Yeah, science: So funktionieren OLEDs

OLED. Die Technologie beherrscht den TV-Markt im hochpreisigen Segment. Auch Smartphone-Hersteller greifen oft auf OLEDs zurück. Ihre Besonderheit ist, dass die LEDs – die Leuchtdioden – organisch und viel kleiner sind, als synthetische LEDs. Dadurch können sie das Bild erzeugen und gleichzeitig ihre eigene Lichtquelle sein.

Moment – OLEDs erzeugen das Bild und leuchten von selbst?

Jep, so ist es. Wie genau das funktioniert, das erkläre ich dir in diesem Artikel.

Wandernde Elektronen in organischen Schichten

Ein OLED-Pixel hat sechs verschiedenen Schichten. Oben und unten befinden sich zwei hauchdünne Glasschichten, die Substrate. Sie halten das OLED-Sandwich zusammen und schützen es. Zwischen den beiden Glasschichten befinden sich zwei Elektroden – die Kathode und die Anode. Durch sie wird elektrische Spannung erzeugt. Zwischen den beiden Elektroden befinden sich die beiden innersten Schichten: Die Emitterschicht und die Lochleitungsschicht. Sie sind organisch, und in ihnen entsteht das Licht.

Achtung, jetzt wird’s abstrakt. Physik auf molekularer Ebene und so.

1. Schritt: Spannungsaufbau

Um ein OLED-Pixel zum Leuchten zu bringen, wird es unter Spannung gesetzt: Strom fliesst durch die Kathode rein und durch die Anode wieder raus – ein elektrischer Stromkreis entsteht.

2. Schritt: Elektronen und Löcher werden ins System eingefügt

Sobald Strom durch das Pixel fliesst, erhält die Kathode von der Energiequelle sogenannte Elektronen – negativ geladene Elementarteile. Gleichzeitig verliert die Anode Elektronen, die durch sie aus dem Pixel austreten. Die austretenden Elektronen hinterlassen «Löcher».

Löcher in der Physik stellen nicht etwa Schlaglöcher oder Löcher in der Hose dar, sondern einen «unbesetzten Zustand». Diese Art von Löcher können ohne Elektronen nicht existieren. Das ist wie bei Luftblasen im Wasser: Die Elektronen sind das Wasser, während die Luft in den Luftblasen die positive Ladung ist. Die Löcher sind die Luftblasen selbst, die es ohne Wasser drumherum gar nicht geben kann.

Falls dir das zu abstrakt ist: Stell dir die Elektronen und Löcher als Teile mit einer elektrischen Ladung vor. Elektronen sind negativ geladen, Löcher hingegen positiv. Um zu verstehen, was als nächstes passiert, reicht das aus.

3. Schritt: Löcher wandern hoch und Elektronen runter

Die positiv geladenen Löcher wandern in die Lochleitungsschicht, während gleichzeitig die negativ geladenen Elektronen in die Emitterschicht wandern. Dadurch lädt sich die Lochleitungsschicht positiv auf, die Emitterschicht hingegen negativ.

4. Schritt: Löcher treffen auf Elektronen

Löcher sind viel beweglicher als Elektronen. Deshalb springen sie von ihrer Schicht in die Emitterschicht der Elektronen. Wenn ein positiv geladenes Loch auf ein negativ geladenes Elektron prallt, heben sich die beiden entgegengesetzten Spannungen auf. Der Aufprall löst einen kurzen Ausstoss von Energie in Form eines Lichtpartikels aus – es entsteht ein Photon.

Weil es Hunderte solcher Aufpralle innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde gibt, produziert ein OLED-Pixel konstant Licht, solange es unter Spannung steht. Wird die Spannung unterbrochen, hört das Pixel auf zu leuchten. Weil es keine Hintergrundbeleuchtung gibt, können OLEDs echtes Schwarz darstellen – es hat sich die Bezeichnung «True Black» eingebürgert.

OLEDs können sich natürlich nicht bloss ein- oder ausschalten. Die Helligkeit jedes Pixels kann durch die Höhe der Spannung beeinflusst werden. Je mehr Spannung, desto mehr Elektronen und Löcher fliessen durch die organischen Schichten. Weil mehr Elektronen und Löcher da sind, gibt es mehr Zusammenstösse. Je mehr Zusammenstösse, desto mehr Photonen – also Lichtpartikel – entstehen. Und je mehr Lichtpartikel entstehen, desto heller leuchtet das OLED-Pixel.

Der gesamte Vorgang kann zu vier Schritten zusammengefasst werden:

1. Das OLED-Pixel wird unter elektrischer Spannung gesetzt
2. Elektronen treten durch die Kathode ein, Löcher durch die Anode
3. Die Löcher prallen auf die Elektronen
4. Beim Aufprall werden Lichtpartikel freigesetzt, welche die Helligkeit beeinflussen

Und die Farbe?

Damit ein OLED-Pixel farbiges Licht erzeugt, wird über oder unter einer der beiden Glasschichten ein Farbfilter mit der gewünschten Farbe gelegt. Soll das OLED-Pixel also rot leuchten, wird ein roter Farbfilter ins Sandwich eingefügt.

Wie können Pixel ihre Farbe ändern? Ein OLED-Pixel besteht üblicherweise aus vier einzelnen Subpixeln – ein rotes, ein grünes, ein blaues und ein weisses. Je nachdem, wie stark jedes Subpixel leuchtet, nimmt das OLED die gewünschte Farbe an. Leuchten beispielsweise alle vier Subpixel gleich stark, wird das OLED-Pixel weiss.

So können Millionen OLED-Pixel, die nebeneinander liegen, unterschiedliche Farben annehmen. Jedes Pixel leuchtet von selbst und kann seine Helligkeit und Farbe unabhängig vom anderen Pixel beeinflussen – ein Bild entsteht.