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OLED-Mikrodisplays: Hochauflösend dank Elektronenstrahlstrukturierung

OLED-Mikrodisplays etablieren sich zunehmend für den Einsatz in Wearables und Datenbrillen. Um den Anforderungen von höherer Effizienz, höheren Kontrasten und Auflösungen gerecht zu werden, haben Wissenschaftler einen neuen Ansatz zur Mikrostrukturierung von OLED-auf-Silizium entwickelt.

Die Weiterentwicklung des Elektronenstrahlverfahrens erlaubt nun auch vollfarbige OLED-Strukturierung ohne Farbfilter. Bildquelle: © Fraunhofer FEP

Die Weiterentwicklung des Elektronenstrahlverfahrens erlaubt nun auch vollfarbige OLED-Strukturierung ohne Farbfilter.

Circa 88 Mal am Tag schaut der durchschnittliche Smartphone-Nutzer auf ein Display. Nicht eingerechnet der Blick auf die kleineren Smart Watches oder andere Anzeigeelemente. Displays in unterschiedlichsten Arten sind allgegenwärtig und im täglichen Leben bald unersetzlich.

Rückt man den Fokus auf die Welt der OLED-Mikrodisplays, findet man sich schnell bei den aktuellen und künftigen Anwendungen in Datenbrillen für die Darstellung virtueller (VR) und erweiterter Realität (Augmented Reality, AR) wieder, deren Kernstück das Mikrodisplay darstellt. Nicht nur seit dem Hype um Pokémon Go hat jedermann eine Vorstellung davon, was AR bedeutet - zusätzliche Informationen, mit denen man interagieren kann, werden in die tatsächlich reale Welt eingeblendet. Neben dem industriellen Einsatz in der Produktion 4.0, in der Medizin oder der Unterhaltungselektronik haben sich AR- und VR-Anwendungen seit Jahren ebenfalls in der Werbung und im Bildungssektor etabliert.

Durch geringe Bautiefe aufgrund der selbstleuchtenden Eigenschaften der OLED und der sehr guten Kontrastverhältnisse greifen Hersteller zunehmend auf OLED-Mikrodisplays für AR/VR-Brillen zurück. Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP ist seit Jahren mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung dieser Technologie beschäftigt. Weiterhin gilt es, noch einige technologische Herausforderungen zu meistern, um das ganze Potenzial der OLED-Technologie für den Einsatz in nutzerfreundlichen Datenbrillen oder anderen AR/VR-Anwendungen zu nutzen. Sehr hohe Helligkeiten und Effizienz, gute Ausbeuten bei großer (Chip-) Fläche, gekrümmte Oberflächen, integrierte Augenverfolgung und transparente Substrate sind einige Aufgabenstellungen, die noch auf der Agenda der Forscher stehen.

Aktuell steht man in der OLED-Technologie vor der Hürde, dass Vollfarbdisplays nur durch Einsatz von Farbfiltern oder Schattenmasken realisierbar sind. Diese schränken die Effizienz beziehungsweise die Auflösung der OLED ein. Dabei stellt die Strukturierung der organischen Schichten in den OLED eine der größten Herausforderungen dar, da konventionelle Methoden (zum Beispiel Photolithographie) bei organischen Halbleiter-Materialien nicht anwendbar sind. Forscher am Fraunhofer FEP demonstrierten bereits vor zwei Jahren den Einsatz von Elektronenstrahltechnologie zur Mikrostrukturierung. Mit dem patentierten Verfahren gelang es, eine komplette OLED durch ihre Verkapselung hindurch zu strukturieren und so beliebige Strukturen und auch hochauflösende Bilder in Graustufen zu erzeugen.

Mit Elektronenstrahlstrukturierung zu höchstauflösenden OLED-Vollfarbdisplays

Jetzt gelang die Weiterentwicklung des Elektronenstrahlverfahrens, die nun auch eine vollfarbige OLED-Strukturierung ohne Farbfilter erlaubt. Um rote, grüne und blaue Pixel zu erzeugen, wird eine organische Schicht der OLED selbst mit einem thermischen Elektronenstrahlprozess strukturiert. Diese Strukturierung bewirkt eine Änderung in der Dicke des Schichtstapels, womit die Emission von verschiedene Farben möglich wird. Damit ist ein erster großer Schritt zur Entwicklung von Vollfarbdisplays ohne den Einsatz einschränkender Farbfilter im Prozess gelungen.

Die Ergebnisse wurden über Simulationen und initiale Schätzung der HTL-Dicken (Hole Transport Layer) erreicht, die man mit dem Elektronenstrahl strukturiert. Die Forscher erzielten tatsächlich die Auskoppelung von Rot, Grün und Blau aus der weißen OLED. Mit Prinzipnachweisen konnten auf ersten Testsubstraten die Farben bei vergleichbarer Performance der OLED demonstriert werden.

Neben der Nutzung dieses neuen Verfahrens für OLEDs kann die Elektronenstrahlstrukturierung auch für andere Anwendungen der organischen Elektronik oder für anorganische Schichten genutzt werden. Darüber hinaus ist ein Mikrostrukturierungsprozess mittels Elektronenstrahl flexibel auch in Bereichen der Photovoltaik, MEMS und Dünnschichttechnik einsetzbar. Perspektivisch soll so der Einsatz der Displays in Datenbrillen zum Beispiel für Spezialanwendungen in der Industrie oder Medizin über diesen Prozess eröffnet werden. (me)