Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat eine neuartige Steuerelektronik für OLED-Mikrodisplays entwickelt, die deutlich höhere Spannungen verarbeiten kann. Damit lassen sich mehrere OLED-Schichten übereinander betreiben, was extrem helle Displays mit Leuchtdichten von über 10.000 cd/m² ermöglicht – ohne die Lebensdauer oder Energieeffizienz zu beeinträchtigen. Diese Technik ist besonders interessant für AR-/VR-Geräte oder militärische Anwendungen, wo brillante Bilder unter schwierigen Lichtverhältnissen nötig sind.
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OLEDs stoßen bei hoher Leuchtdichte an ihre Grenzen
In der Welt der Displays zählt nicht nur Auflösung, sondern auch Helligkeit. Gerade bei Augmented-Reality-Brillen oder Virtual-Reality-Headsets ist es entscheidend, dass Inhalte unter verschiedensten Lichtbedingungen gut erkennbar sind. OLED-Technologie bietet hier viele Vorteile – doch bei sehr hoher Leuchtdichte stößt sie an ihre Grenzen.
Forschende des Fraunhofer IPMS haben nun eine Lösung präsentiert, die OLED-Mikrodisplays auf ein neues Niveau hebt: Eine neu entwickelte Hochvolt-CMOS-Backplane ermöglicht die Ansteuerung gestapelter OLEDs mit deutlich höherer Helligkeit.
Diese Technologie wird erstmals auf der SID Display Week 2025 vom 13. bis 15. Mai in San José (USA) vorgestellt.
Herausforderung: Helligkeit vs. Lebensdauer
OLEDs gelten als vielseitig einsetzbar, vor allem wegen ihrer brillanten Farben, ihres hohen Kontrasts und der schnellen Reaktionszeit. Doch bei sehr hellen Umgebungen – wie direkter Sonneneinstrahlung – geraten sie ins Hintertreffen. Zwar lässt sich die Helligkeit durch höhere Stromdichten steigern, dies geht jedoch zulasten der Lebensdauer.
MikroLEDs werden hier oft als Alternative genannt. Diese sollen Leuchtdichten von über einer Million Candela pro Quadratmeter (cd/m²) erreichen. Allerdings zeigt sich bei sehr kleinen Pixeln, wie sie in hochauflösenden Mikrodisplays notwendig sind, ein deutlicher Effizienzverlust. Um eine akzeptable Helligkeit zu erzielen, müssen MikroLEDs mit Stromdichten von über 1 Ampere pro Quadratzentimeter betrieben werden – was nicht nur Energie frisst, sondern auch die Lebensdauer verkürzt. Zudem steht die Technologie für farbige Displays noch am Anfang.
Backplane im Kontext von Displays
Die Backplane ist die Steuerelektronik hinter dem eigentlichen Display, also die Schicht unter den lichtemittierenden OLED-Pixeln. Sie enthält unter anderem:
• Transistoren, die jeden Pixel einzeln ansteuern,
• Schaltkreise zur Helligkeitsregelung,
• und Stromversorgungsleitungen.
In diesem Fall handelt es sich um eine CMOS-Backplane (komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie), die Hochspannung (High Voltage) verarbeiten kann. Das ist wichtig, wenn – wie im Artikel beschrieben – mehrere OLED-Schichten gestapelt werden, was höhere Betriebsspannungen erfordert.
Bildlich erklärt:
Stellen Sie sich ein Mikrodisplay wie einen Mini-Fernseher vor.
Die OLED-Schichten sind die „Leinwand“, die das Licht erzeugt.
Die Backplane ist das „Gehirn dahinter“, das sagt, welcher Pixel wann wie stark leuchten soll.
OLEDs stapeln – und richtig ansteuern
OLEDs lassen sich auch anders heller machen: durch Stapelung mehrerer Leuchtschichten übereinander. So wird das Licht jedes Layers kombiniert, ohne die einzelnen Schichten übermäßig zu belasten. Die Herausforderung: Jede zusätzliche Schicht erhöht die notwendige Spannung. Herkömmliche CMOS-Backplanes, die OLEDs ansteuern, sind jedoch für diese Spannungen nicht ausgelegt.
Das Fraunhofer IPMS hat deshalb eine neue Hochvolt-CMOS-Backplane entwickelt, die speziell für gestapelte OLEDs konzipiert ist. Dr. Uwe Vogel, Bereichsleiter „Mikrodisplays und Sensoren“ am IPMS, erklärt: „Wir haben ein innovatives Pixelzellendesign entwickelt, das eine Spannungshub von über 10 Volt ermöglicht und somit in der Lage ist, mehrfach gestapelte, nach oben emittierende OLED-Schichten zu betreiben.“
Je nach Anzahl der OLED-Schichten lässt sich die Lichtausbeute deutlich steigern – bei gleichbleibender Stromdichte. Laut Vogel sind so Helligkeiten von über 10.000 cd/m² möglich, ohne dass Lebensdauer oder Zuverlässigkeit leiden.
Einsatzgebiete: Von der AR-Brille bis zum Einsatz im Feld
Die Einsatzmöglichkeiten für solche OLED-Mikrodisplays sind breit gefächert. In AR-Brillen sorgt die hohe Leuchtdichte dafür, dass digitale Inhalte auch bei hellem Tageslicht klar erkennbar bleiben. In VR-Headsets können realistischere, leuchtendere Bilder erzeugt werden – was die Immersion erhöht. Auch im militärischen Bereich sind helle und zuverlässige Displays gefragt, etwa in Helmen oder Steuergeräten, die unter schwierigen Bedingungen eingesetzt werden.
Im Vergleich zu MikroLEDs bietet OLED hier laut Forschungsteam gleich mehrere Vorteile:
- Technologische Reife: OLEDs sind eine etablierte Technologie mit breitem industriellen Einsatz.
- Niedrigere Stromdichte: Für langlebigen Betrieb reichen unter 100 mA/cm², was die Lebensdauer erhöht.
- Flexible Helligkeit: Durch OLED-Stapelung lassen sich hohe Leuchtdichten erzielen, ohne die Schichten zu überlasten.
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