Transparente Elektronik: 45 Prozent Transparenz bei Mikrodisplays erreicht
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS haben die
Transparenz von OLED-Mikrodisplays deutlich erhöht. Auf der Konferenz
»International Meeting on Information Display« (IMID) 2024 in Jeju, Südkorea,
wird erstmals ein Mikrodisplay dieser Art auf dem Stand Nr. 38 präsentiert.
Transparente Elektronik leistet bereits in einigen Anwendungen zuverlässige Dienste.
So kann man sie als hauchdünne Schichten für Touchdisplays finden oder als
transparente Folien mit aufgedruckten Antennen für den Mobilfunk. OLEDMikrodisplays
jedoch waren bisher nicht transparent.
Im Rahmen des von der Fraunhofer Gesellschaft geförderten Projektes HOT
(»Hochperformante transparente und biegbare Mikro-Elektronik für photonische und
optische Anwendungen«, Fördernummer MAVO 840092) wurden OLED-Mikrodisplays
mit einer Transparenz von 20 % entwickelt. Nun konnte die Technologie weiter
vorangebracht und erstmals eine Transparenz von 45% bei einem CMOS-OLED-Mikrodisplay gezeigt werden.
Wodurch kommt diese Verbesserung zustande?
Die OLED-auf-Silizium-Technologie verwendet eine Silizium-Backplane, die die gesamte
Aktiv-Matrix-Ansteuerelektronik für die Pixel enthält. Die organische Frontplane ist
monolithisch auf der obersten Metallisierungsebene integriert, wobei diese gleichzeitig
als Ansteuerkontakt für die organische Leuchtdiode dient. Der zweite Anschluss der
OLED wird durch eine halbtransparente obere Elektrode gebildet, die alle Pixel
gemeinsam nutzen. Die Schaltung der Pixel basiert auf Silizium-CMOS-Technologie und
erfordert mehrere Metallschichten, um die in das Substrat eingebetteten Transistoren
zu verbinden. Diese Metallverbindungen bestehen aus Aluminium oder Kupfer.
Zusätzlich benötigt die optische Struktur der OLED eine hochreflektierende untere
Elektrode, um eine hohe optische Effizienz nach oben zu gewährleisten. Diese beiden
Aspekte führen dazu, dass die Pixel selbst nicht durchsichtig sind.
»Ein transparentes Mikrodisplay lässt sich jedoch durch ein räumlich verteiltes Design
dieser grundlegenden Pixelstruktur realisieren, wobei transparente Bereiche zwischen
den Pixeln sowie eine minimierte Spalten- und Reihenverdrahtung geschaffen werden«,
erklärt Philipp Wartenberg, Gruppenleiter IC- und Systemdesign am Fraunhofer IPMS,
»außerdem trägt eine weitere Optimierung der OLED-Schichten, z.B. durch Vermeidung von OLED-Schichten in den transparenten Bereichen, die Einführung von entspiegelnden Beschichtungen und die Neugestaltung der Verdrahtung dazu bei, die Transparenz weiter zu erhöhen.«
Es gibt zwei grundlegende Methoden, um Halbtransparenz in optischen Systemen zu
erreichen:
1. Pixelansatz: Hierbei werden transparente Bereiche zwischen einzelnen Pixeln
geschaffen.
2. Clusteransatz: Bei dieser Methode werden mehrere Pixel zu einem größeren,
nicht-transparenten Cluster zusammengefasst. Zwischen diesen Clustern entstehen größere transparente Bereiche.
Beide Ansätze sind für unterschiedliche Anwendungen in der Praxis relevant. Der
Pixelansatz eignet sich beispielsweise zur Bildüberlagerung innerhalb eines komplexen
optischen Systems, wobei das Bild zwischen anderen Bildebenen eingesetzt wird.
Der Clusteransatz ist besonders geeignet für Augmented-Reality (AR)-Anwendungen,
wie beispielsweise in Datenbrillen, bei denen die Pixelcluster mit Hilfe einer Mikrooptik
über jedem der Cluster zu einem einheitlichen virtuellen Bild kombiniert werden. Dabei
bleiben die transparenten Bereiche zwischen den Clustern von der Optik unbeeinflusst,
was einen klaren Blick auf die reale Umgebung ermöglicht.
Die Technologie für transparente Mikrodisplays wurde entwickelt, um beide Techniken
zu unterstützen. Das auf der IMID vorgestellte Mikrodisplay zeigt den Clusteransatz mit
einer neuen AR-Optik.
Optischer Ansatz
Die optische Kombination der einzelnen Pixelcluster zu einem einheitlichen virtuellen
Bild wurde durch ein Mikrolinsen-Array realisiert. Die Optik wurde so gestaltet, dass sie
ein nahe am Auge befindliches Setup mit einem ähnlichen Abstand zum Auge wie
reguläre Korrekturbrillen ermöglicht.
Fraunhofer IPMS auf der IMID 2024:
Messestand: Nr. 38
Vorträge:
Philipp Wartenberg: “CMOS Integrated Circuitry Active-Matrix Backplane Design for
High-Resolution XR Microdisplays” invited
Session Title: 02. Special Session II: High Resolution Frontplane Technologies for XR I
Session Running Time and Date: 09:00-10:30 / Aug. 21 (Wed.), 2024
Presentation Time: 09:00-09:25
Session Room: Room B (Hall B)
Dr. Uwe Vogel: „Semi-transparent CMOS backplane for advanced near-to-eye
microdisplays”
Session Title: 04. Recent Developments in AR/VR/MR Displays
Session Running Time and Date: 09:00-10:20 / Aug. 21 (Wed.), 2024
Presentation Time: 09:50-10:05
Session Room: Room D (301)
Poster:
Paper No.: 15_1213
“High Brightness Monochrome OLED Stacks for Micro-Display Applications”
Authors: Johannes Zeltner, Simone Lenk, Michael Toerker, Karsten Fehse, Bernd
Richter, Philipp Wartenberg, and Uwe Vogel (Fraunhofer Inst. for Photonic
Microsystems IPMS, Germany)
Poster Session 1, 13:20-14:50 / Aug. 21 (Wed.), 2024
Weitere Veröffentlichungen:
• Philipp Wartenberg, Bernd Richter, Stephan Brenner, Johannes Zeltner,
Christian Schmidt, Judith Baumgarten, Andreas Fritscher, Simone Lenk, Martin
Rolle, Michael Törker, Uwe Vogel, "High-brightness OLED-on-silicon on
semitransparent CMOS backplane for advanced near-to-eye microdisplays,"
Proc. SPIE 12624, Digital Optical Technologies 2023, 1262416 (7 August
2023); https://doi.org/10.1117/12.2675479
• SID 2024 (Veröffentlichung noch ausstehend): A new semi-transparent OLEDon-
Silicon microdisplay technology enabling new optical design opportunities
for slim near-to-eye optics
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Über das Projekt HOT (Hochperformante transparente und biegbare Mikro-Elektronik
für photonische und optische Anwendungen):
Diese Arbeit wurde innerhalb eines Fraunhofer-internen Programms
unter der Fördernummer MAVO 840092 gefördert. Darüber hinaus wurden die
Forschenden durch das Fraunhofer IOF bei der Mikrooptik unterstützt.
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Über das Fraunhofer IPMS
Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS ist führend in der
angewandten Forschung und Entwicklung auf den Gebieten der Photonik,
Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik für intelligente Industrielösungen,
Medizintechnik und Mobilität. Das Fraunhofer IPMS arbeitet an elektronischen,
mechanischen und optischen Komponenten und deren Integration in miniaturisierte
Geräte und Systeme. Das Angebot reicht von der Konzeption über die
Produktentwicklung bis hin zur Pilotfertigung in eigenen Laboren und Reinräumen.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Phillipp Wartenberg - philipp.wartenberg@ipms.fraunhofer.de
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