Bi-direktionale OLED-Mikrodisplays Display und Kamera zugleich

Das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS befindet sich mitten im Herzen des sächsischen Halbleiterstandortes. Hier werden Technologien entwickelt, die später als Ausgründung erfolgreich sein könnten. Ein neuer Kandidat dafür sind die bi-direktionalen OLED-Mikrodisplays.

Dr. Uwe Vogel ist die Begeisterung anzusehen, wenn er über das »Head-Mounted Display« spricht. Es wird gerade am Center for Organic Materials and Electronic Devices COMEDD des Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS entwickelt. Es sieht aus wie eine große Sonnenbrille. Schaut man hindurch, sind plötzlich digitale Schriftzüge und Zeichen in der Brille, direkt vor dem Auge sichtbar. Die Brille bleibt dabei durchsichtig, so dass man nach wie vor die Umgebung sieht.

Die Technik dafür steckt in dem Brillenbügel. Dort befindet sich ein fingernagelgroßes OLED-Mikrodisplay mit VGA-Auflösung, dessen Inhalt auf eine Optik vor dem Brillenglas übertragen wird. Neben diesem Aktiv-Matrix-Mikrodisplay befindet sich auch die übrige Elektronik wie Mikrocontroller, Transceiver und A/D-Wandler in dem Bügel. Dem Display in Chipgröße liegt das OLED-auf-CMOS-Verfahren zugrunde, das am Fraunhofer IPMS entwickelt wurde.

Dabei werden organische, selbstleuchtende Schichten auf beinahe ganz normale CMOS-Wafer abgeschieden. Als einzigen zusätzlichen Schritt muss auf die Wafer nur noch eine Kontaktschicht für die OLEDs aufgebracht werden. Dadurch lässt sich dieses Verfahren relativ unproblematisch in die Halbleiterfertigung integrieren.

Allein mit der Anzeige von Bildern oder Grafiken ist es aber noch nicht getan. Denn das Display ist bi-direktional. Das heißt, dass das Mikrodisplay auf einem Chip aufgebracht wird, auf dem sich bereits CMOS-Fotodioden befinden. Dadurch ist der Chip Kamera und Display in einem. Der Sinn dieser Entwicklung ist, dass der Träger der Brille die Inhalte die auf der Brille angezeigt werden, allein mit seinen Augen steuern kann.

Wer braucht so etwas nun? Für konkrete Anwendungen gibt es das Projekt »iSTAR«, an dem drei weitere Fraunhofer-Institute sowie Berater aus der Industrie beteiligt sind. Dazu gehören etwa der Flugzeugbauer EADS oder Daimler. Für diese Unternehmen ist das Projekt besonders in der Montage interessant, wo ein Arbeiter per Funk Informationen zum Aufbau direkt auf die Brille projiziert bekommt. In der Konsumelektronik ist so etwas auch zur Informationsbereitstellung für Touristen denkbar. Einen Praxistest wird es schon in diesem Jahr geben, wenn den beteiligten Unternehmen ein erster Demonstrator vorgestellt wird. Die Rückmeldungen der Partner geben dann die Richtung für die weitere Entwicklung vor.

An dieser Stelle wird deutlich, welche Bedeutung das Fraunhofer IPMS für den Standort und die aufstrebende organische Elektronik erfüllt. Das Institut schleißt nämlich die Lücke zwischen der universitären Forschung und der Zeit, in der das Produkt marktreif wird. Von hier wurden Start-ups wie Novaled, Ledon OLED Lighting oder HiperScan ausgegründet. Andere Unternehmen aber auch die TU Dresden arbeiten mit dem Center for Organic Materials and Electronic Devices COMEDD des Fraunhofer IPMS auf dem Gebiet der organischen Elektronik zusammen.

Dr. Uwe Vogel würde es auch gern sehen, wenn die Technologie des bi-direktionalen OLED-Displays in ein eigenes Unternehmen ausgegründet wird. Dann ließe sich die kommerzielle Nutzung schneller vorantreiben.

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So funktioniert das bi-direktionale OLED-Mikrodisplay

Funktion des bi-direktionalen OLED-Mikrodisplays

2006 hatte bereits das schottische Unternehmen Microemissive Displays (MED), das OLED-auf-CMOS-Verfahren kommerziell genutzt, war damit allerdings gescheitert. Im Gegensatz zum jetzigen Verfahren hatte MED auf Polymere statt auf kleine Moleküle gesetzt, was die Produktion günstiger machte. Warum dem Unternehmen im Jahr 2008 dann trotzdem die Mittel ausgingen, hat sicher viele Ursachen. Ein Grund mag die zu niedrige QVGA-Auflösung der MED-Displays gewesen sein, die für Hersteller von Konsumelektronik nicht ausreichte.

Die Maschinen von MED übernahm das Fraunhofer IPMS aus der Insolvenzmasse und erarbeitet derzeit ein geeignetes Nutzungskonzept. Neben der Fertigung mit kleinen Molekülen, der höheren VGA-Auflösung und vor allem der Bi-Direktionalität ist die Technik deutlich vorangeschritten.

Technische Herausforderungen gibt es aber nach wie vor. Da ist zum Beispiel die Verkleinerung der Optik, die vor die Brille geschoben wird und am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena weiterentwickelt wird.

Besonders bei den OLED-Mikrodisplays gibt es ein weiteres spezifisches Problem: Ein Pixel so eines Displays besteht wiederum aus 3 weißen 4 x 12 µm großen Sub-Pixeln. Mit einem Farbfilter werden dann die verschiedenen Farben erzeugt. Ließen sich die 3 Sub-Pixel jedoch in RGB-Farben herstellen, könnte der Farbfilter wegfallen und die Displays wären etwa zehnmal effizienter als jetzt. Die Forscher arbeiten nun daran, eine Möglichkeit zu finden, das OLED-Mikrodisplays noch feiner strukturieren und somit farbige Sub-Pixel erzeugen zu können.

Sollten sie erfolgreich sein, dann könnte das OLED-Head-Mounted-Display in den nächsten zwei bis drei Jahren auf den Markt kommen. Dann könnte die zweite Phase beginnen, die Kommerzialiserung über ein Start-up-Unternehmen.