Durchsichtige Displays

Braunschweiger Forscher entwickeln die Grundlage für transparente Bildschirme.

Ein neues Verfahren ebnet den Weg zu einer völlig neuen Generation von durchscheinenden Bildschirmen. Forscher der Technischen Universität Braunschweig haben weltweit zum ersten Mal auf einer transparenten Schicht einen ebenfalls durchsichtigen Bildpunkt zum Leuchten gebracht. Dadurch können farbige Bilder und elektronische Informationen in Zukunft auf klaren Fensterscheiben oder flexiblen durchsichtigen Folien erscheinen.

Die Grenze zwischen Science Fiction und Realität scheint einmal mehr zu verschwimmen. Wurden in Hollywood-Filmen wie Minority Report transparente Computerbildschirme noch als Zukunftsvision vorgestellt, ist es Wissenschaftlern der TU Braunschweig nun erstmals gelungen, völlig durchsichtige Bildpunkte (Pixel) auf Basis organischer Leuchtdioden (kurz OLEDs: organic light emitting diodes) zu realisieren.

Abb.: Links sind die Pixel im ausgeschalteten Zustand, rechts ist eines davon im eingeschalteten Zustand (grün leuchtend). Im Hintergrund ist der Instituts-Briefbogen sichtbar. (Quelle: TU Braunschweig – IHF)

Diese Pixel werden mit ebenfalls transparenten Dünnschichttransistoren (TFTs) angesteuert. In Zukunft könnten große und hochauflösende durchsichtige Displays aus Millionen dieser Pixel aufgebaut werden. Solche Anzeigen, so erklärt Thomas Riedl der Leiter der Arbeitsgruppe Organische und Anorganische Laser am Institut für Hochfrequenztechnik (Leitung: Prof. Dr. Wolfgang Kowalsky) der TU Braunschweig, eröffnen eine Fülle neuer Anwendungen in vielen Bereichen des täglichen Lebens: In der Automobilindustrie spielen transparente Displays in Designstudien immer wieder eine wichtige Rolle. Noch bedeutsamer wird allerdings die Integration dieser Anzeigen beispielsweise in die Windschutzscheibe von Fahrzeugen sein, um den Fahrer mit wichtigen Informationen, etwa in Notfallsituationen, zu unterstützen. In der Medizintechnik können transparente Displays den Chirurgen bei der Operation direkt in seinem Blickfeld mit Zusatzinformationen versorgen. Im Bereich der Sicherheits- und Verteidigungstechnik werden Head-Up Displays unter dem Stichwort „Augmented Reality“ propagiert.

OLED-Displays erobern gegenwärtig Marktanteile, allen voran in MP3-Spielern und Mobiltelefonen. Sie versprechen als Konkurrenz zu etablierten LCD- oder Plasmabildschirmen eine höhere Farbbrillanz, ein geringeres Gewicht sowie niedrigere Herstellungskosten. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der organischen Schichten in OLEDs ist ihre Transparenz im sichtbaren Spektralbereich. Verwendet man für die Kontakte zur Stromzufuhr keine Metallschichten, sondern, wie die Braunschweiger Forscher, transparente leitfähige Metalloxide, z. B. Indium-Zinn-Oxid oder Zinkoxid, dann können auch völlig transparente OLEDs realisiert werden.

Analog zu etablierten Flüssigkristalldisplays müssen auch in OLED-Displays die einzelnen Bildpunkte mit einer Treiberelektronik aus Dünnschichttransistoren (Thin Film Transistor TFT) angesteuert werden. Diese so genannten Aktiv-Matrix-Displays (AM-Displays) ermöglichen neben einer hervorragenden Graustufendarstellung auch einen geringen Stromverbrauch und eine hohe Displayhelligkeit bei insgesamt längeren Lebensdauern. Als Halbleitermaterial für die Herstellung von TFTs in konventionellen AM-Displays wird heute überwiegend Silizium eingesetzt. Silizium hat allerdings den Nachteil, dass es im sichtbaren Spektralbereich sehr stark absorbiert, also nicht transparent ist. Die TFTs und die OLED Pixel müssen also nebeneinander positioniert werden. Auf diesem Weg lassen sich aber allenfalls wenig transparente Displays mit sehr limitierten Pixeldichten (dpi: dots per inch) erreichen. Der neue Ansatz der Braunschweiger Wissenschaftler ist die Verwendung von ebenfalls durchsichtigen TFTs. Diese bestehen anstelle von Silizium aus einer etwa 100 Nanometer dicken Metalloxidschicht, hier Zink-Zinn-Oxid, die mehr als 90 Prozent des sichtbaren Lichtes hindurchlässt. Die anzusteuernde OLED kann also bequem direkt auf die jeweilige Treiberelektronik platziert werden, ohne dass der Durchblick beeinträchtigt wird. Die auf diese Weise hergestellten transparenten aktiven Pixel haben eine Transparenz von mehr als 70 Prozent.

Die Hauptkomponente der transparenten TFTs, das Zinkoxid, ist ein in großen Mengen billig verfügbarer Rohstoff, und wird Beispielsweise auch in Sonnencremes verwendet. Die für die Transistoren verwendeten dünnen Schichten lassen sich mittels etablierten Abscheideverfahren auch auf große Flächen aufbringen. Die dabei benötigten Prozesstemperaturen von unter 200 °C erlauben sogar die Verwendung von billigen und flexiblen Kunststoffsubstraten. „Besonders erfreulich“, so Riedl, „ist die Tatsache, dass die Metalloxid TFTs etwa 10 mal besser Strom treiben können als ihre etablierten Vorgänger.“ In den präsentierten Bauteilen konnte mit dem Transistor die Helligkeit eines OLED Pixel von 0 bis 700 cd/m ² stufenlos geregelt werden. Typische Computermonitore erreichen heute Helligkeiten von etwa 300 cd/m ².

Die Forscher wollen als nächstes noch mehr über die Grundlagen der transparenten TFTs lernen und diese weiter optimieren. Erste Prototypen transparenter OLED-Displays sollen dann in den nächsten zwei Jahren entstehen. „Wenn man diese Technologie erst in Händen hält, fallen einem zwangsläufig dutzende neuer Anwendungen ein. In kritischen Situationen, wie z. B. im Straßenverkehr, kann die dringend benötigte Information schneller in den Blick des Betrachters gebracht werden. Neuartige schicke Designelemente für die Unterhaltungselektronik werden ebenfalls möglich“, erklärt Riedl.

Quelle: TU Braunschweig

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  P. Görrn et al., Towards See-Through Displays: Fully Transparent Thin-Film Transistors Driving Transparent Organic Light-Emitting Diodes, Advanced Materials 18, 738 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1002/adma.200501957    
• Institut für Hochfrequenztechnik der TU Braunschweig:
  http://www.tu-braunschweig.de/ihf