Hochvolt-CMOS-Backplane für sehr helle OLED-Mikrodisplays

Eine gängige Methode zur Erhöhung der Helligkeit von OLED bei gleichzeitig hoher Lebensdauer ist die Verwendung von mehrfach gestapelten OLED. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS haben nun laut Mitteilung des Instituts hierfür eine neuartige Hochvolt-CMOS-Backplane entwickelt, die außergewöhnlich helle ­Mikrodisplays ermöglicht, berichtet das Fraunhofer IPMS.

Zahlreiche Anwendungen profitieren von der Bildqualität und den hohen ­Helligkeiten von OLED-Mikrodisplays. So finden diese Displays Verwendung in Augmented-Reality (AR)-Brillen für lebendige und gut sichtbare Inhalte unter sehr unterschiedlichen Lichtverhältnissen oder in Virtual-Reality (VR)-Headsets für realistische und helle Bilder. Auch in militärischen Anwendungen werden sie für eine klare Sichtbarkeit von Kommandos und Lagehinweisen in militärischen Geräten unter extremen Bedingungen genutzt.

OLED gelten bei sehr hoher Helligkeit in rauen Umgebungen als eingeschränkt. Deshalb werden oft MikroLEDs als Alternative beworben, die Helligkeiten (Leuchtdichte) sogar im Bereich von einer Million cd/m2 erreichen sollen. Allerdings haben MikroLEDs bei sehr hohen Pixeldichten, wie sie in hochauflösenden Mikrodisplays erforderlich sind, einen signifikanten Effizienzverlust. Das bedeutet, dass sie mit mehr als 1 A/cm² betrieben werden müssen. Darüber hinaus ist diese Technologie noch nicht ausgereift, insbesondere für Vollfarbe. Im Gegensatz dazu liegt die Stromdichte für OLED bei langem Lebenszyklusbetrieb typischerweise bei unter 100 mA/cm².

Durch mehrfaches Stapeln von OLED-Schichten übereinander können diese Einschränkungen jedoch stark verbessert werden. Die Stromdichte der einzelnen OLED-Schichten ist jedoch begrenzt, um eine angemessene Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Allerdings erhöht das Stapeln von OLED-Schichten den Spannungsabfall und Swing über den OLED-Stapel. Nun wurde ein Hochvolt-CMOS-Backplane für Hochhelligkeits-OLED-Mikrodisplays entwickelt.

Dr. Uwe Vogel, Leiter Mikrodisplays und Sensoren am Fraunhofer IPMS, erklärt: Wir haben ein innovatives Pixelzellendesign entwickelt, das eine Spannungshub von über zehn Volt ermöglicht und somit in der Lage ist, mehrfach gestapelte, nach oben emittierende OLED-Schichten zu betreiben. Je nach Anzahl der gestapelten Einheiten könne das Vielfache der maximalen Emission erreicht werden, die mit einer hohen ­Stromeffizienz erzielt werden, während die Stromdichte konstant bleibt. Dieser Ansatz ermöglicht laut Uwe Vogel volle Farbmaximum-Helligkeiten von über 10 000 cd/m² bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Die Vorteile von OLED gegenüber MikroLEDs:

-      Reife Technologie: OLED-Technologie hat eine hohe Reife erreicht und es gibt bereits viele etablierte Produkte auf dem Markt. MikroLEDs sind noch nicht so weit ent­wickelt, insbesondere für die Darstellung von Vollfarbe.

-      Niedrigere Stromdichte: OLED können im typischen Betrieb mit einer Stromdichte von < 100 mA/cm² betrieben werden, was ihnen eine höhere Effizienz und längere Lebensdauer ermöglicht. MikroLEDs hingegen benötigen oft über 1 A/cm², was zu einem signifikanten Effizienzverlust führt.

-      Helligkeitserhöhung durch Stapelung: Durch die Möglichkeit, mehrere OLED-Schichten übereinander zu stapeln, kann die Helligkeit auf mehr als 10 000 cd/m² erhöht werden. Dies verbessert die Einsatzmöglichkeiten in hellen Umgebungen.

Zusammenfassend sind OLED aufgrund ihrer Reife, Effizienz und Farbdarstellung in vielen Anwendungen vorteilhaft, während bei MikroLEDs noch an der Technologie gearbeitet werden muss, um ähnliche Vorteile zu bieten.

Durch die Anwendung von mehrfach gestapelten OLED auf einer Hochvolt-CMOS-Backplane kann diese Helligkeit nun auf etwa 10 000 nits erweitert werden, was die Marktchancen für sehr helle OLED-Mikrodisplays deutlich erhöht.

Am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS werden bereits seit vielen Jahren Backplanes für unterschiedliche Technologien und vor allem ­Mikrodisplays entwickelt. Am Institut wurde ein einzigartiges Entwicklungs-Know-how erarbeitet, was die gesamte Prozesskette von der Machbarkeitsstudie bis zur Pilotfertigung (bei OLED-Mikrodisplays) umfasst. Die Wissenschaftler freuen sich, die neue Backplane-Technologie mit Industriepartnern auf den Markt zu bringen.

www.ipms.fraunhofer.de