Vollfarbige OLEDs ohne Farbfilter

OLED-Mikro­displays etablieren sich zunehmend für den Einsatz in künftigen Wearables und Daten­brillen. Um den Anfor­derungen von höherer Effizienz, höheren Kontrasten und Auflösungen der Anwendungen gerecht zu werden, haben Wissen­schaftler des Fraun­hofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronen­strahl- und Plasma­technik FEP in Dresden einen neuen Ansatz zur Mikro­strukturierung von OLED-auf-Silizium entwickelt. Damit könnte künftig der Einsatz von Farbfiltern und Schatten­masken entfallen und voll­farbige Displays mit einem neuen Verfahren entwickelt werden. Effizienz­steigerungen und ein deutlich breiteres Farbspektrum wurden in ersten Versuchen bereits nachge­wiesen.

Durch geringe Bautiefe aufgrund der selbst­leuchtenden Eigen­schaften der organischen Leucht­dioden und der hervor­ragenden Kontrast­verhältnisse greifen Hersteller zunehmend auf OLED-Mikro­displays auch für VR-Brillen zurück. Für eine Opti­mierung des Displays gilt es, noch einige techno­logische Heraus­forderungen zu meistern, um das ganze Potenzial der OLED-Techno­logie für den Einsatz in nutzer­freundlichen Daten­brillen zu nutzen. Sehr hohe Hellig­keiten und Effizienz, gute Ausbeuten bei großer Chipfläche, gekrümmte Ober­flächen, inte­grierte Augen­verfolgung und trans­parente Substrate sind einige Aufgaben­stellungen, die noch auf der Agenda der Forscher stehen.

Aktuell steht man in der OLED-Techno­logie vor der Hürde, dass Vollfarb­displays nur durch Einsatz von Farb­filtern oder Schatten­masken reali­sierbar sind. Diese schränken die Effizienz oder die Auflösung der OLED ein. Mit Hochdruck wird an neuen Ansätzen geforscht, mit denen die Mikro­displays hoch­auflösend und gleich­zeitig effizient und langlebig hergestellt werden können. Dabei stellt die Struk­turierung der orga­nischen Schichten in den OLED eine der größten Heraus­forderungen dar, da konven­tionelle Methoden wie die Photo­lithographie bei orga­nischen Halbleiter-Materia­lien nicht anwendbar sind. Vor zwei Jahren wurde bereits erfolgreich der Einsatz von Elektronen­strahltech­nologie 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.

Jetzt gelang die Weiter­entwicklung des Elektronen­strahl­verfahrens, 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. Diese Struk­turierung bewirkt eine Änderung in der Dicke des Schichtstapels, womit die Emission von verschiedene Farben möglich wird. Damit ist ein erster großer Schritt zur Entwicklung von Vollfarb­displays ohne den Einsatz einschränkender Farbfilter im Prozess gelungen. Elisabeth Boden­stein, Entwicklerin im Projekt­team erklärt die Vorteile: „Mit unserem Elektronen­strahl-Verfahren ist es möglich, auch solche sensiblen, organischen Materialien thermisch zu struk­turieren, ohne darunter­liegende Schichten zu schädigen.“

Die Ergeb­nisse wurden über Simu­lationen und initiale Schätzung der HTL-Dicken – Hole Transport Layer – erreicht, die man mit dem Elektronen­strahl strukturiert. Die Forscher erzielten tatsächlich die Auskop­pelung von Rot, Grün und Blau aus der weißen OLED. Mit Prinzip­nachweisen konnten auf ersten Test­substraten die Farben bei vergleich­barer Performance der OLED demons­triert werden. Neben der Nutzung dieses neuen Verfahrens für OLEDs kann die Elektronen­strahlstruk­turierung auch für andere Anwendungen der organischen Elektronik oder für anor­ganische Schichten genutzt werden. Darüber hinaus ist ein Mikro­strukturierungs­prozess mittels Elektronen­strahl sehr flexibel auch in Bereichen der Photovoltaik, MEMS und Dünnschicht­technik einsetzbar.

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. Mit einer Anpassung von Materialien und Schicht­dicken soll das Farbspektrum der OLED noch verbreitert werden. Perspek­tivisch soll so der Einsatz der Displays in Daten­brillen etwa für Spezial­anwendungen in der Industrie oder Medizin über diesen Prozess eröffnet werden. Nun stehen die Wissen­schaftler des Institutes für konkrete Weiter­entwicklungen der Tech­nologie im Rahmen von Partner­schaften und Projekt­arbeiten gemeinsam mit Display-, Anlagen-, Material-, oder System­herstellern bereit.

Fh.-FEP / JOL