OLED

Das Display deines Smartphones, die Anzeige der Smartwatch, viele Fernseher der Oberklasse – und das kleine, gestochen scharfe Display mit weißen Pixeln auf schwarzem Grund, das in so vielen Mikrocontroller-Projekten steckt: Sie alle beruhen auf der OLED, der organischen Leuchtdiode. Jeder Bildpunkt leuchtet hier selbst. Es gibt keine Hintergrundbeleuchtung, die durch eine Flüssigkristallschicht gefiltert wird wie beim LCD. Schwarz ist deshalb wirklich schwarz, und ein Pixel, das aus ist, braucht keinen Strom.

Aufbau und Funktionsweise

Eine OLED arbeitet nach demselben Prinzip wie eine LED: Elektronen und Löcher treffen sich in einer Schicht, rekombinieren und geben dabei Licht ab. Der Unterschied liegt im Material. Statt eines Kristalls aus Galliumverbindungen werden hauchdünne Schichten organischer Moleküle verwendet – Kohlenwasserstoffverbindungen, die sich wie ein Halbleiter verhalten. Die organischen Schichten sind zusammen nur einige hundert Nanometer dick und lassen sich großflächig auf Glas oder biegsame Folie aufdampfen oder drucken.

Von oben nach unten:

• Kathode: eine dünne Metallschicht, die Elektronen einspeist.
• Elektronentransportschicht: leitet die Elektronen zur Mitte.
• Emissionsschicht: Hier rekombinieren Elektronen und Löcher. Ihr Material bestimmt die Farbe.
• Lochtransportschicht: leitet Löcher von der Anode heran.
• Anode: meist Indium-Zinn-Oxid (ITO), ein Material, das leitet und zugleich durchsichtig ist.
• Träger: Glas oder Kunststofffolie.

Elektrisch verhält sich ein OLED-Bildpunkt wie eine Diode: Unterhalb einer Schwellspannung von einigen Volt fließt kaum Strom, darüber steigt er steil an, und die Helligkeit wächst nahezu proportional zum Strom. Deshalb steuern OLED-Treiber den Strom, nicht die Spannung. Wie Halbleiter allgemein Licht erzeugen, erklärt Optoelektronik.

Die organischen Stoffe reagieren empfindlich auf Sauerstoff und Feuchtigkeit. Jedes OLED-Panel ist deshalb luftdicht gekapselt; ein Riss im Glas führt zu dunklen Flecken, die langsam wachsen.

Passivmatrix und Aktivmatrix

Ein Display besteht aus Tausenden bis Millionen solcher Bildpunkte. Wie sie angesteuert werden, unterscheidet zwei Bauarten.

Passivmatrix (PMOLED): Anoden und Kathoden sind als Streifen ausgeführt, die sich kreuzen. Der Controller schaltet nacheinander jede Zeile ein und speist gleichzeitig über die Spalten Strom in die Bildpunkte, die leuchten sollen. Bei 64 Zeilen leuchtet jeder Punkt also nur 1/64 der Zeit und muss in diesem Moment 64-mal so hell sein wie im Mittel. Das begrenzt Größe und Lebensdauer. Passivmatrix findest du bei kleinen einfarbigen Displays bis etwa 3 Zoll – genau die Module, die du an Mikrocontroller anschließt.

Aktivmatrix (AMOLED): Jeder Bildpunkt hat eigene Dünnschichttransistoren und einen kleinen Speicherkondensator, die den Strom über das ganze Bild halten. So sind große, hochauflösende und helle Displays möglich: Smartphones, Uhren, Fernseher. Große Fernseher verwenden oft weiß leuchtende OLEDs mit Farbfiltern oder blaue OLEDs mit Quantenpunkt-Farbwandlern, um die unterschiedliche Alterung der Farben auszugleichen.

Kennwerte eines typischen OLED-Moduls

Das verbreitetste Bastelmodul ist ein 0,96-Zoll-Display mit 128 × 64 Bildpunkten und dem Controller SSD1306 von Solomon Systech. Der Controller enthält Bildspeicher, Zeilen- und Spaltentreiber und sogar eine Ladungspumpe, die aus 3,3 V die nötige Panelspannung erzeugt.

Typische Schaltung: OLED-Modul am Mikrocontroller

Das I²C-Modul hat nur vier Anschlüsse: Versorgung, Masse, Takt (SCL) und Daten (SDA). Die Datenleitungen brauchen Pull-up-Widerstände; viele Module haben sie schon an Bord, sonst setzt du sie selbst. Wie groß sie sein müssen, rechnest du mit dem Rechner für I²C-Pull-ups aus.

Die Ansteuerung übernimmt in der Praxis eine Bibliothek: Sie hält eine Kopie des Bildspeichers im Mikrocontroller, zeichnet dort Text und Grafik und schickt das Ergebnis auf einmal oder seitenweise. Bei einem kleinen Controller mit 2 KB RAM ist die Hälfte dann schon belegt.

Bauformen

• Kleine einfarbige Module (0,49 bis 2,4 Zoll): Passivmatrix mit SSD1306, SH1106 oder SSD1309, als Modul mit Stiftleiste oder als nacktes Panel mit Folienleiter zum Einlöten.
• Farbige Kleindisplays: etwa 128 × 128 Bildpunkte mit 16 Bit Farbe (Controller SSD1351), über SPI.
• AMOLED-Panels: in Smartphones und Uhren, mit MIPI-Schnittstelle und eigenem Treiber-IC – für Selbstbauprojekte nur mit passendem Controllerboard nutzbar.
• OLED-Leuchtflächen: großflächige Lichtquellen für Designleuchten, mit sehr gleichmäßigem, blendfreiem Licht.

Für einfache Ziffernanzeigen bleibt die Siebensegmentanzeige eine robuste Alternative.

Auswahl und Praxistipps

Ein OLED ist ideal, wenn du hohen Kontrast, großen Blickwinkel und wenig Strom bei dunklem Bildinhalt brauchst. Bei direkter Sonne ist es schlechter ablesbar als ein reflektives LCD, und Inhalte, die immer gleich bleiben, altern es ungleichmäßig.

Häufige Fehler:

• SH1106 statt SSD1306: Viele 1,3-Zoll-Module nutzen den SH1106. Er hat einen Bildspeicher für 132 statt 128 Spalten; mit einem SSD1306-Treiber erscheint das Bild um zwei Pixel verschoben und mit Streifen am Rand. Lies die Bezeichnung auf dem Folienleiter oder im Datenblatt.
• Falsche I²C-Adresse: Auf der Platine steht oft „0x78“ – das ist die 8-Bit-Schreibadresse. Die meisten Bibliotheken erwarten die 7-Bit-Adresse 0x3C.
• Einbrennen: Ein Logo oder Rahmen, der über Monate stehen bleibt, ist später als Schatten sichtbar, weil die dauernd leuchtenden Punkte schneller altern. Abhilfe: Bildschirmschoner, Inhalt gelegentlich verschieben, Kontrast reduzieren, Display bei Nichtbenutzung abschalten.
• Doppelte Pull-ups: Hängen mehrere Module mit eigenen Pull-ups am Bus, wird der Gesamtwiderstand zu klein. Bei drei Modulen mit je 4,7 kΩ bleiben nur noch etwa 1,6 kΩ.
• 5 V an einem nackten Panel: Die Logikseite des SSD1306 verträgt nur bis etwa 3,3 V. Nur Module mit Spannungsregler und Pegelwandler dürfen an 5 V.

Selbsttest