OLED-Mikrodisplay als visuelle Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine

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Fraunhofer Institut für Mikro- elektronische Schaltungen & Systeme

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IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

DMB Technics AG

Das Fraunhofer FEP hat OLED-Mikrodisplays entwickelt, die selbstleuchtend und energieeffizient sind sowie hohe Kontrastverhältnisse bieten. Damit eignen sie sich für mobile Anwendungen.

Die OLED-Mikrodisplays sind hochauflösende miniaturisierte Displays mit typischen Pixeldichten >1000 dpi und Bildschirmdiagonalen von typisch ≤1''. Die hohe Pixeldichte lässt sich mit bloßem Auge nicht wahrnehmen, so dass immer eine vergrößernde Optik notwendig ist.

Als Anwendung ist der Markt von erweiterter und virtueller Realität vielversprechend. Im Gegensatz zu modulierenden LCD-, LCOS- oder DLP-Techniken sind die OLED-Mikrodisplays selbstleuchtend mit Kontrastverhältnissen von mehr als 10.000:1.

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Die OLED-Displays schalten innerhalb von Mikrosekunden, womit Flicker und Motion Sickness reduziert werden. Die OLED selbst besteht aus mehreren organischen Schichten, welche monolithisch auf Silizium-Wafern integriert werden. Die oberste Metallebene des CMOS-Prozesses bildet dabei die untere Elektrode der OLED und definiert gleichzeitig die Pixelgröße und -form. Vervollständigt wird das Bauelement durch eine zweite, halbtransparente Elektrode gefolgt von einer Dünnschichtverkapselung zum Schutz gegen Umwelteinflüsse.

Dank moderner CMOS-Techniken kann innerhalb des Mikrodisplay-Substrates ein großer Funktionsumfang mit komplexer Datenvorverarbeitung sowie Sensoren bzw. Sensorarrays integriert werden. Die hochperformante Siliziumtechnik bietet einen hohen Freiheitsgrad im Design der Displaybackplane in Kombination mit der Lichterzeugung der OLED. Letztere lässt sich durch das Stack-Design und die Auswahl der Materialien einstellen.

Kalte Temperaturen von -20 bis -40 °C sind für OLEDs unproblematisch. Nach oben muss die Betriebstemperatur je nach OLED-Stack auf 65 bis 85 °C begrenzt werden. Die Pixel in OLED-Mikrodisplays sind mit etwa 5 µm kleiner als in vergleichbaren OLED-Displays von Mobiltelefonen und setzen im Vergleich zu diesen weiße OLEDs mit lithographisch strukturierten Farbfiltern ein.

Hochauflösende OLED-Mikrodisplays im Einsatz

Bei VR-Anwendungen können OLED-Mikrodisplays ihre Vorteile ausspielen: Mit Diagonalen von ca. 1" und HD-Auflösung oder höher für jedes Auge können sie eine deutlich verbesserte Bildqualität liefern. Zudem bietet die schnelle Displaybackplane die Möglichkeit hoher Bildwiederholraten bis 120 fps bei minimaler Latenz. Aktuell arbeitet das Fraunhofer FEP an einem WUXGA-Mikrodisplay mit 1920 x 1200 Pixeln bei einer Bildschirmdiagonale von 25 mm. Die Arbeiten hierzu wurden im Projekt LOMID im Rahmen des Europäischen Forschungsprogramms Horizon 2020 gefördert (Förderkennzeichen 644101). Erste Muster und Evaluation Kits sind für Ende 2017 geplant.

Ein bidirektionales Mikrodisplay kombiniert Display und Bildsensor in einem Chip mit einem Aktivgebiet aus verschachtelten Display- und Sensorpixeln. Hier kann das Aktivgebiet gleichzeitig Bilder wiedergeben und aufnehmen. Ein Anwendungsbeispiel ist eine über Eye-Tracking gesteuerte Datenbrille: Das OLED-Display wird wie ein Standard-Mikrodisplay zur Wiedergabe genutzt. Der eingebettete Bildsensor erfasst das Auge des Nutzers und ermöglicht über die Blickrichtung eine Interaktion. Bidirektionale Mikrodisplays werden ebenfalls in der Sensorik eingesetzt.

Das Display ist dabei die hochaufgelöst steuerbare Beleuchtung einer Sensorschicht oder eines Gegenstands. Der eingebettete Bildsensor erfasst das optische Signal der Sensorschicht bzw. den Rückreflex des Gegenstandes. Mögliche Anwendung ist ein optischer Fingerabdrucksensor. Es gibt auch Anwendungen ohne kontinuierlichen Videostream mit seltener aktualisierten Bildinhalten: Fitness-Tracker oder Richtungsanzeigen mobiler Navigationsgeräte aktualisieren weniger als 60 Bilder pro Sekunde. Hier liegt der Schwerpunkt deutlich stärker auf dem schlanken Gesamtsystem mit langer Batterielaufzeit.

Niedrige Stromaufnahme und vereinfachte Ansteuerung

Das Fraunhofer FEP hat ein Mikrodisplaykonzept mit sehr niedriger Stromaufnahme und stark vereinfachter Ansteuerung entwickelt. Die Leistungsaufnahme konnte durch Minimierung der notwendigen Datenübertragung unter Eliminierung der Displayauffrischungszyklen erreicht werden. Die Displaypixel sind mit zusätzlichem statischen Speicher ausgestattet und in einer frei adressierbaren Matrix angeordnet: Nur die Bildbereiche mit veränderlichem Inhalt werden aktualisiert.

Die typische Verlustleistung von 200 mW für Videoapplikationen wurde auf 2 bis 3 mW reduziert. Ohne Bildänderung geht die gesamte Datenübertragungstrecke in den Ruhemodus; nur noch die aktiven OLED-Pixel setzen Strom um. Angesteuert wird das Display über SPI. Ein einfacher Mikrocontroller ersetzt eine aufwendige Videoquelle. Inklusive Bluetooth-Modul, Spannungsversorgung, Batterie und weiteren Sensoren misst die Ansteuerelektronik 42 mm x 32 mm x 4 mm. Das Display wird über ein Flexkabel mit dem Gesamtsystem verbunden.

OLED-Mikrodisplays Made in Germany

Weltweit entwickeln und fertigen eine Handvoll Firmen und Institutionen OLED-Mikrodisplays zusammen mit den zugrundeliegenden Techniken. Das Fraunhofer FEP ist als einziges unabhängiges Forschungs-, Entwicklungs- und Fertigungszentrum seit über einer Dekade aktiv und weltweit vernetzt. Die Bandbreite reicht von winzigen, monochromen QVGA-Displays mit einer Bildschirmdiagonale von 1,6 mm über vollfarbige SVGA-Displays mit eingebettetem Bildsensor bis zu ultra-hochaufgelösten Displays. Das Kernthema ist die Integration zusätzlicher Funktionalitäten sowie die Erforschung und Umsetzung neuer Konzepte.

Spezifische Designs können mit ausgeklügeltem Systemkonzept und moderner Designmethodik schnell umgesetzt und zwischen unterschiedlichen CMOS-Prozessen kurzfristig transferiert werden. Die zugehörige flexible Fertigung reicht vom Prototyping über Kleinserien bis zur kompletten Pilotfertigung.

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