Die Pixeldichte eines 4K-Fernsehers liegt zwischen 70 und 110 dpi. Ein Handydisplay kommt auf Werte zwischen 200 und 600 dpi. Moderne OLED-Mikrodisplays haben eine Pixeldichte von 1000 bis 3000 dpi. Um derart hohe Displayauflösungen zu erreichen, bedarf es eines speziellen Aufbaus. Hierfür bedienen sich Hersteller der hochgenauen Strukturen der CMOS-Silizium-Technologie. So dient ein Standard-CMOS-Wafer als Backplane. Dieser enthält die Schaltung zur Ansteuerung der Pixel. Die letzte Verdrahtungsebene des CMOS-Prozesses bildet dabei die Anode der einzelnen OLED-Pixel.
Hohe Anforderungen an den Produktionsprozess
Dieses spezielle Metall lässt sich grundsätzlich bei jedem Waferhersteller realisieren. Es muss jedoch speziell für die OLED wichtige Parameter erfüllen: Die aufgebrachten Organik-Schichten weisen eine sehr geringe Dicke auf (Einzelschichten bis ca. 10 nm). Um Kurzschlüsse der OLED zu verhindern, leiten sich daraus entsprechende Anforderungen an die Rauigkeit des Metalls ab. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Reflektivität. Diese beeinflusst unmittelbar die spektralen Eigenschaften sowie die gesamte Effizienz der OLED. Um Verluste zu minimieren, ist eine möglichst hohe Reflektivität gewünscht. Um eine Störung der OLED-Schichten durch Verunreinigungen zu vermeiden, muss die Oberfläche sauber sein. Aus diesem Grund erfolgt das Aufbringen der OLED-Schichten in einem Reinraum-Umfeld.
Farben können erst über Filter realisiert werden
Die Abscheidung der OLED-Schichten erfolgt auf Wafer-Level und flächig für jedes Aktivgebiet eines Mikrodisplays auf dem Wafer. Die einzelnen Pixel werden lediglich durch die Unterbrechungen auf der Anode realisiert. Eine gemeinsame Kathode, welche sich über das gesamte Aktivgebiet erstreckt und über spezielle Kontaktflächen wieder in den CMOS-Chip geführt wird, vervollständigt schliesslich den elektrischen Aufbau der OLED.
Da die organischen Schichten äusserst empfindlich gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit sind, ist eine spezielle Verkapselung erforderlich. Diese wird unmittelbar nach den organischen Schichten in einem Vakuumprozess aufgebracht.
Aufgrund des Fehlens einer geeigneten Strukturierungsmethode für die organischen Halbleiter im für Mikrodisplays relevanten Strukturniveau ist eine Substrukturierung unterschiedlicher Emitter auf die einzelnen Subpixel derzeit noch nicht möglich. Daher erfolgt die Generierung der Farben derzeit über Farbfilter. Diese beschneiden das Spektrum der weissen, flächigen OLED entsprechend, sodass ein rotes, grünes und blaues Subpixel realisiert wird.
Interessante Kombination aus OLED und Bildsensor
Die CMOS-Backplane erlaubt dabei eine Erweiterung des Gesamtsystems. So können neben der Ansteuerung des Displays weitere Funktionen integriert werden. Werden beispielsweise neben den Treibern für die OLED-Pixel zusätzliche Fotodioden implementiert, entsteht ein sogenanntes bidirektionales Mikrodisplay – ein Bauelement, welches nicht nur Licht über die OLED emittieren, sondern auch über den verschachtelten Bildsensor detektieren kann.
Neue Entwicklungen in der Sensorik erwartet
Durch die monolithische Integration von Emitter und Sensor in einem Chip lassen sich komplexe Systeme realisieren, die eine sehr genaue zeitliche Abstimmung von optischer Anregung und Detektion erfordern. Verzichtet man auf die, für vollfarbige Mikrodisplays unerlässliche, weisse OLED, so kann auf ein grosses Portfolio von monochromen Emittern zurückgegriffen werden, deren spektrale Eigenschaften sich durch die Prozessierung der OLED beeinflussen lassen. Diese Emitter verfügen über eine deutlich höhere Effizienz und machen somit grössere Helligkeiten möglich. Dieser Baukasten aus hochgenauer zeitlicher Steuerung von Detektion und Emission, sowie der Einstellung der Emissionswellenlänge, erlaubt die Anwendung der Technologie in weiteren Feldern, wie beispielsweise der Sensorik. Hier werden in den nächsten Jahren neue Entwicklungen erwartet.
OLED-Mikrodisplays werden bereits in einer Vielzahl von Applikationen, wie beispielsweise Videobrillen und elektronischen Suchern in hochwertigen Digitalkameras, eingesetzt. Speziell in diesen Anwendungen kann die OLED-auf-Silizium-Technologie einen deutlichen Vorteil gegenüber konkurrierenden Mikrodisplay-Technologien ausspielen: Ein OLED-Mikrodisplay ist Lichtquelle und -modulator in einem und benötigt im Vergleich zu Alternativen wie LCOS oder DLP keine zusätzliche Lichtquelle. Hierdurch entfallen weitere externe Bauelemente, der optische Aufbau ist einfacher und reduziert die Leistungsaufnahme.
OLED-basierte Systeme für die optische Sensorik
Ein Anwendungsgebiet, das noch am Anfang der Entwicklung steht, ist die Verwendung der OLED-auf-Silizium-Technologie in der optischen Sensorik. Mittels dieser Technologie ist es möglich, Lichtquellen die vormals extern realisiert werden mussten, mit in einen gemeinsamen Sensorchip zu integrieren. Dadurch können deutlich kompaktere Systeme realisiert sowie eine hochgenaue zeitliche Steuerung von Emission und Detektion erreicht werden. Darüber hinaus kann das Spektrum der OLED über einen weiten Bereich an die Anforderungen der Applikation angepasst werden.
Datenbrille mit Augenbewegungen steuern
Ein bidirektionales Mikrodisplay erlaubt durch den integrierten Bildsensor weitere Funktionalität. Ein Beispielszenario für die Anwendung ist die Integration des bidirektionalen Mikrodisplays in eine über Eye-Tracking gesteuerte Datenbrille. Dabei wird das OLED-Display wie bei einem Standard-Mikrodisplay für die Wiedergabe von Informationen genutzt. Der Bildsensor nimmt zusätzlich das Auge des Trägers auf, was über eine Blickrichtungsbestimmung eine Interaktion erlaubt. Ein sehr einfaches Beispiel ist das Scrollen von Bildinhalten bei Erreichen des Randes.
Höhere Auflösung erschliesst weitere Anwendungen
Unlängst haben die Wissenschaftler ein Vollfarb-OLED-Mikrodisplay vorgestellt, bei dem sowohl die Displayfunktion als auch die integrierte Kamera SVGA-Auflösung (800 × 600 × RGBW) haben. Diese neue Generation bidirektionaler Mikrodisplays stellt einen Quantensprung dar. Die Forscher haben alle wesentlichen Schlüsselparameter des Chips deutlich verbessert. Dies umfasst neben der höheren Auflösung auch eine grössere Farbtiefe sowie die Integration weiterer Komponenten auf dem Mikrodisplay-Chip. So kann das Mikrodisplay mit deutlich weniger externen Komponenten betrieben werden und trägt damit der Entwicklung von immer weiter miniaturisierten und leistungseffizienteren Systemen Rechnung.
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