MEMS-Displays auf Basis von Polymer-Folien

MEMS-Displays auf Basis von Polymer-Folien

Das Unternehmen Uni-Pixel Displays [1] entwickelt unter der Bezeichnung „TMOS“ (Time-Multiplexed Optical Shutter) seit einiger Zeit ein FSCFTIR-Display auf Basis einer Polymer-Membran, deren Pixel-Elemente durch elektrostatische Kräfte betätigt werden. Die Optimierung des Polymers auf die zu erfüllenden Funktionen hat zur Entwicklung einer ganzen Reihe neuer Polymer-Membranen geführt, die heute unter dem Namen „Opcuity“ vermarktet werden.

Bei einem TMOS-Display wird eine Opcuity-Folie auf einem Lichtwellenleiter angebracht. Im Ruhezustand bleiben die Schaltelemente der Opcuity-Folie in einem Abstand von 1 μm über dem Wellenleiter, das Licht innerhalb des Wellenleiters kann dabei nicht in die Opcuity-Folie und damit zum Betrachter gelangen. Mit der Lücke von 1 μm ist das Schaltelement der Folie so weit außerhalb des Wellenleiters, dass kein Licht heraustreten kann.

Das Pixel wird aktiviert, indem ein elektrisches Feld in seiner Nähe aufgebaut wird, das die Folie elektrostatisch anzieht und in Kontakt mit dem Wellenleiter bringt. Dadurch wird die Totalreflexion an der Grenzfläche zum Wellenleiter „unterdrückt“, das Licht tritt an dieser Stelle aus und wird vom Beobachter wahrgenommen. Beim Abschalten des elektrischen Feldes kehrt die Folie in ihren Ausgangszustand zurück, die Übertragung des Lichts ist dann unterbrochen.

Die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau werden in den Lichtwellenleiter an einer bzw. mehreren Kanten eingekoppelt. Die schnelle zyklische Abfolge der Primärfarben erzeugt das Lichtfeld, aus dem für jedes einzelne Pixel mit Hilfe der Pulsbreitenmodulation (PWM) die gewünschte Farbe abgeleitet werden kann. Durch das schnelle Ein- und Ausschalten der Opcuity-Folie an jedem Pixel erreicht ein FSC-PWM-Display ein weites Farbgamut. Die erreichten Schaltzeiten liegen heute unter 2 μs.

Mechanische Parameter

Bei der beschriebenen Anwendung ist es besonders wichtig, dass die optische Schaltfolie ausreichend schnelle mechanische Bewegungen über einen langen Zeitraum – die Lebensdauer des Displays – ausführen kann. Die Größe der Pixel-Fläche bezogen auf den 1-μm-Abstand zwischen Wellenleiter und Folie bestimmt die effektive mechanische Spannung. Diese bleibt weit unterhalb der Elastizitätsgrenze des Polymers, wodurch eine Degradation der Federkonstante sicher vermieden wird. Die Opcuity-Folie muss jedoch mechanisch ausgesprochen robust sein.

Die mechanische Steifigkeit der Membran hat einen großen Einfluss auf die Schaltspannung, die zur „Betätigung“ des Pixels erforderlich ist. Die Steifigkeit hängt jedoch in exponentieller Weise ab von der Dicke der Membran. Einige der Opcuity-Folien sind nur 3 μm dick, gleichwohl müssen sie ein Array mikro-optischer Strukturen auf der dem Wellenleiter zugewandten Seite tragen. Darüber hinaus ist die potentielle mechanische Energie, die in einer solchen Folie gespeichert ist, verantwortlich dafür, dass das Pixel selbstständig in seinen Ruhezustand zurückkehrt. Beim Abschalten des elektrischen Feldes wird das Schaltelement „passiv“ freigegeben. Diese passive Rückführung vereinfacht den Aufbau eines Displays erheblich. Die Alternative zur passiven Rückführung besteht in einem aktiven Rückholvorgang, bei dem die Folie mit elektrostatischer Kraft vom Wellenleiter zurückgezogen wird.

Schließlich sollte die Haftreibung zwischen der Folie und dem Wellenleiter am Kontaktpunkt minimal sein. Je größer die Haftreibung, desto höher ist die Energie, die für die passive Rückführung aufgebracht werden muss, was wiederum höhere Versorgungsspannungen für das Display erfordert.

Elektrische Parameter

Weil die Kraft, die an einem elektrostatisch betätigten MEMS-Pixel wirkt, exponentiell vom Abstand der Membran zum Wellenleiter abhängt, muss die Membran so konfiguriert werden, dass der Abstand so klein wie möglich wird. Im Grunde genommen ist ein TMOS-Pixel ein veränderlicher Kondensator. Seine Kapazität ist im Ruhezustand etwas kleiner als im aktivierten Zustand, bei dem die Folie fast in Kontakt mit dem Wellenleiter ist. Die eine Platte des Kondensators ist eine transparente, elektrisch leitfähige Schicht, die unmittelbar auf der Oberfläche des Wellenleiters angebracht ist. Die andere Platte wird gebildet durch die Oberfläche der Opcuity-Folie.

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