Die nächste Evolution der Displays von Consumer-Electronics

| Autor / Redakteur: Paul Heremans / Johann Wiesböck

Paul Heremans: Der Autor dieses Beitrages ist Imec Fellow und Experte für Dünnfilmelektronik.
Paul Heremans: Der Autor dieses Beitrages ist Imec Fellow und Experte für Dünnfilmelektronik. (Bild: Paul Heremans)

Schon bald wird es die Zeitung mit Videosequenzen aus Harry Potter genauso geben, wie Augmented-Reality-Brillen von Fielmann. Dünnfilmelektronik heißt das Zauberwort, das Funktionen wie aus Science-Fiction-Filme zum Leben erweckt.

Bücher mit bewegten Bildern, Licht spendende Vorhänge, Brillen, die zeigen, was wir mit unseren Augen sonst nicht sehen können, 3D-Bilder mit Tastempfindungen… Alles das sind Applikationen, die unsere Imagination ansprechen, auch wenn wir sie bislang nur in unserer Fantasie oder in Science-Fiction-Filmen erleben können.

Doch es gibt bereits heute eine viel versprechende Technologie auf der Basis der Dünnfilm-Elektronik, mit der diese wundersamen Erlebniswelten bald Realität werden könnten. Die ersten Prototypen und Produkte sind bereits da. Doch es liegt sicher noch ein langer Weg vor uns, bevor wir das volle Potenzial dieser Technologie ausschöpfen können. Imec-Forscher sind hier an der vordersten Linie der Forschung. und gemeinsam arbeiten wir an der nächsten Evolution der Consumer-Elektronik.

Die Dünnfilmelektronik wird derzeit durch die Aufschichtung dünner Layer aus geeigneten Materialien auf flexible Trägersubstrate, etwa Kunststoff-Filme hergestellt. Im Unterschied zur Fertigung von Siliziumchips benötigt dieser Prozess weitaus weniger Einzelschritte, und er lässt sich auf größeren Oberflächen und bei niedrigeren Temperaturen ausführen. Deshalb hat er das Potenzial der wesentlich kostengünstigeren Produktion.

Was die flexible Elektronik außerdem verlockend macht, ist die Tatsache, dass wir bald in der Lage sein werden, sie direkt mit beliebiger Formgebung in smarte Applikationen zu integrieren. Das wird eine Vielzahl neuer und ungewöhnlicher Produkte kreieren, wie smarte Pflaster, informative Verpackungen oder flexible Displays.

Besonders diese letztgenannte Applikation, das Display, zählt zu den ersten verfügbaren kommerziellen Applikationen der Dünnfilmtechnik. AMOLED- (active-matrix organic light-emitting diode) Bildschirme bestehen aus einer aktiven Matrix von organischen Pixeln, mit winzigen LED-Lampen aus organischen und druckbaren Materialien, die leuchten, wenn sie mit Spannung versorgt werden. Diese Matrix befindet sich über einer zweiten Matrix aus Dünnfilmtransistoren, die als Schalter zum Ein- und Ausschalten der Pixel fungieren.

Bis vor kurzem hatten die meisten Mobiltelefone und Smart Watches LCD-Displays. Jetzt gewinnen die AMOLED-Displays zunehmend an Boden. Der Wettlauf beider Technologien schien lange Zeit unentschieden. Doch da die AMOLED-Displays extrem dünn sind und auch auf gekrümmten Oberflächen gefertigt werden können, sind sie jetzt in der führenden Position.

Faltbares Display in einem kommerziellen Produkt noch in diesem Jahr

Wir erwarten das erste faltbare Display in einem kommerziellen Produkt noch in diesem Jahr, höchst wahrscheinlich in einem Smartphone. Im Gespräch sind die faltbaren Schirme schon seit Jahren, und die Anbieter haben Dutzende ihrer Prototypen demonstriert. Doch die spezifischen Herausforderungen und Risiken der Integration derart fragiler Schirme in Consumer-Produkte haben sich bislang als zu groß erwiesen. Jetzt allerdings sieht es so aus, als sei die Technologie endlich einsatzreif.

Noch etwas weiter entfernt auf dem Zeithorizont erwarte ich eine Menge von Augmented Reality Systemen – mit Produkten, die dem Nutzer einen auf seine Ansprüche zugeschnittenen und visuell verstärkten Sinneseindruck der Welt vermitteln. Man denke an Bilder, die Farben zeigen, die dem menschlichen Auge normalerweise nicht zugänglich sind, etwa Schattierungen im Infrarot oder Ultraviolett. Oder Bilder, die wir mit smarten Informationen anreichern. Und schließlich werden wir 3D-Bilder darstellen und letztlich sogar holografische Videoszenen sehen können, in denen wir auf natürliche Weise mit anderen Menschen interagieren, die nicht im selben Raum anwesend sind.

Imec führt grundlegende Arbeiten beim Anlauf zu diesen futuristischen Applikationen aus. Die Bedeutung und das Ausmaß unserer Arbeit zeigt sich in den zahlreichen Publikationen unserer Forscher und an den prestigereichen europäischen ERC Grants, die an einige von ihnen verliehen wurden. Auch unsere Kollaborationsverträge mit führenden Industrie-Unternehmen zeigen diese Dynamik auf. Zusammen mit unseren Partnern halten wir Ausschau nach Lösungen, die mehr und mehr praktische Applikationen ermöglichen.

Unser Hauptziel bei allen diesen Aktivitäten ist die Reduzierung des Leistungsverbrauchs der Dünnfilm-Elektronik, speziell der Displays. Gleichzeitig machen wir große Fortschritte in Richtung höherer Auflösung und Geschwindigkeit dieser Displays. Beides ist notwendig, wenn die Nutzer die virtuell gestützte Realität mit guter

Sensoren und Aktuatoren in Displays integrieren

Wir arbeiten auch daran, Sensoren und Aktuatoren in die Displays zu integrieren. Es ist unser Ziel, die Schirme smarter zu machen und auf diese Weise die Interaktion mit mehreren unserer Sinnesempfindungen zu ermöglichen. Im Moment gelingt dies nur mit der visuellen Wahrnehmung über die Augen. Doch wir wollen auch unseren Tastsinn einbeziehen.

Dazu werden wir bald eine erste Demonstration der haptischen Perzeption zeigen: Mit der Integration von Aktuatoren, die Druckwellen im Ultraschallbereich abgeben, können wir fühlbare Formen auf der Oberfläche eines Displays generieren. Auf diese Weise können die Benutzer einen Druckknopf auf dem Schirm nicht nur sehen, sondern auch fühlen. Das bedeutet, wir können damit E-Reader für Blinde erstellen, wobei der Text in taktil lesbare Braille-Zeichen übersetzt wird.

Ein signifikanter Teil unserer Forschung befasst sich mit der Suche nach neuen Materialien und Materialkombinationen, die sich zur Schaffung von immer schnelleren, kleineren und billigeren Dünnfilmtransistoren und -schaltungen eignen. Das Material, das wir im Moment zum Aufbau von Transistoren verwenden, ist ein n-leitendes Halbleitermaterial. Es verfügt über einen Überschuss an Elektronen.

Wir suchen derzeit nach einem äquivalenten p-leitenden Material (mit einem Mangel an Elektronen). Die Kombination von p- und n-Transistoren würde schnellere und energie-effizientere Schaltungen ermöglichen. Darüber hinaus halten wir auch weiterhin Ausschau nach besseren Materialien für die neuen Sensoren und Aktuatoren, an denen wir derzeit arbeiten.

Wenn wir diese Aktivitäten erfolgreich abschließen, bedeutet das nicht weniger als eine weitere technologische Revolution, mit einer neuen Art von Elektronik, die zugleich billiger und in weitaus flexiblerer Art einsetzbar ist.

Mehr zum Autor

Paul Heremans ist Imec Fellow und Professor im Electrical Engineering Department der KU Leuven, Belgien. Er ist Leiter des Large-Area Electronics Department bei Imec, einer Forschungsaktivität, die er 1998 startete. Paul Heremans erhielt sein Doktorat in Electrical Engineering 1990 von der KU Leuven.

Sein Forschungsinteresse richtet sich auf AMOLED-Displays, Large-Area- und flexible Bildwandler, Dünnfilmschaltungen wie NFC-Tags, Photodetektoren und Polymer-Transducer für Ultraschall. 2014 erhielt er einen Advanced Grant vom European Research Council (ERC).

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