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OLED auf Silizium

Mikrodisplays sorgen für smarten Durchblick

26. Februar 2020, 08:26 Uhr   |  Dr. Uwe Vogel

Mikrodisplays sorgen für smarten Durchblick
© Syda Productions / Shutterstock

OLED-Mikrodisplays kommen bevorzugt in Near-to-eye-Anwendungen und Head-Mounted-Displays beziehungsweise in Bereichen wie Virtual oder Augmented Reality (VR/AR) zum Einsatz.

Dank der OLED-auf-Silizium-Technik konnten OLED-Mikrodisplays ihren Siegeszug antreten. Das Fraunhofer FEP forscht seit Langem zur OLED-auf-Silizium-Technik und hat spezielle Mikrodisplays für VR-/AR-Datenbrillen und Wearables entwickelt. Aber auch smarte Sensorik ist damit möglich.

Seit Beginn der siliziumbasierten Mikroelektronik wurden große Fortschritte in der Kombination aus integrierten Schaltungen und eingebetteten Sensoren erzielt – insbesondere bei Photodetektoren, beispielsweise in Bildsensoren. Dennoch kann diese Technik die effiziente Photoemission aufgrund der Silizium-Bandlücke nicht inhärent abdecken. Lichtemittierende Komponenten, die gewöhnlich in optoelektronischen Sensoren verwendet werden, müssen auf hybride Art hinzugefügt werden, was die Kosten steigert und die Verlässlichkeit senkt.

Organische Leuchtdioden (OLED) überwinden diese Hürde, indem die OLED-Schichten monolithisch auf CMOS-Backplanes integriert werden – mittels der OLED-auf-Silizium-Technik. Diese Kombination aus effizienter Lichterzeugung und leistungsstarker Siliziumtechnik ermöglicht es, die Lichtemission von der Frontplane präzise zu strukturieren (zum Beispiel für hohe Pixeldichten), und bietet einen großen Designfreiheitsgrad der Display-Backplane bezüglich Auflösung und Ansteuerkonzept. Neben der Konzeption von Mikrodisplays lassen sich ebenso Sensoren, eine On-Chip-Datenverarbeitung und weitere Zusatzfunktionen einheitlich integrieren. Durch die richtige Auswahl der organischen Materialien und des Schichtstapeldesigns sind neben ein-, mehr- und vollfarbigen Displays auch Lichtemissionen im UV- oder NIR-Bereich möglich.

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Bild 1: Anforderungsmatrix zu den Einflussparametern und Anwendungsbereichen von Mikrodisplays.

Seit der Entwicklung der ersten OLED-auf-Silizium-Bauelemente vor etwa 15 Jahren hat sich diese Technik rasant weiterentwickelt. Die immer leistungsstärkeren und stabileren OLED-Mikrodisplays bieten viele Vorteile, die besonders dem Bereich der Near-to-Eye-Anwendungen und Head-Mounted-Displays (HMDs) zugutekommen und zunehmend die Auswahl der Bauelemente bestimmen.

Das passende Display für jedes HMD

Neben dem Entertainment-/Gaming-Sektor haben sich Datenbrillen und HMDs mittlerweile auch im professionellen Bereich etabliert und beeinflussen die Entwicklung von Assistenz-, Arbeitsunterstützungs- und Ausbildungssystemen in Produktion 4.0, der Wartung oder dem medizinischen Bereich. Unabhängig davon, ob sie für Virtuelle Realität (VR) oder Augmented-Reality-Anwendungen (AR) ausgelegt sind: Jedes Anwendungsszenario hat spezielle Parameter und stellt unterschiedliche Anforderungen an die Komponenten, zum Beispiel Displays als Anzeigeelemente. Neben den VR- und AR-Anwendungen beschäftigen sich die Wissenschaftler des Fraunhofer FEP noch mit einem weiteren Anwendungsbereich: den sogenannten Look-Around-Displays zur Darstellung weniger und einfacher Informationen in einem begrenzten Sichtfeld des Nutzers.

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Bild 2: Beispiel eines OLED-Mikrodisplays mit Ansteuerelektronik für HMDs.

Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass jedes HMD oder jede smarte Datenbrille nur dann die gewünschten Erfolge und Arbeitsunterstützungen erzielt, wenn sie vom Nutzer akzeptiert werden. Kenngrößen wie optische Leistung, Akkulaufzeit, Stromverbrauch, Auflösung und Helligkeit aber auch die gesamte Komplexität der Elektronik und die Ergonomie des Gesamtsystems beeinflussen dabei die Akzeptanz maßgeblich.

Das Zusammenspiel der genannten Einflussparameter der Komponenten und der drei Anwendungsbereiche ist in Bild 1 verdeutlicht. Resultierend aus dem jeweiligen Anwendungsfall können natürlich einige Parameter auch in Konflikt miteinander treten, weshalb es immer auf die Auswahl und Kombination der richtigen Kenngrößen pro Use-Case ankommt.

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2. ​​​​​​​Kleine Anzeige mit großer Wirkung

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