Wie funktioniert die LED-, LCD-, OLED- und Mini-LED-Technologie?

Mit der Entwicklung der Displaytechnologie gibt es verschiedene Typen wie LED, LCD, OLED und Mini-LED-Technologie. Kennen Sie deren Funktionsweise? Doitvision stellt Ihnen heute die Details vor.

Was ist LED?

LED ist ein elektronisches Halbleiterbauelement. Es kann elektrische Energie in Lichtenergie umwandeln. LEDs sind in der modernen Gesellschaft weit verbreitet und lassen sich grob in drei Typen einteilen:

• Beleuchtung: LED-Lampen ersetzen herkömmliche Glühlampen, beispielsweise in Haushaltslampen und Autolampen.
• Display: Wird in Bildschirmen elektronischer Endgeräte wie Smartphones, Tablets, Computern, Fernsehern und Monitoren verwendet.
• Kommunikation: Dienen in erster Linie als Lichtquellen für Glasfaserkommunikationssysteme mit niedriger bis mittlerer Datenrate (<1 Gb/s) und kurzer bis mittlerer Distanz (<10 km), wobei Infrarot-LEDs die häufigste Anwendung sind.

Da die Mini-LED-Technologie vor allem in Displayanwendungen zum Einsatz kommt, konzentrieren wir uns auf die Displaytechnologie.

Bildschirmanzeigemechanismus:

LED-Bildschirme funktionieren durch die Kombination der Lichtemission von LED-Perlen mit Farbfiltern. Kernstück der LED-Lichtemission ist der LED-Chip. Eine LED-Perle verfügt über zwei Elektroden, Anode und Kathode. Ein höherer Stromfluss durch die Elektroden führt zu einer höheren Helligkeit. Durch die Steuerung der Helligkeit und des Ein-/Aus-Zustands der Perlen können verschiedene Muster und Texte erzeugt werden.

Eine einzelne LED-Perle kann jedoch nur eine Farbe ausstrahlen. Für eine Vollfarbanzeige werden für jeden Pixelpunkt zusätzliche grüne und blaue LED-Perlen benötigt. Mehrere RGB-Perlen (Rot, Grün, Blau) bilden zusammen ein Display, das Farbe darstellen kann.

Konzepte im Zusammenhang mit Mini-LED

Für Mini-LEDs gibt es derzeit keine offizielle, standardisierte Definition. Die Definitionen variieren leicht zwischen den Herstellern, basieren aber hauptsächlich auf der Chipgröße. Gemäß den allgemeinen technischen Spezifikationen für kommerzielle Mini-LED-Displays bezeichnet der Begriff Mini-LED LEDs mit einer Chipgröße von etwa 50 bis 200 Mikrometern (μm).

Sie sind hinsichtlich Chipgröße und Pixelabstand zwischen Fine-Pitch-LEDs und Micro-LEDs angesiedelt und gelten als Erweiterung der Fine-Pitch-LED-Technologie und als Übergangsschritt hin zu Micro-LEDs.

In Bezug auf die Anzeigeleistung stellt Mini-LED ein neues Produkt der Anzeigetechnologie dar. Sie bieten eine bessere Bildqualität als LCD, sind kostengünstiger und haben eine längere Lebensdauer als OLED und stellen eine verbesserte Version der herkömmlichen LCD-Anzeigetechnologie dar.

Mini-LED-Technologie

Die gängigen Displaytechnologien werden grob in LCD und OLED unterteilt. Die Mini-LED-Technologie selbst verzweigt sich in zwei Richtungen:

• Verbesserung der LCD-Hintergrundbeleuchtung

• Direktanzeige

Daher werden wir zuerst die LCD- und OLED-Technologien vorstellen.

Mini-LED- und LCD-Technologie

1) Prinzip der LCD-Technologie

Ein Bildschirm besteht aus zahlreichen Pixeln, die jeweils eine LCD-Struktur enthalten. Die Pixelstruktur eines LCD lässt sich in folgende Schichten/Module unterteilen:

• Hintergrundbeleuchtungsebene: LCD-Panels strahlen selbst kein Licht aus und benötigen eine externe Lichtquelle, die sogenannte „Hintergrundbeleuchtungseinheit“ (BLU). Ursprünglich wurden Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) verwendet, ab 2008 wurde die Hintergrundbeleuchtung auf LED-Basis umgestellt.
• Polarisatorschicht: Licht, das durch einen vertikalen Polarisationsfilter fällt, lässt nur vertikal ausgerichtete Lichtwellen durch. Trifft dieses Licht auf einen horizontalen Polarisationsfilter, gelangt kein Licht hindurch, da keine horizontal ausgerichteten Komponenten vorhanden sind. Zwei senkrecht zueinander stehende Polarisatoren blockieren das Licht also vollständig.
• Flüssigkristallschicht (LC): Diese Schicht befindet sich zwischen Elektroden, die mit positiven und negativen Schaltkreisen verbunden sind.
• Ohne Spannung: Licht, das durch den ersten Polarisator fällt, wird durch die LC-Moleküle um 90 Grad gedreht. Es richtet sich horizontal aus und passiert den zweiten Polarisator.
• Mit Spannung: Die LC-Moleküle richten sich je nach angelegter Spannungsstärke aus und steuern so die Stärke der Lichtrotation. Dadurch wird die Lichtmenge variiert, die durch den zweiten Polarisator gelangt, und so die Helligkeit des Pixels gesteuert.
• Farbfilterebene: Das aus der LC-Schicht austretende Licht ist monochrom (Grautöne). Ein Farbfilter-Array (CFA) bestehend aus roten (R), grünen (G) und blauen (B) Subpixelfiltern wird hinzugefügt. Durch die Steuerung der Helligkeit des Lichts, das durch jedes R-, G- und B-Subpixel fällt, können verschiedene Farben gemischt werden.

Mini-LED in der LCD-Hintergrundbeleuchtung Anwendung

Bei der Anwendung von Mini-LEDs in der LCD-Hintergrundbeleuchtung werden die herkömmlichen randbeleuchteten oder größeren direkt beleuchteten LEDs durch dichte Anordnungen von Mini-LED-Perlen ersetzt. Da Mini-LED-Perlen deutlich kleiner sind (Durchmesser ca. 50–200 μm), können deutlich mehr davon in die Hintergrundbeleuchtungsschicht des LCDs eingebettet werden.

• Höhere Gesamtbildschirmhelligkeit.
• Gleichmäßigere Helligkeitsverteilung.

Die Möglichkeit, die Hintergrundbeleuchtung in viele weitere unabhängig steuerbare Local Dimming Zones (LDZs) aufzuteilen.

Bei der Anzeige eines schwarzen Bildsegments kann die entsprechende Mini-LED-Zone komplett abgeschaltet werden. Dadurch erreichen LCDs deutlich tiefere Schwarztöne und deutlich höhere Kontrastverhältnisse. Die erhöhte Anzahl und Präzision der LDZs verbessert den lokalen Kontrast und den Dynamikumfang deutlich. Dadurch erreichen LCDs eine Anzeigequalität, die an die von OLEDs heranreicht.

Im Zuge der LCD-Entwicklung wurden Technologien wie LC-Mischungen mit extrem niedriger Viskosität und LC-Materialien mit blauer Phase integriert, um die Reaktionszeiten zu verbessern. Mini-LEDs ergänzen dies, indem sie die Hintergrundbeleuchtungsstruktur verbessern und so den Kontrast deutlich erhöhen.

Mini-LED- und OLED-Technologie

Da die ersten LED-Lampen groß waren, konnten pro Flächeneinheit nur wenige Lampen als Bildschirmanzeigematerial installiert werden, was zu einer schlechten Klarheit führte. Daher begannen die Hersteller mit der Erforschung von Mikro-LEDs, wobei OLED die erste Forschungsrichtung war.

2) Prinzip der OLED-Technologie

OLED ist eine selbstemittierende Displaytechnologie. Ihre Struktur unterscheidet sich deutlich von LCD, da die LC-Schicht, bei einigen Typen die Farbfilterschicht und die separate Hintergrundbeleuchtungsschicht entfallen. Stattdessen werden organische lichtemittierende Materialien zwischen Kathode und Anode angeordnet.

Anzeigeprinzip: 

Beim Anlegen einer Spannung werden Elektronen von der Kathode und „Löcher“ (positive Ladungsträger) von der Anode in die organischen Schichten injiziert. Diese Elektronen und Löcher treffen in der Emissionsschicht aufeinander, rekombinieren und setzen Energie in Form von Photonen frei. Verschiedene organische Materialien emittieren spezifische Farben (R, G, B).

Da jedes OLED-Pixel sein eigenes Licht ausstrahlt, ist keine separate Hintergrundbeleuchtung erforderlich. Einzelne Pixel können komplett ausgeschaltet werden, um perfektes Schwarz anzuzeigen, was OLEDs theoretisch ein unendliches statisches Kontrastverhältnis verleiht. Helligkeit und Farbe jedes Pixels können unabhängig gesteuert werden.

Nachteile : 

Die organischen Materialien haben eine begrenzte Lebensdauer und sind anfällig für Alterung. Die R-, G- und B-Materialien altern unterschiedlich schnell. Wenn ein Pixel über einen längeren Zeitraum ein statisches, helles Bild anzeigt, altert das jeweilige Subpixel-Material schneller, was zu einem dauerhaften Helligkeitsverlust in diesem Bereich führt. Dies äußert sich in sichtbarem Bildeinbrennen oder ungleichmäßiger Farbgebung, allgemein bekannt als „Einbrennen“.

3) Mini-LED-Direktanzeigeprinzip

Um das Einbrennen von OLEDs zu verhindern, haben LED-Hersteller Technologien wie W-OLED mit weißen OLEDs und Farbfiltern sowie QD-OLED mit blauen OLEDs und Quantenpunktkonvertern entwickelt. Diese basieren jedoch immer noch grundsätzlich auf organischen Materialien und unterliegen inhärenten Alterungs- und Lebensdauerbeschränkungen.

Die ultimative Lösung erfordert die Umstellung auf anorganische Materialien, was zu LED-Anzeigetechnologien der nächsten Generation führt: Mini-LED und Micro-LED-Direktemission.

Dabei werden anorganische LED-Dioden extrem klein gemacht und anschließend auf ein Displaysubstrat übertragen und verklebt.

Diese Technologie bietet alle Vorteile von OLED, wie zum Beispiel:

• selbstemittierend
•  perfekte Schwarztöne
• einen hohen Kontrast
•  weite Betrachtungswinkel
• schnelle Reaktion

Gleichzeitig wird Einbrennen vermieden und die Lebensdauer sowie die Helligkeit können erhöht werden. LEDs können zwar im Mikromaßstab hergestellt werden (Mikro-LED < 50 μm), die Herausforderung besteht jedoch darin, Millionen oder Milliarden dieser mikroskopischen LEDs präzise auf die Steuerschaltung zu übertragen und zu verbinden. Dieser Prozess wird als Massentransfertechnologie bezeichnet. Die hohen Kosten und die Komplexität des Massentransfers verhindern derzeit eine großflächige Kommerzialisierung von Mikro-LEDs.

Mini-LED-Direktdisplays stehen aufgrund ihrer größeren Chipgröße (50–200 μm) und der begrenzten Gehäusegröße vor Herausforderungen. Der kleinste erreichbare Pixelabstand beträgt derzeit etwa 0.5 mm. Für einen Bildschirm mit 4K-Auflösung und diesem Abstand ist eine Bildschirmdiagonale von über 85 Zoll erforderlich. Darüber hinaus sind für 24K etwa 4 Millionen LEDs erforderlich.

Zusammenfassung des Anwendungsstatus der Mini-LED-Technologie

Micro-LED stellt den Höhepunkt des Potenzials der Displaytechnologie dar, doch Hürden beim Massentransfer verhindern eine kommerzielle Massenproduktion. Mini-LED ist eine praktische Übergangstechnologie.

Für Direktanzeigeanwendungen ist der Mindestabstand von Mini-LEDs auf 0.5 mm begrenzt. Daher sind sie für Bildschirme in der Unterhaltungselektronik wie Telefonen, Laptops und Fernsehern ungeeignet. Obwohl sie potenziell für große kommerzielle Displays im Außenbereich geeignet sind, verhindern die hohen Herstellungskosten eine breite Akzeptanz.

Daher findet Mini-LED derzeit seine wichtigste und erfolgreichste Anwendung in der Verbesserung der Hintergrundbeleuchtung von LCD-Panels. Dies nutzt ausgereifte LCD-Produktionslinien und bietet deutliche Verbesserungen der Bildqualität bei geringeren Kosten im Vergleich zu OLED oder direkten Mini-LEDs.

Im Direktanzeigebereich wird es vor allem für große kommerzielle Werbebildschirme im Außenbereich verwendet. Laut TrendForce-Prognosen ist die Mini-LED-Hintergrundbeleuchtung der dominierende aktuelle Anwendungstrend. Ihr Marktvolumen dürfte zwischen 164 und 2020 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 2025 % wachsen.

Mit der Weiterentwicklung der LED-Technologie hat Doitvision eine wachsende Palette von Fine-Pitch-LED-Bildschirmen, wie beispielsweise unsere COB-LED-Displays, für kommerzielle Werbeanwendungen entwickelt.

Doitvision COB LED-Wandempfehlungen

Die COB-LED-Displays von Doitvision eignen sich hervorragend für hochauflösende Videowände. Wir bieten Pixelabstände von P0.7 bis P1.8 und unterstützen 2K, 4K und 8K.

Hervorragende visuelle Qualität

Von 0.62 mm bis 1.87 mm erreicht unser COB-Display eine höhere Pixeldichte. Dadurch können Betrachter näher am Display stehen, ohne einzelne Pixel zu bemerken.

Außergewöhnliche Graustufen und Kontrast

Mit einem bemerkenswerten Farbkontrastverhältnis von bis zu 10,000:1 liefern diese Displays lebendige, naturgetreue Bilder. Die Schwarzbeschichtung sorgt für eine reflexionsfreie Oberfläche und höchste Schwarzgleichmäßigkeit auch bei schlechten Lichtverhältnissen.

16:9-Seitenverhältnis für universelle Kompatibilität

Mit einem Seitenverhältnis von 16:9 ist es der Standard für moderne Geräte wie Fernseher, Computermonitore, Mobilgeräte und digitale Videokameras. Dieses Format unterstützt die Auflösungen 1080p (2K), 2160p (4K) und 4320p (8K).

Energieeffiziente Flip-Chip-Technologie

In Kombination mit einem gemeinsamen Kathodenschaltungsdesign kann es die Anzeigeleistung verbessern und gleichzeitig den Energieverbrauch um bis zu 40 % senken.

Präzise Farbkalibrierung

Die Farbkalibrierungstechnologie sorgt für eine konsistente Farbausgabe aller LED-Module. Sie beseitigt Probleme wie Moiré-Muster und sorgt für eine gleichmäßige Farbtemperatur und ausgewogene Weißtöne.

Direkte Wandmontage mit vollständiger Frontwartung

Es handelt sich um ein vollständig von vorne bedienbares Design mit magnetischen LED-Modulen. Der Panelrahmen kann mit Schrauben direkt an Wänden oder Sperrholz montiert werden. Die mitgelieferten Rahmenleisten ermöglichen eine präzise Positionierung und einfache Installation.

Technische Spezifikationen

• Pixelabstandsoptionen: 0.62 mm, 0.78 mm, 0.93 mm, 1.25 mm, 1.5 mm, 1.87 mm
• LED-Paket: COB für alle Modelle
• Kontrastverhältnis: Bis zu 10,000:1 für lebendige Bilder
• Seitenverhältnis: 16:9, kompatibel mit 2K-, 4K- und 8K-Auflösungen
• Wartung: 100 % Frontservice mit Magnetmodulen
• Energieeinsparungen: Bis zu 40 % mit Flip-Chip-Technologie
• Montage: Direkte Wandmontage mit mitgelieferten Rahmenleisten

Fazit:

Wir haben die verschiedenen Display-Entwicklungen und -Prinzipien vorgestellt. Wenn Sie als professioneller LED-Display-Hersteller HD-LED-Displays für kommerzielle Zwecke benötigen, können Sie sich gerne an uns wenden.