OLED – alles dat je moet weten over OLED-TV’s en OLED-technieken

Wat is een OLED?

Eerst even een opfrisser: Een led (Light Emitting Diode) is een component die werkt op basis van elektroluminescentie. Bij een traditionele led is het elektroluminescente materiaal anorganisch. Voor diegenen die tijdens de scheikunde-les niet opgelet hebben: organische scheikunde behandelt de koolstofverbindingen en anorganische scheikunde de rest. OLED staat voor Organic led (voluit Organic Light Emitting Diode). Het is met andere woorden een led waarvan het elektroluminescente materiaal organisch van aard is.

Voor een zeer eenvoudige demonstratie van een rudimentaire OLED kijk je even op Youtube.

Hoe verschillen LED en OLED in gebruik?

Een opvallend verschil tussen een OLED en een led heeft te maken met de fabricagemethode. Een led mag je beschouwen als een kleine puntlichtbron. De component moet opgebouwd worden op een halfgeleider kristal en moet uiteindelijk verzaagd en gemonteerd worden. Leds gebruiken we als achtergrondverlichting in een LCD-tv (zie verder). Maar een tv met individuele leds per pixel was lang zo goed als onmogelijk. Met MicroLED komt daar weliswaar verandering in, al zal een betaalbare tv nog wel een aantal jaar uitblijven.

Een OLED is eerder een vlakstraler. Het elektroluminescent materiaal kan over grotere oppervlakken aangebracht worden en licht op als er stroom door gaat. Bovendien kunnen we die organische stoffen aanbrengen met technieken die niet mogelijk zijn bij klassieke leds. Zo kunnen sommige types OLEDs zelfs geprint worden, wat een veel goedkoper fabricageproces is. In plaats van een glazen substraat kan men ook op een plastic substraat werken. Zo krijgen we een flexibele OLED.

Waarom willen we OLED-tv?

Waarom willen we die OLED-technologie in onze televisies stoppen? Omdat ze veel voordelen heeft uiteraard. OLED-tv’s zijn bijzonder dun, ze leveren quasi-perfect contrast, betere kleuren, een uitstekende kijkhoek, zeer snelle reactietijd en dus haarscherpe bewegende beelden, en zijn mogelijk zuiniger dan onze huidige televisie.

OLED-tv vs LCD-tv: dit zijn de verschillen

Zo veel voordelen, hoe doen ze dat? De belangrijkste reden: een OLED-scherm is een ‘emissieve’ technologie. Elke pixel van het beeldscherm geeft zelf licht. Een led-lcd-tv daarentegen gebruikt ‘transmissieve’ technologie. Het licht passeert via een laag die zal bepalen of een pixel aan of uit staat. Hoe belangrijk dat verschil is wordt onmiddellijk duidelijk aan de hand van een schema.

Links zie je de structuur van een lcd-scherm. Een achtergrondverlichting (BLU of BackLight Unit of achtergrondverlichting) zorgt voor het eigenlijke licht. Die BLU bestaat tegenwoordig steevast uit leds. Het licht wordt eerst gepolariseerd door het polarisatiefilter. De TFT is de eigenlijke sturing van het scherm en bepaalt hoe het vloeibaar kristal voor elk pixel georiënteerd is. Afhankelijk van de oriëntatie van het kristal verandert de polarisatierichting van het licht zodra het door de vloeibaar kristal laag passeert. Daarna gaat het licht door een kleurfilter en tenslotte bereikt het de laatste polarisatiefilter. Is het licht in de kristal laag van polarisatierichting gewijzigd, dan passeert het door de laatste filter en staat de pixel aan. Is het licht ongewijzigd door de kristal laag gepasseerd dan wordt het gestopt door het tweede polarisatiefilter en staat die pixel dus uit.

Rechts zie je de structuur van een OLED-scherm. Die bevat om te beginnen al geen BLU. Op een glazen substraat wordt een TFT laag aangebracht die elke OLED-pixel aanstuurt. Daarop wordt de OLED-laag aangebracht. Elke OLED-pixel produceert zelf licht. Een laatste glaslaag met polarisatiefilter sluit de structuur af. Pixels worden nu rechtstreeks via de TFT-sturing aan of uit gezet.

Verschillende OLED implementaties

Aanvankelijk sprongen in 2012 zowel LG als Samsung op de OLED-trein.  Ze kozen wel voor een verschillende aanpak. Samsung gebruikte RGB-OLED, waarbij elke pixel bestaat uit een rode, groene en blauwe OLED subpixel. LG koos voor WOLED – witte OLED’s – waarbij elke pixel wit is en met een kleurfilter wordt onderverdeeld in een rode, groene, blauwe en een extra witte subpixel.

Alhoewel Samsungs oplossing eenvoudiger lijkt heeft ze een belangrijk nadeel. Het aanbrengen van de rood, groene en blauwe subpixels is een moeilijk proces: de organische elementen worden opgedampt door een masker met het juiste patroon. Dat moet drie keer herhaald worden, een keer voor elke kleur. Het proces is bijzonder gevoelig voor alignatie-fouten of problemen met het masker wat leidt tot kleuroverlap.

LG’s oplossing ontwijkt dit probleem door gebruik te maken van een enkele witte OLED-laag te gebruiken. Vermits alle subpixels wit zijn is een masker tijdens het opdampen overbodig en zijn problemen met alignatie en kleuroverlap uitgesloten. De pixels krijgen hun kleur door middel van een bijkomende kleurfilter, net zoals bij een lcd-tv. Omdat het licht door die kleurfilters moet is deze oplossing wel minder energie-efficiënt. LG koos daarom voor vier subpixels: naast rood, groen blauw is er ook een witte subpixel. Die moet het verbruik optimaliseren.

Helaas bleken de problemen voor Samsungs RGB-OLED te groot. Er is een enkel model op de markt verschenen, maar daarna heeft Samsung de productie stopgezet.

OLED en Contrast

Contrast wordt vooral bepaald door hoe donker je zwartweergave is. In het lcd-scherm hangt dat af van de werking van de vloeibare kristal laag en die is helaas niet perfect. Zelfs wanneer de pixel ‘af’ staat kan er mogelijk nog licht zichtbaar zijn. De achtergrondverlichting staat immers altijd aan. Dat verklaart waarom de zwartwaarde van lcd-schermen niet perfect is. In de voorbije jaren is daar sterk aan gesleuteld, maar toch kan het resultaat niet tippen aan OLED. Als een OLED-pixel ‘af’ staat produceert hij helemaal geen licht.

Dat de achtergrondverlichting altijd aan staat is de belangrijkste reden voor verminderd contrast bij een lcd-tv. Ook daar is aan gesleuteld door ‘global dimming en local dimming’ te gebruiken. Bij donkere scenes wordt de achtergrondverlichting in zijn geheel gedimd, zodat het beeld donkerder lijkt. Een verdere stap is ‘lokale dimming’. Door de achtergrondverlichting onder te verdelen in segmenten kan men elk segment apart dimmen of zelfs uit te schakelen als dat nodig is. Dat leidt uiteraard alweer tot beter contrast.

Maar dan nog is OLED in het voordeel. OLED schakelt het immers op pixel niveau aan of uit, het equivalent van 8 miljoen dimming zones (voor een 4K-tv). Niet alleen is de zwartwaarde beter, een OLED scherm kan bovendien een perfect witte en daarnaast een perfect zwarte pixel tegelijk weergeven. En dat resulteert in een uitmuntend contrast.

OLED en Helderheid

OLEDs zijn net zoals gewone leds vrij efficiënt. Elektriciteit wordt met andere woorden zonder overdreven verlies omgezet in licht. Het verschil zit hem in hoeveel stroom we door een OLED kunnen sturen zonder nadelige gevolgen voor het materiaal. In dat opzicht moet de OLED nog de duimen leggen voor de led. Dat uit zich op twee verschillende manieren. De maximale helderheid die een OLED-scherm kan bereiken (bij een correct D65 witpunt) ligt momenteel ongeveer op 800 nits. lcd-tv’s kunnen veel hoger gaan, tot 1.500 nits. Maar dat is gemeten wanneer wit slechts 10% van het totale schermoppervlak inneemt. Wanneer we een volledig wit scherm tonen grijpt bij een OLED-scherm de ABL (Average Brightness Limiter) in en is de maximale helderheid ongeveer 130 nits. Bij lcd-tv’s is dat niet nodig, en kan de maximale helderheid dan dezelfde blijven. In praktijk daalt ze wel omdat een te hoge helderheid op een volledig wit scherm onaangenaam zou zijn. Maar lcd-tv’s die een piek van 700 nits halen zullen op een volledig wit scherm vaak nog 600 nits overhouden.

OLED en Kleuren

OLED is in staat om een breder kleurbereik weer te geven. Voor SDR-weergave (toch nog steeds het gross van ons kijkvoer) heeft dat geen belang. Maar voor HDR-weergave is een groter kleurbereik wel essentieel. De voorsprong die OLED hier oorspronkelijk had is wel verdwenen omdat lcd-tv’s die quantum dots gebruiken een zeer gelijkaardig kleurbereik leveren.

OLED en Kijkhoek

De vloeibare kristal laag in een lcd-scherm is ook de schuldige als het over kijkhoekproblemen gaat. Je kan dat nog het best vergelijken met jaloezieën. Als de lamellen van een zonwering niet helemaal dicht zijn, dan kan je er onder bepaalde hoeken door kijken. Dat probleem kent een lcd-scherm dus ook. Alweer is daar fel aan gesleuteld door andere structuren te gebruiken in die laag, maar het probleem blijft zichtbaar. OLED-schermen kennen dat probleem niet. Hun kijkhoek is aanzienlijk beter, maar nog steeds niet perfect.

OLED en Bewegingsscherpte

Wazige of dubbele randen bij een snel bewegende beeld zijn een klassiek probleem van lcd-schermen. De reden ligt (gedeeltelijk) in de relatief trage reactietijd van de vloeibare kristallen. Wanneer we een pixel willen aan of uitschakelen gebeurt dat niet onmiddellijk maar duurt dat een weliswaar korte tijd. Daardoor zijn pixels die eigenlijk al uit hadden moeten zijn nog gedeeltelijk zichtbaar en krijgt een bewegend voorwerp in beeld wazige randen. Ontwikkelingen in paneeltechnologie hebben de reactietijd aanzienlijk verbeterd (de beste panelen hebben een reactietijd van 2 ms). Maar OLED tv’s gaan nog een stap verder. Tegen de 2ms reactietijd van lcd pronkt OLED met een reactietijd van 0,02ms. Dat is 100x sneller en zou dus haarscherpe beelden opleveren.

Toch is het verschil minder dramatisch dan je zou vermoeden. De reden? Zowel OLED als lcd gebruiken een ‘sample and hold’ methode om het beeld te tonen. Een 50fps framerate toont 50 beelden (samples), maar die staan elk wel 20ms statisch op het scherm (hold). Omdat onze ogen een bewegend voorwerp proberen volgen zorgt dat statisch beeld voor vage randen. Dat heeft ondertussen meer invloed op hoe we het beeld zien dan de reactietijd van elke pixel. Technieken zoals Black Frame Insertion kunnen zowel voor OLED als LCD een aanzienlijke verbetering geven.

Tegenover een doorsnee lcd-tv is een OLED-tv aanzienlijk scherper, maar in de topcategorie is het verschil vaak onbestaand, of kan een lcd-tv zelfs een zeer lichte voorsprong hebben.

OLED en Verbruik

Een vergelijking van de schematische voorstelling van lcd en OLED toont alvast dat het licht van een OLED-tv door heel wat minder lagen moet (en dus minder verlies lijdt) dan dat van een lcd-tv. Als de efficiëntie van beide lichtbronnen dus ongeveer gelijk is zou een OLED-tv zuiniger zijn. Bovendien kunnen OLED-pixels individueel aan en uit geschakeld worden, terwijl bij een lcd-tv de achtergrondverlichting altijd aan staat. Ook dat zou een voordeel moeten zijn.

Toch blijkt in de praktijk dat een OLED-tv niet systematisch zuiniger is dan een lcd-tv. Afhankelijk van welke lcd-tv je vergelijkt met een OLED-tv is het mogelijk dat de lcd-tv zuiniger is. Al merken we dan wel op dat de beeldkwaliteit natuurlijk ook verschilt. Bij high-end modellen onderling is OLED wel nog systematisch zuiniger dan lcd.

Zijn er dan geen nadelen aan OLED?

De belangrijkste horde voor de commercialisatie van OLED was de levensduur van de blauwe subpixels. Die was te beperkt voor gebruik in schermen zoals onze televisies. Dat probleem is ondertussen opgelost, maar verder onderzoek naar efficiëntere materialen blijft doorgaan (zie laatste paragraaf).

Daarnaast is OLED lang relatief duur geweest en was het enkel beschikbaar op grote schermformaten (55 -65 inch). LCD-tv heeft hier een massief voordeel. De productieschaal van lcd-panelen is vele malen groter, en de technologie is veel rijper, en dat vertaalt zich in een goedkopere kost. LCD is ook beschikbaar in veel meer maten. De prijs van een OLED-tv is ondertussen fel gedaald, maar OLED blijft wel voorbehouden voor het premium tv-segment. Sinds 2020 zijn er ook kleinere 48 inch maten beschikbaar. Ook grote maten (77 inch en 83 inch) zijn ondertussen op de markt, maar die blijven we erg duur.

Verdere ontwikkeling van WOLED

De schematische voorstelling van een WOLED-paneel die we aan het begin van dit artikel gaven is handig om de werking te begrijpen, maar is natuurlijk wel een vereenvoudiging van de realiteit. Om te beginnen is de witte OLED-laag eigenlijk een stapel van lagen in verschillende kleuren die samen wit geven (een gele en een blauwe bijvoorbeeld).

Maar zelfs dat is nog een enorme vereenvoudiging. In realiteit worden er bijvoorbeeld meerdere blauwe lagen gebruikt.  De opbouw van zo een ‘stack’ is dan ook enorm belangrijk. Daarbovenop wordt er veel onderzoek gedaan naar andere organische materialen die in de stack gebruikt kunnen worden. Bijvoorbeeld met een langere levensduur, hogere energie-efficiëntie of nog zuiverdere basiskleuren. Het is dus zeker niet uitgesloten dat WOLED nog verder kan evolueren. Een eerste stap zijn bijvoorbeeld de LG EVO-panelen die voor het eerst in de 2021 modellen gebruikt zijn. De echte opbouw van de stack geven we hieronder even mee ter illustratie. Je ziet twee blauwe lagen, een rode, een geelgroene, én een groene laag. Die laatste is de nieuwe laag in de stack.

Bron: https://www.displaysupplychain.com

Meer informatie

Wil je meer weten over tv-technieken, het instellen van een televisie of het aansluiten van een televisie? Neem dan een kijkje in onze tips en advies-sectie.