Transparente Elektronik leistet bereits in einigen Anwendungen zuverlässige Dienste. So kann man sie als hauchdünne Schichten für Touchdisplays finden oder als transparente Folien mit aufgedruckten Antennen für den Mobilfunk. OLED-Mikrodisplays jedoch waren bisher nicht transparent.

Im Rahmen des von der Fraunhofer Gesellschaft geförderten Projektes HOT (»Hochperformante transparente und biegbare Mikro-Elektronik für photonische und optische Anwendungen«, Fördernummer MAVO 840092) wurden OLED-Mikrodisplays mit einer Transparenz von 20 % entwickelt. Nun konnte die Technologie weiter vorangebracht und erstmals eine Transparenz von 45% bei einem CMOS-OLED-Mikrodisplay gezeigt werden.

Wodurch kommt diese Verbesserung zustande?

Die OLED-auf-Silizium-Technologie verwendet eine Silizium-Backplane, die die gesamte Aktiv-Matrix-Ansteuerelektronik für die Pixel enthält. Die organische Frontplane ist monolithisch auf der obersten Metallisierungsebene integriert, wobei diese gleichzeitig als Ansteuerkontakt für die organische Leuchtdiode dient. Der zweite Anschluss der OLED wird durch eine halbtransparente obere Elektrode gebildet, die alle Pixel gemeinsam nutzen. Die Schaltung der Pixel basiert auf Silizium-CMOS-Technologie und erfordert mehrere Metallschichten, um die in das Substrat eingebetteten Transistoren zu verbinden. Diese Metallverbindungen bestehen aus Aluminium oder Kupfer. Zusätzlich benötigt die optische Struktur der OLED eine hochreflektierende untere Elektrode, um eine hohe optische Effizienz nach oben zu gewährleisten. Diese beiden Aspekte führen dazu, dass die Pixel selbst nicht durchsichtig sind.

»Ein transparentes Mikrodisplay lässt sich jedoch durch ein räumlich verteiltes Design dieser grundlegenden Pixelstruktur realisieren, wobei transparente Bereiche zwischen den Pixeln sowie eine minimierte Spalten- und Reihenverdrahtung geschaffen werden«, erklärt Philipp Wartenberg, Gruppenleiter IC- und Systemdesign am Fraunhofer IPMS, »außerdem trägt eine weitere Optimierung der OLED-Schichten, z.B. durch Vermeidung von OLED-Schichten in den transparenten Bereichen, die Einführung von entspiegelnden Beschichtungen und die Neugestaltung der Verdrahtung dazu bei, die Transparenz weiter zu erhöhen.«

Es gibt zwei grundlegende Methoden, um Halbtransparenz in optischen Systemen zu erreichen:

1. Pixelansatz: Hierbei werden transparente Bereiche zwischen einzelnen Pixeln geschaffen.
2. Clusteransatz: Bei dieser Methode werden mehrere Pixel zu einem größeren, nicht-transparenten Cluster zusammengefasst. Zwischen diesen Clustern entstehen größere transparente Bereiche.

Beide Ansätze sind für unterschiedliche Anwendungen in der Praxis relevant. Der Pixelansatz eignet sich beispielsweise zur Bildüberlagerung innerhalb eines komplexen optischen Systems, wobei das Bild zwischen anderen Bildebenen eingesetzt wird.

Der Clusteransatz ist besonders geeignet für Augmented-Reality (AR)-Anwendungen, wie beispielsweise in Datenbrillen, bei denen die Pixelcluster mit Hilfe einer Mikrooptik über jedem der Cluster zu einem einheitlichen virtuellen Bild kombiniert werden. Dabei bleiben die transparenten Bereiche zwischen den Clustern von der Optik unbeeinflusst, was einen klaren Blick auf die reale Umgebung ermöglicht.

Die Technologie für transparente Mikrodisplays wurde entwickelt, um beide Techniken zu unterstützen. Das auf der IMID vorgestellte Mikrodisplay zeigt den Clusteransatz mit einer neuen AR-Optik.

Optischer Ansatz

Die optische Kombination der einzelnen Pixelcluster zu einem einheitlichen virtuellen Bild wurde durch ein Mikrolinsen-Array realisiert. Die Optik wurde so gestaltet, dass sie ein nahe am Auge befindliches Setup mit einem ähnlichen Abstand zum Auge wie reguläre Korrekturbrillen ermöglicht.

Diese Arbeit wurde innerhalb eines Fraunhofer-internen Programms unter der Fördernummer MAVO 840092 gefördert. Darüber hinaus wurden die Forschenden durch das Fraunhofer IOF bei der Mikrooptik unterstützt.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS ist führend in der angewandten Forschung und Entwicklung auf den Gebieten 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.