In der Sonderausgabe ‚Engineering‘ der Aktuellen Technik hat unser CEO Dieter Heimgartner einen interessanten Beitrag über Display-Innovationen beigetragen. Den Artikel finden Sie hier: https://aktuelletechnik.blverlag.ch/display-innovationen/

Feinste Auflösung, hohe Farbbrillanz und hervorragende Zuverlässigkeit sind bei Displays heute selbstverständliche Eigenschaften. Immer wieder werden wir von kleinen Innovationsschritten in der Displaywelt überrascht.

Flexibel, faltbar, transparent, rollbar, sonnenlichttauglich, Echtfarben, Local Dimming: Diese Schlagwörter sind in der Displaybranche topaktuell. Hinter all diesen Begriffen stehen Innovationen, die vor einiger Zeit noch als ­utopisch abgetan wurden. Doch die Forschungsinstitute, Rohmaterialhersteller und Displayproduzenten nehmen diese Ideen aus dem Marketing auf und versuchen, sie mit innovativen Lösungen in den Produkten zu widerspiegeln. Einige dieser Ideen sind schon jahrzehntealt, konnten aber meist aus Mangel an geeigneten Rohmaterialien oder Prozessen nicht serientauglich umgesetzt werden. Ein klassisches Beispiel hierfür sind die flexiblen, aus Kunststoff gefertigten Displays. Schon in den 1990er-Jahren wurden erste Muster am Markt gezeigt. Diese hatten aber eine sehr kurze Lebensdauer von einigen Tagen und verschwanden wenig später wieder. Obwohl hier ein grosses Marktpotenzial vorhanden ist, konnte diese Innovation erst jetzt bei den Smartphone-Displays realisiert werden.

In dieser vom Marketing getriebenen Innovationsflut wird es zunehmend schwieriger, die notwendigen Eigenschaften für eine exklusive Displayapplikation zu definieren. Vor allem im industriellen Umfeld sind wohlklingende Begriffe wie «rollbar» oder «flexibel» meistens keine Notwendigkeit. Jedoch sind Innovationen wie die ­Ablesbarkeit bei Sonnenlicht sicher auch bei einigen industriellen Applikationen erwünscht.

 

Lösungen für unterschiedliche Anforderungen

Display-Innovationen stehen meist im Einklang mit den Entwicklungen in anderen interdisziplinären Fachgebieten. Betrachten wir die Ablesbarkeit bei Sonnenlicht im Detail: Wann sprechen wir von sonnenlichttauglich? Wird ein Display unter freiem Himmel im Sommer benutzt, beträgt die Leuchtdichte des Umfelds schnell 10 000 cd/m². Hat das Gerät eine Glasscheibe vor dem Display, wird an den Übergangsflächen ein Teil des Lichts (ca. 2,5 %) reflektiert. Schliesslich sind es an den Oberflächen sogar etwa 500 cd/m² des Umgebungslichts. Folglich benötigen wir ein Display, dessen Leuchtdichte mehr als 500 cd/m² beträgt. Um einen minimalen Kontrast von 2:1 zu erreichen — das entspricht dem Wert der kritischen Ablesbarkeit —, ist eine Displayleuchtdichte von 1 000 cd/m² erforderlich. Hier helfen uns neueste Innovationen, solche Displays zu realisieren. Bei diesem Beispiel kommen folgende Technologien zum Einsatz:

1) Neueste LED-Technologie

Eine sehr helle Hintergrundbeleuchtung kann die Lösung sein. Sie wird durch effiziente LED (bis zu 160 lm/W) erreicht. Diese Innovation wird extern durch die LED-Hersteller bereitgestellt. Dass, bedingt durch den Aufbau, auch Innovationen anderer Fachgebiete zum Einsatz kommen, ist für die TFT-Displaywelt typisch.

2) Neueste optische Folien

Display TFT LCD

Durch den Einsatz neuester optischer Folien (DBEF = Dual Brightness Enhancement Film) wird die Lichtausbeute gesteigert. Auch spezielle Polarisatoren sind im Einsatz. Sie rezyklieren suboptimal polarisiertes Licht und erhöhen somit den Wirkungsgrad der Hintergrundbeleuchtung signifikant. In der Summe können damit Hintergrundbeleuchtungen bis zum Faktor 2 heller realisiert werden, das bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme.

3) Oberflächenbehandlung

Reduzierte Oberflächenreflexionen beeinflussen die Ablesebedingungen sehr positiv. Das wird durch eine Antireflexionsbeschichtung auf dem Schutzglas und der LCD-Oberfläche erreicht. Auch ein optischer Kleber (OCA = Optically Clear Adhesive) auf dem Schutzglas des Displays ist eine Möglichkeit. Damit werden störende optische Oberflächenreflexe komplett vermieden. In der Summe werden so Refle­xionswerte von weniger als 0,25 Prozent erreicht. Im genannten Beispiel würde die reflektierte Leuchtdichte nur noch 25 cd/m² anstelle von 500 cd/m² betragen.

4) Transflektive LCD-Technologie

Transflektiv ist ein Kunstwort, das in der Displaybranche schon länger Einzug gehalten hat. Wird von einem transflektiven Display gesprochen, hat es sowohl einen transmissiven als auch einen reflektiven Lichtanteil. Bei einfachen, passiven Displays werden solche Anzeigen schon lange verwendet. Anders ist es bei farbigen TFT-Displays. Hier ist es sehr schwierig, im reflektiven Betriebsmodus eine angemessene Helligkeit in Verbindung mit guten Farbwerten zu erreichen. Durch die breit eingeführte, innovative Halbleitertechnik — LTPS (Low Temperature Polycrystalline Silicon) genannt — wurden die Leiterbahnstrukturen im TFT optimiert, sodass Reflexionsgrade von bis zu 12 Prozent mit guten Farbwerten erreicht werden. Im genannten Beispiel hätte das Display im reflektiven Modus an der Sonne eine Leuchtdichte von 1100 cd/m² — und das ohne, dass die Hintergrundbeleuchtung in Betrieb ist.

Vom gezeigten Beispiel kann leicht abgeleitet werden, dass die Displayentwicklung einem stetigen Innovationsdruck unterliegt. Durch den Consumer-Markt werden bestimmte Eigenschaften sehr stark forciert. Davon können auch Anwender in weniger attraktiven Märkten profitieren.

Rückblickend zeigt sich, dass sich einige Innovationen nur in bestimmten Marktsegmenten etablieren konnten. So zum Beispiel die OLED-Technologie (Organic Light Emitting Diode), die fast ausschliesslich in Smartphones und Fernsehgeräten zum ­Einsatz kommt. Andere vielversprechende Innovationen wie die Electrowetting-Technologie wurden eingestellt, weil die Kommerzialisierung gescheitert ist. Aber immer wieder kündigen sich neue weitreichende Innovationsschritte an. Ob sich diese durchsetzen können, wird sich zeigen. Sicher lohnt es sich, die Mikro-LED-Displays im Auge zu behalten. Sie strotzen vor Vorteilen und haben damit das Potenzial, die bestehende Displayindustrie erheblich herauszufordern.

Ihre wichtigsten Eigenschaften sind: sehr hohe Leuchtdichten (≥ 10 000 cd/m²), ex­treme Kontrastwerte (≥ 100 000:1), schnellste Schaltzeiten (≤ 1 ms), hohe Auflösungen (≤ 2000 ppi), einfache Skalierbarkeit, modularer Aufbau, hervorragende Farbtiefe und -brillanz, hoher elektrooptischer Wirkungsgrad und lange Lebensdauer (≥ 100 000 h). Es gibt hier aber eine grosse produktionstechnische Herausforderung: Um zum Beispiel ein Display mit 8K-Auflösung zu realisieren, werden sehr viele LED benötigt. Wie können je 33 Millionen rote, grüne und blaue LED-Chips in der Grösse von einigen Zehnteln Mikrometer Kantenlänge effizient und fehlerlos auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht werden? In wenigen Jahren werden wir es wissen!