Funktionsprinzipien und Vor-/Nachteilevergleich von LCD und OLED

01. Funktionsprinzipien von LCD und OLED

1.1. Funktionsprinzip des LCD-Displays

Das Querschnittsdiagramm eines LCDs sieht wie folgt aus und besteht im Wesentlichen aus 7 Schichten von unten nach oben: Hintergrundbeleuchtungsschicht, Vertikalpolarisator, Positivelektrodenschaltung, Flüssigkristallschicht, Negativelektrodenschaltung, Horizontalpolarisator und Farbfilter.

• Die unterste Hintergrundbeleuchtungsschicht emittiert weißes Licht, das den Farbfilter durchdringt und so die entsprechende Farbe annimmt. Hinweis: Die Hintergrundbeleuchtung besteht nicht aus einer separaten LED-Lampe unter jedem Pixel, sondern aus einer einzigen großen Hintergrundbeleuchtungsschicht für den gesamten Bildschirm.

• Wird an den positiven Elektrodenkreis eine Spannung angelegt, durchdringt diese die Flüssigkristallschicht und verbindet sich mit dem negativen Elektrodenkreis, wodurch ein geschlossener Stromkreis entsteht. Die Spannung bewirkt eine Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle. Dadurch blockiert die Flüssigkristallschicht, ähnlich einem Verschluss, einen Teil des Lichts. Durch Steuerung der Spannungsstärke lässt sich der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle und somit die Helligkeit der roten, grünen und blauen Subpixel steuern. Durch Ändern des Helligkeitsverhältnisses kann jede gewünschte Farbe gemischt werden.

1.2. Funktionsprinzip von OLED

OLED steht für organische Leuchtdiode . Wie LED-Bildschirme besitzt auch OLED drei Subpixel. Der Unterschied besteht darin, dass OLED keine Flüssigkristallschicht und keine Hintergrundbeleuchtung besitzt; es handelt sich um eine speziell entwickelte, selbstleuchtende Diode. Durch Steuerung der Spannung und damit des Stroms, der durch die Diode fließt, lässt sich deren Helligkeit und somit das Farbverhältnis jedes Subpixels anpassen, wodurch letztendlich die gewünschte Farbe gemischt wird.

• OLED-Displays besitzen keine Hintergrundbeleuchtung. Jedes Pixel lässt sich einzeln ein- und ausschalten. Im Gegensatz zu LCD-Bildschirmen, bei denen beim Einschalten die gesamte Hintergrundbeleuchtung leuchten muss, kann bei einem OLED-Display jedes Pixel als unabhängig steuerbare Lampe betrachtet werden. Dies ermöglicht Funktionen wie das Always-On-Display (AOD) , bei dem ein Teil der Pixel mit geringer Helligkeit und Bildwiederholfrequenz beleuchtet wird, um Uhrzeit, Benachrichtigungen und andere wichtige Informationen anzuzeigen, wenn das Telefon gesperrt ist.

02. Vergleich der Vor- und Nachteile von LCD und OLED

2.1. OLED hat einen geringeren Stromverbrauch

• Ein LCD-Bildschirm schaltet sich einmal ein, die gesamte Hintergrundbeleuchtung leuchtet auf und er verbraucht kontinuierlich Strom.

• Ein OLED-Bildschirm verbraucht nur dann mehr Strom als ein LCD-Bildschirm, wenn ein rein weißes Bild angezeigt wird. Allerdings lassen sich Helligkeit und Ein-/Aus-Zustand jedes einzelnen OLED-Pixels unabhängig steuern, was eine differenzierte Helligkeitsreduzierung oder sogar das Abschalten einzelner Pixel ermöglicht. Daher bietet ein OLED-Bildschirm in der Regel eine längere Akkulaufzeit, es sei denn, man verbringt längere Zeit auf einem weißen Bildschirm.

2.2. OLED bietet ein höheres Kontrastverhältnis

• Das Kontrastverhältnis beschreibt das Helligkeitsverhältnis zwischen dem hellsten Weiß und dem dunkelsten Schwarz. Ein höheres Verhältnis bedeutet lebendigere und sattere Farben.

• Damit ein LCD-Bildschirm reines Schwarz darstellen kann, müssten sich die Flüssigkristallmoleküle idealerweise vollständig schließen und die gesamte Hintergrundbeleuchtung blockieren. Da dies jedoch nicht möglich ist, dringt bei der Schwarzdarstellung eine geringe Menge weißen Lichts durch, sodass kein reines Schwarz, sondern ein deutlich abgedunkeltes Grau sichtbar ist. Diese Eigenschaft verhindert, dass LCDs echtes, reines Schwarz darstellen können.

• OLED-Bildschirme besitzen keine Hintergrundbeleuchtung, und jedes Pixel wird unabhängig angesteuert. Um Schwarz darzustellen, kann die Stromzufuhr zu diesen Pixeln vollständig unterbrochen werden, wodurch keine Lichtemission entsteht und ein echtes, reines Schwarz erreicht wird. Daher weisen OLED-Bildschirme ein höheres Kontrastverhältnis auf.

2.3. OLED bietet eine schnellere Reaktionszeit, was für dynamische Displays von Vorteil ist.

• Bei der Darstellung dynamischer Inhalte muss jedes Pixel seine Farbe schnell wechseln. Die für diesen Wechsel benötigte Zeit ist die Reaktionszeit des Bildschirms. Ist die Reaktionszeit zu lang, können die Pixel ihre Farbe nicht rechtzeitig ändern, was zu Nachbildern führt, da das vorherige Bild nicht vollständig verschwunden ist, bevor das nächste erscheint.

• LCDs schalten Farben um, indem sie die Drehung der Flüssigkristallmoleküle steuern. Die Geschwindigkeit dieser Drehung bestimmt direkt die Grau-zu-Grau-Reaktionszeit (GtG) des LCDs. Diese Drehgeschwindigkeit ist temperaturabhängig und verlangsamt sich bei niedrigeren Temperaturen, was in kalten Umgebungen zu sichtbaren Nachzieheffekten auf LCD-Bildschirmen führt.

• OLED-Bildschirme besitzen keine Flüssigkristallschicht und sind daher nicht durch diese eingeschränkt. Zwar weisen OLEDs eine Reaktionszeit auf, diese ist jedoch bei Farbübergängen sehr kurz, sodass kaum Nachzieheffekte auftreten. Der Wechsel zwischen reinem Schwarz und reinem Weiß dauert etwas länger, ist aber im Allgemeinen immer noch kürzer als bei den meisten LCDs. Daher bietet OLED einen entscheidenden Vorteil bei der Darstellung dynamischer Inhalte.

2.4. OLED kann dünner sein und ist faltbar

• OLED-Bildschirme, die keine Hintergrundbeleuchtung und Flüssigkristallschichten besitzen, lassen sich deutlich einfacher dünn herstellen und sind, ähnlich wie Papier, stark biegsam. Diese Biegsamkeit ermöglicht die einfache Realisierung von gebogenen Bildschirmen und verbessert so die wahrgenommene Qualität der Geräte erheblich.

• LCD-Bildschirme bestehen neben der Hintergrundbeleuchtung und den Flüssigkristallschichten auch aus Polarisatoren, wodurch sie deutlich dicker sind. Die Hintergrundbeleuchtung und die Flüssigkristallschichten sind auf starren Substraten montiert, die nur eine sehr geringe Biegung zulassen, wie sie typischerweise nur bei großen Bildschirmen wie Desktop-Monitoren auftritt.

2.5. OLED hat eine kürzere Lebensdauer

• Bei LCDs emittiert die Hintergrundbeleuchtungsschicht Licht. Die Flüssigkristallschicht steuert lediglich die Lichtblockierung, und der Filter verändert nur die Lichtfarbe; keine von beiden emittiert Licht. An die nicht-emittierende Flüssigkristallschicht wird eine Spannung angelegt.

• Bei OLEDs wird die Spannung direkt an die selbstemittierenden Dioden angelegt, was zu häufiger Elektronenwanderung innerhalb der Emitterschicht führt. Da die Emitterschicht selbst aus organischen Materialien besteht (die schneller altern als anorganische Materialien) und OLEDs selbstemittierend sind, ist ihre Lebensdauer im Vergleich zu LCDs deutlich kürzer.

2.6. LCD-Bildschirme leiden unter Lichthöfen

• Da LCD-Bildschirme über eine Hintergrundbeleuchtung verfügen und das Bildschirmpanel in ein Gerät eingebaut werden muss, kann Licht der Hintergrundbeleuchtung leicht an den Übergängen zwischen Bildschirm und Gehäuse austreten. Bei der Anzeige eines rein schwarzen Bildes können an den Rändern große Lichthöfe entstehen, die als „Lichthöfe“ bezeichnet werden.

2.7. OLED ist anfällig für Einbrennen.

• Bei LCDs ist die Hintergrundbeleuchtung eine einzige Einheit, und alle Pixel altern gleichmäßig.

Bei OLEDs emittiert jedes Pixel unabhängig Licht. Das bedeutet, dass verschiedene Bereiche des Bildschirms je nach Nutzung unterschiedlich schnell altern. Wird beispielsweise Bereich A dauerhaft blau angezeigt, verschleißen die blauen Subpixel dort schneller. Bei der späteren Anzeige einer einheitlichen Farbe wird das Blau in diesem Bereich etwas dunkler, was zu einem dauerhaften Nachbild führt, als ob das Bild in den Bildschirm „eingebrannt“ wäre. Dieses Phänomen wird als „Einbrennen“ bezeichnet (kein physisches Einbrennen, sondern ungleichmäßige Pixelalterung, die zu Farbunterschieden führt).

2.8. Sowohl LCD als auch OLED können Augenbelastung verursachen, jedoch auf unterschiedliche Weise.

• Die Bildschirmhelligkeit muss an das Umgebungslicht angepasst werden können. Hierfür werden hauptsächlich zwei Methoden verwendet: PWM (Pulsweitenmodulation) und DC-Dimmung (Gleichstromdimmung) .

• Die Gleichstromdimmung ist einfach: Sie steuert direkt die Spannung, um die Helligkeit zu verändern. Höhere Spannung bedeutet helleres Licht. Da die Lichtquelle kontinuierlich eingeschaltet bleibt, verursacht sie keine augenbelastung durch Flimmern.

• Die PWM-Dimmung passt die Helligkeit durch Variation des Tastverhältnisses (Ein-/Ausschaltzeit) an. Ein höheres Tastverhältnis bedeutet helleres Licht. Die Helligkeitsregelung erfolgt durch Ein- und Ausschalten des Lichts, wodurch ein Flimmern entsteht. Ein Nachteil ist die mögliche Augenbelastung; höhere Flimmerfrequenzen sind weniger wahrnehmbar.

• Aufgrund seiner bauartbedingten Eigenschaften führt die DC-Dimmung bei OLED-Bildschirmen mit sehr geringer Helligkeit zu einer zu niedrigen Spannung, die ein ungleichmäßiges, „verwaschenes“ Bild erzeugt und die Bildqualität erheblich beeinträchtigt. Daher können OLED-Bildschirme die DC-Dimmung nicht effektiv nutzen und sind primär auf die DC-Dimmung angewiesen.PWM Die

• Da die organischen Materialien von OLEDs zudem alterungsanfällig sind, können sie keine hochfrequente Pulsweitenmodulation (PWM) nutzen (die weniger wahrnehmbar ist) und sind häufig auf niederfrequente PWM-Dimmung (typischerweise bis etwa 250 Hz) beschränkt. Manche visuell empfindliche Personen können dieses Flimmern wahrnehmen, was die Wahrscheinlichkeit von Sehermüdung erhöht.

• Der für die Augen schädlichste Anteil des von Bildschirmen emittierten Lichts ist hochenergetisches blaues Licht im Wellenlängenbereich von 420–440 nm , das irreversible Schäden an der Netzhaut verursachen kann. Herkömmliche LCD-Bildschirmhintergrundbeleuchtungen verwenden mehrere helle LEDs mit Lichtleiterplatten. Ein erheblicher Teil des von diesen LEDs emittierten hochenergetischen blauen Lichts liegt in diesem Bereich.

• Zusammenfassend lässt sich sagen: LCDs emittieren starkes blaues Licht , das schädlich ist, und OLEDs nutzen PWM-Dimmung, die ebenfalls schädlich ist. Manche Billigbildschirme verwenden PWM-Dimmung sogar bei LCDs, um Kosten zu sparen. Welche Technologie schädlicher ist, lässt sich nicht eindeutig klären.