Neues Verfahren für hochauflösende OLED-Vollfarbdisplays

| Redakteur: Hendrik Härter

Ein Prober mit mikrostrukturierten OLEDs im Reinraum des Fraunhofer FEP.
Ein Prober mit mikrostrukturierten OLEDs im Reinraum des Fraunhofer FEP. (Bild: Fraunhofer FEP)

Fraunhofer-Forscher arbeiten an verbesserten OLED-Mikrodisplays. Neben Kontrast und Helligkeit sind gekrümmte Oberflächen sowie die integrierte Augenverfolgung geplant. Die Elektronenstrahlstrukturierung ist ein erster Schritt in Richtung Vollfarbdisplay.

Ein OLED-Mikrodisplay bietet nicht nur den Vorteil, dass es selbstleuchtend ist, sondern auch energieeffizient. Somit eignet es sich vor allem für mobile Anwendungen. Konkret im Einsatz beispielsweise in Wearables oder Datenbrillen. Jetzt haben Forscher des Fraunhofer FEP einen neuen Ansatz zur Mikrostrukturierung von OLED auf Silizium entwickelt.

Künftig sollen dadurch Farbfilter und Schattenmasken entfallen und vollfarbige Displays mit neuen Verfahren realisierbar werden. Nachweisen konnten die Forscher bereits ein breiteres Farbspektrum und auch die Effizienz stieg. Dabei liegen die Vorteile eines OLED-Mikrodisplays auf der Hand: Dank der geringen Bautiefe durch die selbstleuchtenden Eigenschaften der OLED und den hohen Kontrastverhältnissen greifen viele Hersteller auf ein OLED-Mikrodisplay zurück.

Mithilfe eines Elektronenstrahls konnte bei einer Test-OLED auf Siliziumsubstrat eine Mikrostruktur erzeugt werden.
Mithilfe eines Elektronenstrahls konnte bei einer Test-OLED auf Siliziumsubstrat eine Mikrostruktur erzeugt werden. (Bild: Fraunhofer FEP)

Verbesserte Eigenschaften des OLED-Mikrodisplays

Aktuell auf der Agenda der Forscher stehen noch hohe Helligkeiten und Effizienz, gute Ausbeuten bei großer (Chip-)Fläche, gekrümmte Oberflächen, integrierte Augenverfolgung sowie transparente Substrate. Aktuell steht man in der OLED-Technik vor der Hürde, dass Vollfarbdisplays nur durch Einsatz von Farbfiltern oder Schattenmasken realisierbar sind. Sie schränken die Effizienz bzw. die Auflösung der OLED ein. Dabei stellt die Strukturierung der organischen Schichten in den OLED eine der größten Herausforderungen dar, da konventionelle Methoden wie Photolithographie bei organischen Halbleiter-Materialien nicht anwendbar sind.

Vor zwei Jahren wurde bereits erfolgreich der Einsatz von Elektronenstrahltechnik zur Mikrostrukturierung am Fraunhofer FEP demonstriert. Mit dem patentierten Verfahren gelang es, eine komplette OLED durch ihre Verkapselung hindurch zu strukturieren und so beliebige Strukturen und auch hochauflösende Bilder in Graustufen zu erzeugen.

Die Forscher haben jetzt das Elektronenstrahlverfahren weiterentwickelt, die nun auch eine vollfarbige OLED-Strukturierung ohne Farbfilter erlaubt. Um rote, grüne und blaue Pixel zu erzeugen, wird eine organische Schicht der OLED selbst mit einem thermischen Elektronenstrahlprozess strukturiert. Dank der Strukturierung ändert sich die Dicke des Schichtstapels, womit die Emission von verschiedenen Farben möglich wird. Das ist ein erster Schritt in Richtung Vollfarbdisplay, ohne das einschränkende Farbfilter während des Prozesses verwendet werden. Elisabeth Bodenstein, Entwicklerin im Projektteam des Fraunhofer FEP erklärt die Vorteile: „Mit unserem Elektronenstrahl-Verfahren ist es möglich, auch solche sensiblen, organischen Materialien thermisch zu strukturieren, ohne darunterliegende Schichten zu schädigen.“

Das OLED-Mikrodisplay für Industrie und Medizin

Die Ergebnisse wurden über Simulationen und initiale Schätzung der HTL-Dicken, was für Hole Transport Layer steht, erreicht, die man mit dem Elektronenstrahl strukturiert. Die Forscher erzielten tatsächlich die Auskoppelung von Rot, Grün und Blau aus der weißen OLED. Mit Prinzipnachweisen am Fraunhofer FEP konnten auf ersten Testsubstraten die Farben bei vergleichbarer Performance der OLED demonstriert werden.

Nun stehen die Wissenschaftler mit den vielversprechenden Vorarbeiten vor den nächsten Meilensteinen. Oberstes Ziel ist es, in den kommenden Jahren gemeinsam mit Partnern die Herstellung von OLED-Mikrodisplays mit dieser neuen Methode zu entwickeln und durch Lizenzierung in der Industrie zu etablieren. Hierfür sollen unter anderem die Strukturen noch weiter miniaturisiert und die Prozessoptimierung gemeinsam mit interessierten Partnern aus der Industrie vorangetrieben werden. Im nächsten Schritt ist die Integration der Mikrostrukturierung in bestehende Prozessabläufe geplant, um hier weiteres Know-how für und mit Industriepartnern zu gewinnen. Damit soll der künftige Transfer der Testergebnisse in eine bestehende Prozesslinie erarbeitet werden um eine spätere Etablierung der Technologie auf Industrieniveau zu ermöglichen.

Begleitend dazu planen die Wissenschaftler eine erweiterte Simulation der OLED. Dazu werden sowohl Materialien und Schichtdicken angepasst, damit das Farbspektrum der OLED breiter wird. Perspektivisch soll so der Einsatz der Displays in Datenbrillen für Spezialanwendungen in der Industrie oder Medizin über diesen Prozess eröffnet werden.

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