestehen aus nur 12 Zonen. Davon profitieren vor allem die Szenen wo es gleichzeitig sehr helle und sehr dunkle Bereich gibt. Etwa der Vollmond am Nachthimmel.
c) Direkt-RGB-LED – Die LEDs sind hier farbig. Damit lassen sich Farben und Kontraste (theoretisch) noch besser wiedergeben.

Micro LED Display Technologie - Direct LED Display-Hintergrundbeleuchtung

Das Video von Panasonic zeigt den Vorteil von Direct LED Displays:

4. QLED Display

Ein QLED Display ist ebenfalls nur ein LCD. Für die Hintergrundbeleuchtung werden auch hier LEDs eingesetzt. Bei den LED Displays wird jedoch eine weiße Folie als Diffusor eingesetzt. Dieser ist für die gleichmäßige Ausleuchtung verantwortlich. Bei einem QLED Display werden stattdessen die „Quanten Dots“ verwendet. Diese Quantenpunkten sind kleine Nano-Partikel, die das Licht selbst senden, wenn sie von einem Photon getroffen werden. Abhängig von der Größe geben sie unterschiedliche Leuchtfarben (Wellenlängen) ab. Die Vorteile sind:

ein breites Farbspektrum
fast perfekte weiße Farbe
extrem hohe Helligkeit
hohe Lebensdauer und keine Farbspektrum-Verschiebung mit der Zeit.

Allerdings hat die QLED Technologie auch gewisse Nachteile:

Eine wirklich schwarze Farbe ist auch mit QLED nicht machbar. Es bleibt immer eine Rest-Hintergrundbeleuchtung übrig.

Micro LED Display Technologie - QLED vs OLED — Quelle: Samsung

5. OLED – der Vorgänger der Micro LED Display Technologie

LED und QLED sind eigentlich nur Varianten eines LCD Displays. Der Hauptunterschied liegt dabei in deren Hintergrundbeleuchtung. OLED ist dagegen anders. Es ist kein LCD, sondern tatsächlich eine andere Technologie. OLED Displays haben nämlich keine Hintergrundbeleuchtung. Stattdessen leuchten die selbst.

Ein OLED Display besteht aus einer OLED Matrix. OLED (eng. organic light emitting diode) ist eine organische Leuchtdiode. Jedes OLED Pixel besteht dabei aus drei Grund-Dioden: rot, grün und blau. Wenn man ein schwarzes Pixel haben will, schaltet man die Dioden einfach aus. Dadurch ist zum ersten Mal eine wirklich schwarze Farbe gelungen. Bei einem AMOLED (eng. active matrix OLED) Display wird eine aktive, statt passive Matrix verwendet. Dadurch reagiert es schneller und verbraucht weniger Strom.

Aber auch ein OLED Display hat gewisse Vor- und Nachteile:

Pros

schwarz nicht dunkelgrau, sondern richtig schwarz (keine Hintergrundbeleuchtung)
weniger Stromverbrauch
gebogene Displays und sogar Folien-Displays möglich
sehr guter Kontrast
kurze Reaktionszeit
möglich mit der Drucktechnik herzustellen

Cons

derzeit aufwendige Herstellung (im Reinraum)
geringe Lebensdauer der Dioden. Dadurch der Burn-In Effekt. Oder, besser gesagt, der „Burn Down“ Effekt.
schnellere Alterung der blauen Diode.
OLED reagiert mit Wasser. Dadurch eine perfekte Verkapselung des Displays notwendig.
Weiße Farbe ist eine Mischung der Grundfarben. Deshalb nicht perfekt weiß.
Lichtausbeute von OLEDs ist nicht allzu gut.

6. Micro LED Display Technologie

Endlich sind wir zu dem eigentlichen Thema gekommen. Micro LED oder mLED ist die neuste Entwicklung in der Display Technologie. Dabei ist sie der OLED Technik am nächsten. Allerdings mit einem wichtigen Unterschied: OLED Technik verwendet organische Leuchtdioden. Organisch heißt, dass die verschiedene Kohlenstoffverbindungen verwenden. Micro LED Display Technologie verwendet dagegen die herkömmliche Halbleiter.

Dadurch bleiben alle Vorteile der OLED Technologie erhalten. Vor allem die perfekt schwarze Farbe und hohe Kontrastwerte. Dazu kommt noch bessere Helligkeit als bei OLEDs. MLED hat nämlich eine höhere Lichtausbeute. Und alle drei Subpixel: rot, grün und blau altern gleich schnell. Dementsprechend bleibt auch der „burn in“ Effekt weg. Oder präziser gesagt „burn down“, weil manche Pixel schneller altern als die andere. Klassische Halbleiter haben ohnehin eine viel längere Lebensdauer als OLEDs.

7. MicroLED VS OLED – wer gewinnt?

Wer den ganzen Text gelesen hat, kann also nur zu einem Schluss kommen – OLED hat keine Chance. MLED hat immerhin (fast) alle Vorteile des OLEDs und bessert alle deren Nachteile aus. Sie ist deshalb die Technologie der Zukunft. Es ist aber leider nicht so einfach.

Micro LED Display Technologie hat leider Fertigungsprobleme. Wir haben gleich am Anfang geschrieben, dass „The Wall“ aus vielen kleineren Modulen besteht. Samsung versucht dies allerdings als einen großen Vorteil zu verkaufen. Die Wahrheit ist aber – die können überhaupt nicht anders. Der wichtigste Parameter für die Fertigung ist nämlich die Pixeldichte. Ein herkömmliches Display hat immer eine fixe Auflösung. Beispielsweise hat ein Full-HD Display immer dieselbe Anzahl der Punkte. Je kleiner der Bildschirm, desto dichter liegen die Pixel aneinander. Dies bringt schließlich eine Reihe technischen Problemen mit sich. Von Chipanbindung bis zu Wärmeableitung. Die Herausforderung liegt also nicht darin große, sondern kleinere Displays herzustellen.

Die Industrie wartet weiterhin auf einen Durchbruch. Demzufolge bleibt es uns nur abzuwarten. Ob und wann die Micro LED Display Technologie ihren Weg ins Heimkino findet ist derzeit nicht vorherzusehen.