Smart Systems

Fraunhofer IPMS: Sehr helle emissive Mikrodisplays durch mehrfach gestapelte OLED

14. Januar 2025. Nutzer von Datenbrillen für erweiterte Realität (augmented-reality, AR) benötigen bei Tageslicht besonders helle Displays, um Inhalte klar erkennen zu können. Hohe Helligkeit und geringer Stromverbrauch sind daher entscheidende Entwicklungsziele, da optische Systeme – wie AR-Brillen – hohe Helligkeitsverluste aufweisen und tragbare Geräte durch Batteriespeicher limitiert sind. Das Fraunhofer IPMS stellt nun ein hocheffizientes, einfarbiges OLED-Mikrodisplay mit einer Helligkeit von über 70.000 Nits vor. Der verwendete OLED-Stapel erreicht sogar über 200.000 Nits auf Referenzsubstraten.

Ultrahelles Mikrodisplay durch mehrfach gestapelte OLED. Foto: Fraunhofer IPMS

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Johannes Zeltner, Doktorand am Fraunhofer IPMS, erläutert: „Durch das Stapeln von OLED-Schichten konnte diese herausragende Helligkeit erreicht werden. Die einzelnen OLED-Units werden hierbei „in Reihe geschaltet“, wodurch die Helligkeit mit jeder weiteren Unit gesteigert wird, ohne dabei die Stromdichte im Bauelement zu erhöhen. Dies kann man nutzen, um entweder extrem hohe Helligkeiten zu erreichen oder bei vorgegebener Helligkeit die maßgeblich lebensdauerbestimmende Stromdichte zu reduzieren. Messungen haben gezeigt, dass im Vergleich zwischen einer 1-Unit- und 2-Unit-OLED die Lebensdauer LT95, d.h. der Abfall der Helligkeit um 5%, bei 50.000 Nits von 900 auf 1300 Stunden, signifikant verbessert werden kann.“

Die Stromeffizienz und Helligkeit von 1-, 2- und 3-fach gestapelten OLED wurden zunächst an passiven Testsubstraten evaluiert und konnten anschließend erfolgreich auf 0,62 Zoll-CMOS-Backplanes mit SXGA-Auflösung übertragen werden. Hierbei zeigten sich neue Herausforderungen für die weitere Forschung: Während bei herkömmlichen OLED-Displays der Abstand zwischen den Subpixeln oft mehrere zehn Mikrometer beträgt, sind es bei Mikrodisplays nur einige hundert Nanometer. Dies kann bei dickeren Schichtstapeln und mehrfach gestapelten OLED in Mikrodisplays zu Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln führen. Lösungsansätze zur Reduktion dieses Crosstalks sind in Vorbereitung.

Darüber hinaus haben die Arbeiten gezeigt, dass durch Mehrfachstapelung eine schmalbandige Emission mit hoher Helligkeit möglich ist. Hierbei kann die spektrale Emission spezifisch angepasst werden und ermöglicht den Einsatz von optischen Konzepten mit besonderen Anforderungen, wie zum Beispiel Waveguides oder holografischen Elementen.

Die Forscher sind überzeugt, dass die fortlaufende Weiterentwicklung zu immer höheren Helligkeiten und verbesserten Lebensdauern der OLED-Technologie einen festen Platz im Bereich der AR-Anwendungen sichert. Nichtdestotrotz gibt es kontinuierlichen Forschungsbedarf, z.B. zu optischem Crosstalk, verbesserten OLED-Materialien sowie neuartigen Backplane-Architekturen.

Die Forscher freuen sich, die erzielten Ergebnisse sowie Forschungsdienstleistungen interessierten Partnern weltweit anbieten zu können, um mit diesen die OLED-Mikrodisplay-Technologie auf das nächste Level zu heben und in marktfähige Produkte zu integrieren.

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.

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