MEMS-Displays: Klein-Displays nutzen mikromechanisch geschaltete Pixel

Durch die Bewegung kleinster mechanischer Elemente lassen sich die optischen Eigenschaften von Strukturen, die nur wenige Mikrometer groß sind, erheblich verändern. Auf diese Weise ist...

Durch die Bewegung kleinster mechanischer Elemente lassen sich die optischen Eigenschaften von Strukturen, die nur wenige Mikrometer groß sind, erheblich verändern. Auf diese Weise ist der Aufbau von Displays aus Bildelementen möglich, die für die Ansteuerung relativ wenig Energie benötigen und deren Schaltzeiten deutlich unter denen heutiger LCDs liegen.

Das in Texas ansässige Unternehmen Uni-Pixel (www.unipixel.com) berichtet über den erfolgreichen Aufbau von sechs TMOS-Display-Prototypen. Dazu wurden die Einrichtungen des offenen Innovationszentrums von Philips, der MiPlaza-Fertigungsstätte (www.miplaza.com), auf dem Campus der Universität Eindhoven genutzt. Bei einem TMOS-Display (Time Multiplexed Optical Shutter) wird eine sequenzielle Zeitmultiplex-Ansteuerung mit dem Prinzip der unterdrückten Totalreflexion kombiniert. Dabei wird ein stabförmiger Lichtwellenleiter aus Glas oder einem Polymer abwechselnd und mit einer hohen Frequenz mit rotem, grünem und blauem Licht ausgeleuchtet. Das abklingende Feld im Lichtwellenleiter stellt den »Photonen-Vorrat« dar, auf den über eine einfache MEMS-Struktur (mikro-elektro-mechanisches System) zugegriffen wird. Mit der Auswahl eines Pixels wird eine Membran mit einem sehr hohen Brechungsindex über eine Lücke von 250 nm bewegt und auf die Oberfläche des Lichtwellenleiters abgelegt. Beim Kontakt koppelt das Licht im Lichtwellenleiter in die Membran ein und breitet sich in Richtung des Betrachters aus. Wegen der kurzen Ansprechzeit der Membran von 650 ns lassen sich Intensität und Farbe des Pixels über eine Pulsbreiten-Modulation des Ansteuerungssignals in weiten Grenzen einstellen.

MEMS-Bauelement »schaltet« Licht

Wesentlicher Bestandteil des neuen Displays ist das vom Unternehmen »Opcuity Active Layer« genannte aktive Element, mit dem das Licht aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt und in Richtung des Betrachters gelenkt wird. Das Bauelement wurde bislang hergestellt als direkt ansteuerbarer Prototyp mit 8 x 24 Pixel und als TMOS-TFT-Display mit 128 x 160 Pixel und einer Auflösung von 100 dpi (etwa 4 Pixel pro mm). Kürzlich durchgeführte Messungen zeigten hier eine Ausbeute von mehr als 70 Prozent.

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Durch die Verwendung einzelliger Pixel ist der Aufbau eines TMOS-Displays vergleichsweise einfach. In einem TMOS-Display sind zudem alle Schichten transparent (Bild 1). Anders als beim LCD handelt es sich bei dem TMOS-Lichtwellenleiter nicht um eine Hinterleuchtung, auch funktionieren die Schaltelemente nicht wie ein Verschluss. Zudem werden weder Farbfilter noch Polarisierer benötigt. Dadurch ist die Effizienz wesentlich besser: Ein 2,5-Zoll-LCD für ein Handy mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixel etwa bringt es bei einer Ansteuerleistung von 300 mW auf eine Helligkeit von 260 cd/m2; ein TMOS-Display bringt es nach Angaben des Herstellers bei der gleichen elektrischen Ansteuerleistung auf mehr als 2000 cd/m2. Da der gesamte Lichtweg transparent ist, eignen sich die TMOS-Displays auch für den Aufbau redundanter Bildschirme, wie sie bei der Ausrüstung von Flugzeugen gefordert werden. Zwei Bildschirme können dabei aufeinander montiert werden. Darüber hinaus lässt sich das Display von der Kante her beleuchten und modulieren, auch mit nicht-sichtbarem, infrarotem Licht. Damit lassen sich beispielsweise zusätzliche Informationen überlagern, etwa für eine Darstellung stereoskopischer Bilder unter Verwendung der sequenziellen Farbdarstellung und einer synchronen planaren Ablenkeinheit.