OLED-Mikrodisplays Teure Farbfilter werden überflüssig

Farbemittierende OLEDs ermöglichen kleinere Display-Pixel, sind aber nur schwer herzustellen. Am Fraunhofer FEP wurde dafür eine Elektronenstrahl-Technik entwickelt.
Farbemittierende OLEDs ermöglichen kleinere Display-Pixel, sind aber nur schwer herzustellen. Am Fraunhofer FEP wurde dafür eine Elektronenstrahl-Technik entwickelt.

Vollfarben-OLEDs werden mit Farbfiltern oder Schattenmasken gefertigt. Das treibt die Herstellungskosten und limitiert Helligkeit und Auflösung. Forscher des Fraunhofer FEP haben ein Verfahren entwickelt, das ohne Farbfilter auskommt.

OLED-Mikrodisplays sind häufig die erste Wahl für Datenbrillen. Sie sind dünn und kommen ohne Hinterleuchtung aus. Obwohl die Pixel selbstleuchtend sind, werden für Vollfarben-Displays noch immer Farbfilter benötigt. Das macht sich vor allem bei Mikrodisplays bemerkbar in Form von eingeschränkter Auflösung und Helligkeit.

Unternehmen suchen schon länger nach neuen Herstellungsmethoden. Problematisch dabei ist die Strukturierung der organischen Schichten in den OLED, da konventionelle Methoden wie die Photolithographie bei organischen Halbleiter-Materialien nicht anwendbar sind.

Mikrostrukturen durch Elektronenstrahl-Technik

Einen vielversprechenden Ansatz haben vor zwei Jahren Forscher des Fraunhofer-Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik demonstriert. Sie nutzen Elektronenstrahltechnik zur Mikrostrukturierung der organischen Schichten. Mit dem mittlerweile patentierten Verfahren wurde eine komplette OLED durch ihre Verkapselung hindurch strukturiert. Mit der Methode konnten schon damals beliebige Strukturen und auch hochauflösende Bilder in Graustufen erzeugt werden.

Weiterentwicklung macht Farbfilter überflüssig

Das Verfahren ist nun soweit ausgereift, dass auch vollfarbige OLED-Displays hergestellt werden können, ohne dass dazu Farbfilter nötig sind. Rot, grün und blau emittierende Pixel entstehen, indem eine organische Schicht einer weiß emittierenden OLED mit einem thermischen Elektronenstrahlprozess strukturiert wird. Diese Strukturierung verändert die Dicke des Schichtstapels, was zur Auskopplung von Rot, Grün und Blau führt.

Das Elektronenstrahl-Verfahren erlaubt dabei, die »sensiblen organischen Materialien thermisch zu strukturieren, ohne darunterliegende Schichten zu schädigen«, zeigt die Entwicklerin im Projektteam, Elisabeth Bodenstein, die neuen Möglichkeiten auf. Die Ergebnisse wurden über Simulationen und initiale Schätzung der HTL-Dicken (Hole Transport Layer) erreicht, die mit dem Elektronenstrahl strukturiert werden. Mit Prinzipnachweisen am Fraunhofer FEP konnten auf ersten Testsubstraten (Bild 1) die Farben bei vergleichbarer optischer Leistung und Erscheinung mit konventionell gefertigten OLEDs demonstriert werden.

Weitere Anwendungsbereiche für das Verfahren sehen die Fraunhofer Forscher in der Bearbeitung von anorganischen Schichten, in der Photovoltaik, für die Fertigung von MEMS und im Bereich der Dünnschichttechnik.

Ausblick: Industrielles Herstellungsverfahren in den nächsten Jahren

In den kommenden Jahren soll gemeinsam mit Partnern ein industrietaugliches Herstellungsverfahren für OLED-Mikrodisplays entwickelt und durch Lizenzierung in der Industrie etabliert werden. Für die notwendige Miniaturisierung der Strukturen und die Prozessoptimierung werden Industriepartner gesucht.

Danach erfolgt in einem weiteren Schritt die Integration der Mikrostrukturierung in bestehende Prozessabläufe, um notwendiges Produktionswissen für und mit Industriepartnern aufzubauen. Damit soll der künftige Transfer der Testergebnisse in eine bestehende Prozesslinie erarbeitet werden, um eine spätere Etablierung des Herstellungsverfahrens auf Industrieniveau zu ermöglichen.