Schwerpunkte

OLED auf Silizium

Mikrodisplays sorgen für smarten Durchblick

26. Februar 2020, 09:26 Uhr   |  Dr. Uwe Vogel


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

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Seit mehr als zehn Jahren arbeitet das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) an Anwendungen und Display-Lösungen auf Basis der OLED-auf-Silizium-Technik, die für den Einsatz in Datenbrillen und HMDs geeignet sind (Bild 2).

Bei den OLED-Mikrodisplays handelt es sich um hochauflösende, miniaturisierte Displays mit einer typischen Pixeldichte zwischen 1000 und 3000 ppi und mehr, was die Integration einer zusätzlichen Optik nötig macht. Diese enormen Pixeldichten auf kleinstem Raum ermöglichen sehr hoch aufgelöste Bilder mit großem Blickwinkel aber auch sehr gute Darstellungen in AR über Durchsichtoptiken bei Tageslicht. Durch ihren selbstleuchtenden Charakter sind OLED-Mikrodisplays energieeffizient und bieten hohe Kontrastverhältnisse von bis zu 100.000:1. Als echte Festkörperbauelemente ohne bewegliche Teile oder Flüssigkeiten halten die Winzlinge auch Erschütterungen oder Stößen stand und ermöglichen damit robuste, industrietaugliche Wearables.

Inzwischen existiert eine Vielzahl an OLED-Mikrodisplays, deren Parameter kontinuierlich weiterentwickelt werden. Dabei ist jedes Display applikationsspezifisch ausgelegt, um den anspruchsvollen Anforderungen gerecht zu werden. Bild 3 zeigt drei Anwendungsfälle sowie die dazu am Fraunhofer FEP konzipierten OLED-Mikrodisplays »Ultra-Low Power«, »720p« und »WUXGA«. Die beiden letztgenannten Displays wurden in öffentlich geförderten Projekten zur Weiterentwicklung von smarten Datenbrillen entwickelt.

Fraunhofer FEP
© Fraunhofer FEP

Bild 3: Drei OLED-Mikrodisplays und deren Konzeption entsprechend der Anforderungsmatrix dreier Use-Cases.

Sehr gute Bildqualität auf ein Zoll Bilddiagonale

Für VR-Anwendungen wurde im EU-geförderten Verbund-Projekt LOMID (Large cost-effective OLED-Mikrodisplays and their applications, www.lomid.eu) ein Prototyp einer kompakten und leichten VR-Brille entwickelt, die mit vier großflächigen 1-Zoll-OLED-Mikrodisplays und speziell dafür entwickelten Optiken ausgestattet ist. Da die Datenbrille einen um die Hälfte reduzierten Abstand des Auges zur ersten optischen Fläche aufweist, lässt sie sich mit geringer Bautiefe, flach und leicht konstruieren (Bild 4a und b). Für ein gutes VR-Erlebnis sorgt die Vermeidung von Motion Sickness und Bewegungsartefakten durch sehr hohe Bildwiederholraten sowie ein großes Field-of-View. Darüber hinaus machen sehr gute Kontraste und Farben bei moderater Stromaufnahme ein störungsfreies Wandeln in der virtuellen Umgebung möglich.

Diese »WUXGA«-Displays bieten bei 1 Zoll Diagonale eine enstprechende Auflösung von 1920 × 1200 bei einem Pixel-Pitch von 11 µm. Diese Extended-Full-HD-Auflösung kann bei Bildwiederholraten von bis zu 120 Hz mit hohen Kontrastverhältnissen bis 100.000:1 und geringer Stromaufnahme punkten.

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© Limbak

Bild 4a: Prototyp einer VR-Brille mit vier WUXGA-OLED-Mikrodisplays.

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© Fraunhofer FEP

Bild 4b: Beispiel des WUXGA-OLED-Mikrodisplays.

Der kleine Bruder, das 720p-Mikrodisplay des Fraunhofer FEP (Bild 5), wurde für AR-Anwendungen im Verbundprojekt »Glass@Service« (www.fep.fraunhofer.de/glass-at-service) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) konzipiert. Ziel war es hier unter anderem, passende Displaykomponenten für einen AR-Brillen-Prototyp zu entwickeln, die den hohen Standards hinsichtlich Robustheit, Ergonomie und Arbeitsschutz entsprechen. In industriellen AR-Brillen soll häufig eine Echtzeit-Überlagerung von Daten oder Unterstützungsszenarien eingeblendet werden. Hier spielen somit ebenfalls hohe Bildraten und Kontrastverhältnisse eine Rolle. Die Displaygröße sowie die Auflösung können im Gegenzug etwas geringer ausfallen, um auch Anforderungen wie einer weniger komplexen Elektronik und einer hohen Akkulaufzeit durch geringere Stromaufnahme zu entsprechen. Nur damit sind die Voraussetzungen für ergonomische und leichte Systeme gegeben, die im Betrieb eine Arbeitsschicht (>8 Stunden) ohne zusätzliche Akkunachladung auskommen sollen. Mit einer Auflösung von 1280 x 720 bei einer Bildschirmdiagonale von 0,64 Zoll bietet dieses OLED-Mikrodisplay qualitativ hochwertige Bilder bei geringer Leistungsaufnahme von etwa 160 mW bei 120 Hz. Zusätzlich verfügt das Display über die geforderte einfache Steuerelektronik zur unkomplizierten Integration in Wearables.

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© Fraunhofer FEP

Bild 5: Ansicht eines 720p-OLED-Mikro-displays.

Die Bandbreite der vom Fraunhofer FEP entwickelten Mikrodisplays reicht von Displays für smarte Datenbrillen über SVGA-Displays mit eingebettetem Bildsensor (zur Bildaufnahme bei gleichzeitiger Bildwiedergabe) bis hin zu Ultra-Low-Power-Displays für Look-around-Szenarien beispielsweise in Wearables. Alle Bauelemente gibt es zu Evaluationszwecken als Entwicklungskits mit Ansteuerelektronik und GUI. Damit verfügen Entwickler von Datenbrillen oder Wearables über eine Plattform, um die Möglichkeiten der Displays zu testen.

Und in Zukunft: X-auf-Silizium

Während die klassische Mikroelektronik auf Silizium derzeit an ihre physikalischen Grenzen gelangt ist und man aktuell an alternativen Lösungen für diese Technologie arbeitet, sind die Möglichkeiten der Integration von OLED auf Silizium noch nicht ausgeschöpft. Die Vorteile des kosteneffizienten Post-Processing der CMOS-Backplanes für smarte Displays bieten nach Einschätzung von Dr. Uwe Vogel, Geschäftsfeldleiter für Mikrodisplays und Sensoren am Fraunhofer FEP, in Zukunft noch viele Möglichkeiten für smarte Datenbrillen und Wearables. Parallel lassen sich Display-Backplanes neben OLED auch für alternative Technologien wie Quantendots (QDs) oder Liquid-Crystal-on-Silicon (LCOS) bis zu Mikro-LEDs nutzen. (kv)

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