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Deutscher Zukunftspreis 2013

Neue LED-Leuchtstoffe und Laserverfahren nominiert

2. Oktober 2013, 13:30 Uhr | Andrea Gillhuber

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Kristalline Schaltschichten für lebendige Displays – Pixel ade!

Ein Lasersystem für die Massenfertigung von schnellen, stromsparenden Schaltschichten für mobile Displays hat das Team um Rainer Pätzel entwickelt. Gemeinsam mit Dr. rer. nat. Ralph Delmdahl und Dr.-Ing. Kai Schmidt forschte er an den sogenannten Excimer-Laser-Annealing-Systemen.

Smartphone-Displays setzen sich aus einzelnen Pixeln zusammen, ab einer Pixeldichte von etwa 250 ppi kann das menschliche Auge die einzelnen Bildpunkte nicht mehr erkennen. Der Trend hin zu höheren Pixeldichten kann nur durch eine Verkleinerung der Pixel und den dazugehörigen Dünnschicht-Transistoren, kurze: TFT, gelingen. Dafür sind jedoch kleiner Schaltkreisabmessungen erforderlich, die nur auf Basis hochleitfähiger Polysilizium-Schichten auf Glasträgern realisiert werden können. Die kristallinen Schalter lassen im Gegensatz zu den herkömmlichen Schaltern aus ungeordnetem Silizium mehr Licht durch das Display und sparen Energie, in dem sie den Strombedarf der Hintergrundbeleuchtung senken. Ein weiterer Vorteil dieser Schalter ist ihre höhere Schaltfrequenz, was wiederum zu höheren Bildwiederholungsraten führt.

Kristalline Schaltschichten für lebendige Displays – Pixel ade!

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Mit der steigenden Nachfrage nach Smartphones steigt die Nachfrage nach Polysilizium, was wiederum die Nachfrage nach dem Excimer-Laser-Annealing-System VYPER/LineBeam750 anwachsen. Mit dem System können Kristallschichten, die rund 2.000 Mal dünner als ein Haar sind, am laufenden Meter durch selektives Anschmelzen aus amorphen Siliziumschichten erzeugt werden. Durch die kurze UV Wellenlänge von 308 nm und die kurze Laserpulsdauer von wenigen Nanosekunden konzentriert sich die Energie des Laserlichts ausschließlich in der Siliziumschicht und nicht im darunter liegenden, wärmeempfindlichen Substratglas.

Bis 2011 war die Methode des Excimer-Laser-Annealing auf Glassubstrate mit einer Größe von 90 x 70 cm² beschränkt. Aus diesen wurden dann die Smartphone-Displays herausgeschnitten. Mit der steigenden Nachfrage forderte die Industrie eine Verdoppelung der Laser-Linienlängen und der Laserenergie, damit Kristallschichten auf ca. 150 x 185 cm² großen Substraten realisiert werden können. Die Forscher um Rainer Pätzel haben einen Weg gefunden, um die von der Industrie geforderte Verdoppelung zu gewährleisten.

Sie entwickelten eine Hochspannungsschaltung, mit der sie die durch Hochleistungs-Laser-Oszillatoren ausgesandten ultravioletten Lichtpulse auf den milliardsten Teil einer Sekunde synchronisieren konnten. Der sogenannte VYPER-Laser hat eine optische Leistung von 1,2 kW und bildet die Grundlage für das Optikdesign für mehr als einen Oszillator-Strahl. Das Strahlführungssystem LineBeam750 integriert, mischt und homogenisiert zwei getrennt zugeführte Laserstrahlen und bilden den Gesamtstrahl in Form einer 75 cm langen, dünnen Linie auf dem Substrat ab. Zu dem Konzept ist skalierbar: Es können noch weitre Oszillatoren hinzugeführt werden und das System so auch für 5,5 m² große Substrate z.B. zur Fertigung von OLED-Fernseher verwendet werden. Inzwischen wurden bereits die ersten VYPER/LineBeam-Systeme mit 2,4 kW UV-Leistung und entsprechend längerer Linienlänge ausgeliefert.