OLED-Mikrodisplay
Weltrekord mit 10.000 PPI
Mit einem OLED-Mikrodisplays, gefertigt auf 300-mm-Wafern in einer 28-nm-Prozesstechnik, hat das Fraunhofer FEP einen Weltrekord aufgestellt. Das Mikrodisplay mit 2,5-µm-Pixeln und einer Diagonalen von 4,6 mm erreicht 10.000 PPI.
Der überwiegende Teil der am Markt befindlichen Mikrodisplays wird derzeit auf 200-mm-Wafern gefertigt, auf der Basis von CMOS-Prozessen mit Stukturgrößen von 250 nm bis zu 90 nm. Auch das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden nutzt diese etablierten Techniken, je nach Anforderung und Kundenwunsch, in Zusammenarbeit mit verschiedenen Halbleiterherstellern. Die Realisierung von Mikrodisplays auf 300-mm-Wafern ist bisher selten. Das ist einerseits auf technische Gründe wie die Verfügbarkeit von geeigneten Transistoren für die Ansteuerung der OLEDs und andererseits auf wirtschaftliche Gründe zurückzuführen.
Hohe Auflösung, winzige Pixel
Unabhängig davon steigen jedoch die Anforderungen des Marktes an Mikrodisplays hinsichtlich Bildqualität, Pixeldichte und integrierter Funktionen kontinuierlich. Daher haben die Fraunhofer-Forscher im Rahmen des vom Sächsischen Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr (SMWA) geforderten Projekts »Backplane« den Einsatz von 300-mm-Backplane-Prozessen mit kleineren Strukturgrößen untersucht. Hierbei ist den Forschern gelungen, erstmals ein OLED-Mikrodisplay mit winzigen 2,5-μm-Pixeln zu realisieren. Bei einer Displaydiagonale von 4,6 mm (0,18 Zoll) entspricht dies einer Pixeldichte von 10.000 PPI. Damit konnten sie die derzeit weltweit kleinsten Pixel eines OLED-Mikrodisplays realisieren und die Machbarkeit der Entwicklung von Displays auf Basis einer 28-nm-Technik mit 300-mm-Wafern demonstrieren.
Philipp Wartenberg, Abteilungsleiter für IC- und Systementwicklung: »In kleinen Technologieknoten, sogenannten Small-Node-Technologien, besteht in komplexen photonischen Systemen immer die Herausforderung, die für das Treiben erforderlichen Spannungen zu realisieren. Durch ein interdisziplinäres Forschungsteam sowie eine vollkommen neuartige Display-Architektur ist uns dies im Rahmen des Projektes erstmals gelungen, wobei gleichzeitig extrem kleine Pixel mit einer Größe von lediglich 2,5 μm realisiert werden konnten.
Mit diesem sehr wichtigen Entwicklungsschritt können wir unseren Kunden und Partnern zukünftig einen noch größeren Entwicklungsspielraum mit einer noch höheren Auflösung auf einer geringeren Fläche anbieten. Darüber hinaus ermöglicht die Small-Node-Technologie neuartige Konzepte der Ansteuerung, welche die für mobile Applikationen wichtige Stromaufnahme weiter reduziert. Dies konnten wir beispielsweise durch ein bedarfsgerechtes, flexibles Ansteuerverfahren sowie eine skalierbare Architektur zeigen.«
Auf Stromersparnis optimierte Display-Architektur
Die neu entwickelten OLED-Mikrodisplays haben eine Auflösung von 1440 × 1080 Pixel in monochromer Ausführung bzw. 720 × 540 Pixel als Farbdisplay (Bilder 1 und 2). Die Display-Architektur erlaubt einerseits, bei unveränderlichem Display-Inhalt die Bildwiederholrate im Extremfall auf 0 Hz zu reduzieren und so sämtlichen unnötigen Datentransfer zu vermeiden – ein enormer Vorteil, um die Stromaufnahme zu reduzieren. Herkömmliche Displays erfordern eine minimale Bildwiederholrate. Andererseits erlaubt das neue Mikrodisplay im Extremfall auch Bildwiederholraten von bis zu 480 Hz – intern sogar bis zu mehreren kHz. Ermöglicht wird dies durch eine programmierbare Ablaufsteuerung in Kombination mit einem im Display integrierten Bildspeicher.
Zu den Anwendungsbereichen für die neuen Displays zählen Sportbrillen und Head-Mounted Displays, die zum Beispiel in Motorradhelmen, in industriellen Anwendungen wie der Logistik oder für die Fernwartung eingesetzt werden. Die nun möglichen kleineren Abmessungen ebnen zusammen mit der ebenfalls reduzierten Stromaufnahme den Weg zu kompakteren, ergonomischeren Systemen.
Für die neuen OLED-Mikrodisplays bietet das Fraunhofer FEP Evaluations-Kits an, damit Unternehmen die Integration in eigene Systeme testen können. Sie können zugleich auch als Basis für eine gemeinsame kundenspezifische Mikrodisplayentwicklung genutzt werden.
Projekt Backplane
Im FuE-Verbundprojekt »Backplane – Deep-Submicron-CMOS-Prozesstechnologie für Ansteuerung von integrierten Mikrodisplays und Auswerteschaltungen von optischen Sensoren« haben die beiden Unternehmen Globalfoundries Dresden Module One und Digades zusammen mit dem Fraunhofer FEP an energiesparenden und hochauflösenden OLED-Mikrodisplays und Kameras geforscht. Sie sollen in Fahrassistenzsystemen bis hin zum autonomen Fahren, zur Gestensteuerung, in Lifestyle-Produkten sowie für Zwecke der zivilen Sicherheit eingesetzt werden.
Ziel des Forschungsprojektes war es, eine Ultra-Low-Power-Mikrodisplay-Backplane-Architektur erstmals in einen Deep-Submicron-CMOS-Prozess zu implementieren, um somit den bislang überwiegenden Flächenbedarf der Speicherelemente für statisches RAM (SRAM) deutlich zu vermindern, was eine höhere Pixeldichte und somit überhaupt erst Farbbildwiedergabe bei gleichbleibend extrem geringer Leistungsaufnahme ermöglicht.
Das FuE-Verbundvorhaben »Backplane« mit Gesamtkosten von rund 15,9 Mio. Euro wurde in drei Teilprojekten vom Freistaat Sachsen im Rahmen der EFRE-Technologieförderung (EFRE: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung) mit insgesamt 9,069 Mio. Euro aus EU-Mitteln gefördert. Für sein Teilprojekt erhielt das Fraunhofer FEP zusätzlich einen Zuschuss in Höhe von 627.245 Euro aus Landesmitteln des Freistaates Sachsen.
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