FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ORGANISCHE ELEKTRONIK, ELEKTRONENSTRAHL- UND PLASMATECHNIK FEP BACKPLANES FÜR DISPLAYS UND SENSOREN, EVALUATION-KITS

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ORGANISCHE ELEKTRONIK, ELEKTRONENSTRAHL- UND PLASMATECHNIK FEP BACKPLANES FÜR DISPLAYS UND SENSOREN, EVALUATION-KITS

2 1 2 Motivation Erweiterte Realität (Augmented Reality AR) und Virtuelle Realität (VR) sind Themen, die den Arbeitsalltag und das private Leben immer mehr erobern. Die Zahl der angebotenen Datenbrillen wächst rasant, da die benötigten Technologien jetzt auf einem Stand sind, der kompakte, leistungsfähige und für den Nutzer angenehme Datenbrillen ermöglicht. Kernstück jeder Datenbrille sind ihre Displays. Stromsparende OLED-Mikrodisplays sind speziell für diesen Einsatz ideal, da sie sehr hohe Pixeldichten und einen extrem hohen Kontrast von bis zu : 1 bieten und durch ihren selbstleuchtenden Charakter vereinfachte optische Konzepte ohne externe Beleuchtung ermöglichen. Das Fraunhofer FEP ist spezialisiert auf die Entwicklung von OLED-Mikrodisplays für AR- und VR-Datenbrillen sowie für den Einsatz in Sensoranwendungen. Das Displaykonzept und Parameter wie Auflösung, Pixelgröße und integrierte Zusatzfunktionen sind hierbei projektbzw. kundenspezifisch und können in einem weiten Bereich variiert werden. Die Bandbreite reicht hierbei von ultra-low-power Displays für kleine und leichte Datenbrillen über höchstauflösende HD-Displays für VR-Brillen und View-Finder in Kameras bis hin zu bidirektionalen Displays mit eingebetteter Bildsensor-Funktionalität. Diese ermöglicht z. B. in Kombination mit einer geeigneten Optik die Realisierung von smarten Datenbrillen mit Augensteuerung. Darüber hinaus können die bidirektionalen Displays als optischen Fingerprintsensoren oder in anderen optischen Messverfahren zum Einsatz kommen. Technologie Das Fraunhofer FEP verfügt über langjähriges Know-how in der Entwicklung und Fertigung von OLED-Mikrodisplays. Dies beinhaltet sämtliche Teilschritte von der ersten Idee über das Design der Silizium-Backplane in modernen CMOS-Technologien, dem Design der organischen Bauelemente und den zugehörigen Prozessen und Technologien bis zur Fertigung im Bereich von wenigen Prototypen bis zu Kleinserien. OLED-Mikrodisplays basieren auf der monolithischen Integration von organischen Leuchtdioden auf spezielle Silizium-Chips zur Ansteuerung der individuellen Pixel. Diese Silizium-Chips bzw. die -Wafer können darüber hinaus auch zur Ansteuerung und Auslese von alternativen aktiven Schichten eingesetzt werden. Displaytechnologien basierend auf Quantendots oder Mikro-LEDs sind hierfür gute Beispiele. Die für OLED- Mikrodisplays entwickelten Backplane- Wafer bilden eine gute Basis für die Evaluierung solcher Technologien und können für Weiterentwicklungen genutzt werden.

3 3 4 Evaluation-Kits als Entwicklungswerkzeuge Für einen unkomplizierten Transfer der Mikrodisplays in kundenspezifische Anwendungen, bietet das Fraunhofer FEP eine Auswahl an Evaluation-Kits an. Ultra-low-power OLED-Mikrodisplays Für die Anzeige einfacher grafischer Informationen eignen sich besonders ultra-low-power Displays. Diese haben eine limitierte Auflösung, können jedoch die Stromaufnahme auf einen Bruchteil reduzieren. Dies wurde durch einen innovativen Ansatz im Design der Display-Backplane realisiert und ermöglicht damit längere Batterielaufzeiten bei gleichzeitig kleinen und leichten Systemen. Die Displays werden über ein SPI-Interface angesteuert, sind monochrom grün mit einer hohen Helligkeit >1000 cd / m² und benötigen im typischen Betrieb nur ca. 1 mw. Folgende Display-Optionen sind verfügbar: UUGL1120: 0.19 Diagonale, Pixel, 12 μm Pixel-Pitch, 4 Bit Graustufen UUGL1220: 0.16 Diagonale, Pixel, 12 μm Pixel-Pitch, 4 Bit Graustufen UUGL1320: 0.15 Diagonale, Pixel, 5 μm Pixel-Pitch, 1 Bit Graustufen Die Displays sind jeweils in 2 verschiedenen EvalKits verfügbar: Im Lab-Evaluation-Kit wird das Display über ein Breakout-Board von einer Mikrocontroller-Eval-Platine angesteuert. Dies ermöglicht den einfachen Zugang zu allen Signalen. Im Im HMD-Evaluation-Kit erfolgt erfolgt die Ansteuerung durch eine miniaturisierte Elektronik mit Akku und Bluetooth-Verbindung in einem kompakten Aufbau. Dies kann direkt für die Evaluierung in spezifischen Use Cases eingesetzt werden. Beide Kits beinhalten eine einfache Optik sowie eine GUI zur Ansteuerung. Bidirektionale OLED-Mikrodisplays Bidirektionale Mikrodisplays vereinen Display- und Bildsensorfunktion und können in einem gemeinsamen Aktivgebiet gleichzeitig Bilder wiedergeben und aufnehmen. Dies wird erreicht, indem jedes RGBW-Pixel um ein zusätzliches Sensorpixel ergänzt wird. Typische Anwendungen sind intelligente Datenbrillen mit Augensteuerung sowie optische Sensoren (z. B. optische Fingerprintsensoren). Das Evaluation-Kit besteht aus einem hochauflösenden SVGA-Mikrodisplays ( Pixel) mit eingebettetem SVGA-Bildsensor, 16µm Pixelpitch und 0,63 Bilddiagonale. Die zugehörige Ansteuerelektronik ermöglicht den einfachen Anschluss des Displays via HDMI und das Auslesen des Bildsensors über USB 3.0. Die Konfiguration erfolgt über eine mitgelieferte GUI für Windows. Folgende Varianten sind verfügbar: EBCW1020: Vollfarbdisplay mit 24 Bit Farbtiefe, Bildsensor mit 8 Bit Graustufen EBGL1020: Monochrom grünes Display mit 8 Bit Farbtiefe, Bildsensor mit 8 Bit Graustufen

4 5 6 Hochauflösende WUXGA OLED-Mikrodisplays Diese Mikrodisplays mit einer Displaydiagonale von einem Zoll eignen sich insbesondere für VR-Anwendungen. Sie bieten eine Auflösung von Pixeln bei einem Pixelpitch von 11 µm (2300 ppi) und erlauben hohe Bildwiederholraten von bis zu 120 Hz. Der Displaymodus kann flexibel von Hold-Type bis Impulse-Type konfiguriert werden und ermöglicht somit die Eliminierung von Bewegungsartefakten. Das WUXGA OLED-Mikrodisplay erzielt eine außergewöhnlich hohe Bildqualität mit sehr hohen Kontrastverhältnissen > : 1 bei gleichzeitig sehr geringer Stromaufnahme. Das Evaluation-Kit beinhaltet ein WUXGA OLED-Mikrodisplay mit Ansteuerelektronik und wird über HDMI angesteuert und über USB versorgt. Folgende Varianten sind verfügbar: JUCW1010: Vollfarbdisplay mit 24 Bit Farbtiefe JUGL1010: Monochrom grünes Display mit 8 Bit Farbtiefe Sensorik Optische Sensoren nutzen aktive Schichten, die elektrisch ausgelesen werden. Organische Photodioden stellen hierfür eine interessante Alternative dar, da diese monolithisch und auf Waferlevel auf einer leistungsfähigen CMOS Ausleseschaltung integriert werden können. Der Vorteil gegenüber etablierten Technologien besteht in der Möglichkeit, das spektrale Verhalten auf die Anwendung anzupassen und perspektivisch Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereiches ohne den Einsatz von teuren III-V Halbleitern zu detektieren. Die aktiven Schichten können hierbei durch Verdampfung im Hochvakuum, durch Flüssigprozesse oder durch einen Hybridansatz prozessiert werden. Für die Entwicklung und Evaluierung solcher Schichten bzw. Schichtsysteme bietet Fraunhofer FEP eine Entwicklungsplattform aus verschiedenen Substraten, Wafer-Layouts und Prozessen an. Als Evaluation-Kit ist ein SVGA Bildsensor verfügbar, welcher eine organische Photodiode als Detektor nutzt und über eine kleine Elektronik per USB ausgelesen wird: ESML1011: 0,63 Monochromer SVGA Bildsensor, 8 Bit Graustufen, 16 µm Pixelpitch

5 7 8 Silizium-Backplanes in kundenspezifischen und alternativen Anwendungen Die Display-Backplanes können neben der OLED auch für alternative Technologien genutzt werden. Diese reichen von Quantendots (QDs) und Liquid-Crystal-on-Silicon (LCOS) über Mikro-LEDs bis hin zur Auslesemöglichkeit von sensitiven Schichten. Neben den genannten Anwendungsgebieten erschließen sich darüber hinaus weitere Bereiche wie die Medizin- und Biotechnologie (z. B. optische Sensoren zur fluoreszenz-basierten Überwachung des ph-wertes, der Sauerstoffsättigung Unser Angebot Evaluation-Kits für Mikrodisplays und Sensoren Silizium-CMOS-Backplanes für kundenspezifische Anwendungen, z. B. Mikrodisplays und Sensoren Anwendungsspezifische Entwicklung und Evaluation von OLED- und Sensorschichten oder der Temperatur in Fermentierungsprozessen) sowie Opto-Genetik (z. B. durch Kombination von mikroskopischer Anregungslichtquelle mit integrierten Photodetektoren). Die Verfügbarkeit der Schaltkreise sowie der passenden Ansteuerelektroniken senkt dabei die Einstandskosten für Versuche und ermöglicht gleichzeitig eine zeitnahe Evaluation. Das Fraunhofer FEP unterstützt damit gern kundenspezifische Entwicklungen. Sprechen Sie uns einfach an! Applikationsstudien Fertigung von Einzelstücken bis zu Kleinserien Technologieberatung und -transfer TITELFOTO Mikrodisplay-Reinraum des Fraunhofer FEP 1 Ultra-low-power OLED-Mikrodisplay 2 Bidirektionales OLED-Mikrodisplay 3 Evaluation-Kit eines ultra-low-power OLED-Mikrodisplays 4 Demonstrator einer Wearable-Anwendung mit einem ultra-low-power OLED-Mikrodisplay 5 1-Zoll WUXGA OLED-Mikrodisplay 6 Bildsensor basierend auf organischen Photodioden auf Silizium in einer typischen Kameraanwendung. Hintergrund: NIR-Bild 7 Siliziumwafer mit OLED-Mikrodisplays 8 Mikrodisplay-Reinraum des Fraunhofer FEP Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP Maria-Reiche-Str Dresden Marketing Ines Schedwill Telefon Wissenschaftliche Ansprechpartner Die Entwicklung des WUXGA OLED- Mikrodisplays wurde im Rahmen des Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramms der Europäischen Union gefördert. Förderkennzeichen: Bernd Richter Telefon Philipp Wartenberg Telefon Gefördert durch die Europäische Union

6 Wir setzen auf Qualität und die ISO FRAUNHOFER FEP 2.1 H12