Forschung & Entwicklung

Hochauflösende OLED-Vollfarbdisplays

Um den Anforderungen von höherer Effizienz, höheren Kontrasten und Auflösungen der Anwendungen von OLED-Mikrodisplays gerecht zu werden, wurde ein neuer Ansatz zur Mikrostrukturierung von OLED-auf-Silizium entwickelt.

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. Leichte Head-Up-Displays können Ausstellungen durch eingeblendete Filmszenen, Töne und auch Interaktion zu großartigen Lernwelten erweitern und einen Museumsbesuch nachhaltiger gestalten.

Durch geringe Bautiefe aufgrund der selbstleuchtenden Eigenschaften von OLEDs und der hervorragenden 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 OLEDs ein. Mit Hochdruck wird an neuen Ansätzen geforscht, mit denen die Mikrodisplays hochauflösend und gleichzeitig effizient und langlebig hergestellt werden können. Dabei stellt die Strukturierung der organischen Schichten in den OLEDs eine der größten Herausforderungen dar, da konventionelle Methoden (z. B. Fotolithographie) bei organischen Halbleitermaterialien nicht anwendbar sind. Vor zwei Jahren wurde bereits der Einsatz von Elektronenstrahltechnologie zur Mikrostrukturierung am Fraunhofer FEP erfolgreich demonstriert. 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.

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 Schritt zur Entwicklung von Vollfarbdisplays ohne den Einsatz einschränkender Farbfilter im Prozess gelungen. Elisabeth Bodenstein vom Fraunhofer FEP erklärt die Vorteile: „Mit unserem Elektronenstrahlverfahren ist es möglich, auch solche sensiblen, organischen Materialien thermisch zu strukturieren, ohne darunterliegende Schichten zu schädigen.“

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 am Fraunhofer FEP 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 sehr flexibel auch in Bereichen der Photovoltaik, MEMS und Dünnschichttechnik einsetzbar.

Oberstes Ziel ist es, in den kommenden Jahren gemeinsam mit Partnern die Herstellung von OLED-Mikrodisplays mit dieser neuen Methode zu entwickeln und durch Lizenzierung in der Industrie zu etablieren. So soll der künftige Transfer der Testergebnisse in eine bestehende Prozesslinie erarbeitet werden, um eine spätere Etablierung der Technologie auf Industrieniveau zu ermöglichen.

Begleitend dazu planen die Wissenschaftler eine erweiterte Simulation der OLED. Mit einer Anpassung von Materialien und Schichtdicken soll das Farbspektrum der OLED noch verbreitert werden. Perspektivisch soll so der Einsatz der Displays in Datenbrillen zum Beispiel für Spezialanwendungen in der Industrie oder Medizin über diesen Prozess eröffnet werden.

Originalveröffentlichung:

[E. Bodenstein, M. Schober, M. Hoffmann, C. Metzner, U. Vogel, Realization of RGB colors from top‐emitting white OLED by electron beam patterning, Journal of the Society for Information Display (2018), DOI: 10.1002/jsid.674]

von mn

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