Selbstleuchtende Pixel für eine neue Display-Generation

Manchmal stolpert man im Internet über Videos, die einen staunen lassen. Da wird ein Smartphone lässig um den Arm gebogen oder ein foliendünnes Display in alle Richtungen und mit nahezu jedem Durchmesser zusammengerollt. Aus Anwendersicht sieht das fantastisch aus. Fachlich stellt sich aber die Frage: Geht sowas schon?

Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP zeigen auf der Display Week 2018, was technologisch schon möglich ist und welches ihre nächsten Projekte sind. Die Display Week ist eine der weltweit führenden Messen und Kongresse im Bereich Displaytechnologie und findet vom 22. bis 25. Mai in Los Angeles statt.

Das Fraunhofer IAP auf der Display Week 2018: Deutscher Pavillon | Stand 730

Wie wird ein Display flexibel?

Eine Voraussetzung dafür, dass ein Display zusammengerollt werden kann, ist der flexible Untergrund: Volle Flexibilität erreicht man mit einer Folie. Für gebogene Displays wird flexibles Glasmaterial eingesetzt. Auf dem Weg der Verwandlung vom biegsamen Trägermaterial zum fertigen Display müssen die Forscher jedoch noch weitere Schritte gehen. Ein Schritt ist die Entwicklung einer Leuchtquelle, die ebenfalls dünn und flexibel ist. Die Integration selbstleuchtender Pixel, die beispielsweise durch elektrische Anregung Licht aussenden können macht dies möglich. Organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, nutzen solche organischen Lichtemitter.

Eine bewährte Technologie für die Herstellung von Displays auf Basis organischer Leuchtdioden ist die Aktivmatrix-OLED-Technologie, kurz AMOLED. Dabei verfügt jeder Pixel über eine eigene Stromversorgung. Eine Hintergrundbeleuchtung ist daher nicht notwendig. Das Display wird somit noch dünner und flexibler.

Auch Quantenpunkte (quantum dots, QD) stellen ein geeignetes Material für selbstleuchtende Displays dar. Quantenpunkt-LEDs, kurz QD-LEDs, kombinieren die Vorteile organischer Leuchtdioden mit den herausragenden Leuchteigenschaften der Quantenpunkte. Die Emissionsspektren sind sehr schmalbandig. Dadurch wirken die Farben äußerst strahlend. Zudem macht die kostengünstige Herstellung QD-LEDs für den Displaymarkt sehr attraktiv.

Bisherige cadmiumbasierte Quantenpunkte sind allerdings nicht zukunftsfähig, da der Einsatz von Cadmium ab 2020 gemäß RoHS-Richtlinie in der Displayherstellung nur noch stark eingeschränkt möglich ist. Dennoch sehen Marktforscher in der QD-Technologie großes Potenzial für die Displaybranche. Denn verglichen mit OLEDs haben QD-LEDs nicht nur eine größere Farbskala, sie sind auch heller.

»Mit jeder Verbesserung von QD-Materialien kommen wir einen Schritt näher an massentaugliche QD-LED-Displays heran«, sagt Dr. André Geßner, Leiter der Quantenpunktentwicklung am Fraunhofer IAP. »Was andere als Hürden sehen, sind für uns spannende Fragen, die wir mit unserer Forschung zu cadmiumfreien Quantenpunkten lösen möchten.«

Die Fraunhofer-Forscher präsentieren ihre vielversprechenden Ergebnisse zur Synthese cadmiumfreier Quantenpunkte auf der Display Week 2018. Dem Team um Dr. André Geßner gelang die Herstellung von einzigartigen Multischalen-Quantenpunkten auf Basis von Indiumphosphid. Integriert in QD-LED-Bauteile erreichten diese cadmiumfreien Quantenpunkte eine deutlich höhere Leuchtdichte als cadmiumbasierte Systeme. Indiumphosphidbasierte QD-LEDs erreichen auch in anderen Parametern bereits nahezu die Leistungsfähigkeit herkömmlicher OLEDs.

Drucken der Pixel auf Folie oder Glas

Wie OLEDs oder QD-LEDs auf das flexible Trägermaterial aufgebracht werden, bestimmt die Biegsamkeit des fertigen Displays mit. Große Schichtdicken schränken die Flexibilität ein. Inkjet-Druck hat sich bewährt, es geht aber noch besser. Für RGB-AMOLED-Displays erforscht das Fraunhofer IAP gemeinsam mit Partnern ein neues Druckverfahren, für das im geplanten Demonstrator ein Minimum von 300 ppi erzielt werden soll.

Mit dem electrostatic printing (ESJET) erforschen die Wissenschaftler um Dr. Christine Boeffel ein Druckverfahren, mit welchem wesentlich feinere und gleichmäßigere Strukturen gedruckt werden können als mit dem Inkjet-Druckverfahren. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren, bei dem Tinte durch Anlegen einer elektrischen Spannung verarbeitet wird, eine wesentlich größere Bandbreite an druckbaren Tinten und sogar Pasten. Durch das drop-on-demand-System können Tröpfchengrößen von weniger als 20 Mikrometern erreicht werden.

»Die Größe von 20 Mikrometern ist bereits ausreichend, um ein Display mit 200 ppi zu drucken. Das ist nach unserem Kenntnisstand auch die derzeitig höchste Auflösung beim Inkjet-Druck. Unser Ziel ist es, mit dem ESJET-Verfahren ein 300ppi RGB-AMOLED-Display zu drucken. Dies wollen wir mit Pixelgrößen von 10 Mikrometern erreichen«, erklärt Dr. Christine Boeffel. In ihrem Vortrag stellt sie das Zwischenergebnis des laufenden Forschungsprojektes Hi-Response vor. Das Projekt wurde aus Mitteln des EU-Programms H2020-NMP-PILOTS-2014 im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 646296 finanziert.

Fraunhofer IAP und GOTA im deutschen Pavillon

Seit 2017 ist das Fraunhofer IAP Teil der German OLED Technology Alliance (GOTA). Gemeinsam mit der VON ARDENNE GmbH aus Dresden, der MBRAUN Inertgas-Systeme GmbH aus Garching und der Notion Systems GmbH aus Schwetzingen werden die Expertisen gebündelt, um Anlagen und Prozesse für Anwendungen der organischen Elektronik zu entwickeln und zu fertigen.

Präsentationen des Fraunhofer IAP auf der Display Week 2018

22.05. um 11:30 Uhr | Dr. Armin Wedel »From the Synthesis of High-Quality InP-based Quantum Dots to the Development of Efficient QD Light-Emitting Diodes«

24.05. von 17:00 bis 20:00 Uhr | Dr. André Geßner »Efficient InP-based Quantum Dot Light Emitting Diodes utilizing a Crosslinkable Hole Transport Layer«

25.05. um 11:50 Uhr | Dr. Christine Boeffel: »Late-News Paper: High-Resolution Printing for Future Processing of RGB OLED Displays«