Mehr Pixel möglich Backplane-Technik: OLED-Mikrodisplay mit 10.000 dpi

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Fraunhofer-Inst. für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

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Konventionelle CMOS-Techniken und das dazugehörige Backplane-Design beschränkten bisher die Pixelanzahl und -größe. Ein OLED-Mikrodisplay mit der 28-nm-Backplane-Technik auf 300-mm-Wafern hebt die Begrenzung auf.

Die kontinuierliche Entwicklung von Mikrodisplays am Institut in den letzten Jahren wurde durch unterschiedliche Anforderungen wie Pixeldichte, Energieeffizienz, Farbe, Helligkeit oder Bildwiederholrate getrieben. So entstanden am Fraunhofer FEP verschiedenste vollfarbige oder monochrome Mikrodisplays von Ultra-Low-Power-Versionen bis hin zu hochauflösenden Varianten für den Einsatz in Augmented-Reality (AR)- und Virtual-Reality (VR)-Anwendungen und anderen Wearables.

Der überwiegende Teil der auf dem Markt verfügbaren Mikrodisplays wird derzeit auf Wafern mit 200 mm in CMOS-Prozessschritten von 250 bis 90 nm entwickelt und gefertigt. Auch am Fraunhofer FEP werden diese etablierten Designtechnologien je nach Anforderung und Kundenwunsch in Zusammenarbeit mit verschiedenen Halbleiterherstellern eingesetzt. Die Herstellung von Mikrodisplays auf Wafern mit 300 mm ist bisher selten. Das hat zum einen technische Gründe, wie die Verfügbarkeit geeigneter Transistoren für die entsprechende Ansteuerung der OLED, zum anderen wirtschaftliche Gründe.

Pixel mit 2,5 µm und 10.000 dpi

Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Bildqualität, Pixeldichte und integrierte Funktionalität. Fraunhofer-Forscher haben im Rahmen des vom SMWA geförderten Projekts „Backplane“ die Skalierungseffekte in kleineren CMOS-Technologien betrachtet und den Einsatz von 300-mm-Backplane-Prozessen untersucht.

Nun ist den Forschern der nächste große Entwicklungssprung gelungen: Sie realisierten erstmals ein OLED-Mikrodisplay mit Pixeln in der Größe von 2,5 µm mit einer Auflösung von 10.000 dpi bei einer Displaydiagonale von 0,18 Zoll. Damit wurde die Machbarkeit der Entwicklung von Displays auf Basis einer 28-nm-Small-Node-Technologie auf Wafern mit 300 mm demonstriert und die weltweit kleinsten Pixel eines OLED-Mikrodisplays realisiert.

Bildwiederholraten bis 480 Hz

Die neu entwickelten OLED-Mikrodisplays haben eine Auflösung von 1440 x 1080 Pixel in monochromer Ausführung oder 720 x 540 Pixel in Vollfarbe. Die flexible Displayarchitektur erlaubt es einerseits, bei unverändertem Displayinhalt die Bildwiederholrate im Extremfall auf 0 Hz zu reduzieren und damit jeden unnötigen Datentransfer zu vermeiden. Das ist ein Vorteil für den Stromverbrauch. Herkömmliche Displays benötigen unabhängig vom Inhalt eine minimale Bildwiederholrate.

Das neue Mikrodisplay hingegen erlaubt im Extremfall Bildwiederholraten von bis zu 480 Hz – intern sogar bis zu mehreren kHz. Möglich wird dies durch eine programmierbare Ablaufsteuerung in Kombination mit einem displayintegrierten Framebuffer.

Small-Node-Technik bietet neue Ansteuerkonzepte

Je nach Ausführung können die neuen Displays in Sportbrillen oder als Head-Mounted-Displays in Motorradhelmen, in industriellen Szenarien für Wearables in der Logistik oder für Fernwartungslösungen eingesetzt werden.

Philipp Wartenberg, Leiter der Abteilung IC- und Systemdesign, erläutert die neue Small-Node-Technologie: „In kleinen Technologieknoten, so genannten Small-Node-Technologien, besteht in komplexen photonischen Systemen immer die Herausforderung, die für die Ansteuerung notwendigen Spannungen zu realisieren. Durch ein interdisziplinäres Forschungsteam und eine völlig neuartige Displayarchitektur ist uns das in diesem Projekt erstmals gelungen, wobei gleichzeitig extrem kleine Pixel mit einer Größe von nur 2,5 µm realisiert werden konnten. Mit diesem sehr wichtigen Entwicklungsschritt können wir unseren Kunden und Partnern zukünftig einen noch größeren Entwicklungsspielraum mit noch höherer Auflösung auf kleinerer Fläche anbieten. Darüber hinaus ermöglicht die Small-Node-Technologie neuartige Ansteuerungskonzepte, die den für mobile Anwendungen wichtigen Stromverbrauch weiter reduzieren. Dies konnten wir beispielsweise durch ein flexibles, bedarfsgerechtes Ansteuerungsverfahren sowie eine skalierbare Architektur nachweisen“.

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