Robuste Displays 04.09.2013, 10:35 Uhr

Kratzfest wischen auch auf krummen Oberflächen

Sie sollen biegsam sein, kratzfest, robust und unzerbrechlich, die Flüssigkristalldisplays, die jetzt die Universität Stuttgart mit Partnern aus der Industrie entwickeln will. Das LiCRA genannte Projekt soll es richten und den von Smartphone und Tablet-PC gewohnten Komfort auch auf gebogenen Flächen bieten.

Flexibles monochromes e-Paper Display von Plastic Logic. 

Flexibles monochromes e-Paper Display von Plastic Logic. 

Foto: Plastic Logic

Kratzfeste und widerstandsfähige Displays in Smartphones oder Tablet-PCs sind inzwischen ein alter Hut. Dabei ist Glassubstrat das Mittel der Wahl, um diese Displays herzustellen. Denn es ist extrem kratzfest und sehr hart. Smartphones und Tablet-PCs fallen allerdings durch ihre glatte Quaderoptik auf, sie haben keine Rundungen, außer mal je nach Modell an den Einfassungen des Displays und das ist aus Metall. Anders ist das bei gekrümmten Flächen, Monitoren zum Beispiel im Automobilbereich oder in der Werbung. Diese Displays müssen in einem gewissen Rahmen biegsam sein. Solche Displays gibt es schon, sie sind allerdings ziemlich empfindlich und damit wenig praxistauglich. Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben sich jetzt mit einigen Partnern aus der Industrie aufgemacht, biegsamen Flüssigkristalldisplays beizubringen, besonders robust und extrem leicht und obendrein noch vollfarbig zu sein.

LiCRA soll robuste flexible Displays entwickeln

LiCRA heißt das Projekt und das Kürzel steht für Liquid Crystals for Robust Applications. LiCRA hat eine Laufzeit von 30 Monaten und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie den jeweiligen nationalen Förderern der internationalen Partner mit insgesamt 1,5 Millionen Euro bezuschusst. Denn LiCRA ist zwar international, hat allerdings einen deutlichen deutschen Schwerpunkt: Im Forschungsboot sind aus Deutschland das Institut für Großflächige Mikroelektronik der Universität Stuttgart, die süddeutsche Firma LOFO High Tech Film aus Weil am Rhein, die Berliner Firma micro resist technology sowie als assoziierter Partner das Darmstädter Pharmaunternehmen Merck.

Den internationalen Part im Projekt bringen die britische Firma Plastic Logic und die israelische Firma Etkes and sons ein. Jeder Projektpartner hat im LiCRA-Projekt eine eigene Aufgabe, aus deren Zusammenwirken das große Ziel erreicht werden soll, im Sommer 2015 ein robustes, kratzfestes, biegsames Flüssigkristall-Display vorzustellen. Der Markt für widerstandsfähige flexible Displays wird bis zum Jahre 2015 auf ein Volumen von sieben Milliarden US-Dollar, das sind knapp 5,3 Milliarden Euro, geschätzt.

Organische Leuchtdioden in den Zellen sollen polarisiertes Licht emittieren

Und so sehen die einzelnen Aufgaben in dem Forschungsverbund aus: Plastic Logic hat die Aufgabe, eine bewährte, bislang für monochrome e-Paper-Anzeigen eingesetzte Technologie mit organischen Dünnschichttransistoren (OTFTs) weiterzuentwickeln und anzupassen. „Plastic Logic’s Strategie ist, die Nutzung unserer bewährten flexiblen, verformbaren OTFT-Rückwände auf andere Display-Medien zu erweitern. Wir steuern unsere Kompetenz  in flexible Display-Technologie und unsere Erfahrung in industriellen verformbaren flexiblen Displays bei“, sagt Indro Mukerjee, der CEO von Plastic Logic zu der Kooperation.

Den Prozess zum Zusammenbau der Flüssigkristallzellen entwickeln Forscher an der Universität Stuttgart. Hier liegt die Herausforderung insbesondere in der Notwendigkeit im Niedrigtemperaturbereich zu arbeiten und in der Flexibilität der Foliensubstrate. Zusätzlich wollen die Stuttgarter Wissenschaftler in die Flüssigkristallzellen integrierbare organische Leuchtdioden (OLED) herstellen, die polarisiertes Licht emittieren. Das hätte gleich zwei Vorteile: Zum einen könnte eine weitere Hintergrundbeleuchtung entfallen. Die eine dann noch notwendige Hintergrundbeleuchtung entwickelt Etkes aus Israel. Zum anderen könnte eine der bisher zwei für die Darstellung der Flüssigkristallanzeige notwendigen Polarisationsfolien eingespart werden. Ein starkes Argument, wenn diese robusten gebogenen Displays im Massenmarkt bestehen wollen.

Nanoimprint-Lithographie statt Photolithographie senkt die Kosten

Die mikroelektronischen Strukturen auf der Folie wird die Berliner Firma micro resist technology erzeugen. Dafür kommt nicht die klassische Photolithographie zum Einsatz, bei der ein Photolack mit UV-Licht belichtet und danach entwickelt wird, sondern die Nanoprägelithographie. Bei dem auch als Nanoimprint-Lithographie bezeichneten Verfahren werden die gewünschten Strukturen mit einem dreidimensionalen Stempel direkt in einen geeigneten Nanoimprint Resist übertragen.

Diese Technologie verspricht niedrigere Herstellungskosten der flexiblen Displays und auch höhere Display-Auflösungen. Es kommen thermoplastische Polymere zum Einsatz, die Strukturgrößen von mindestens 50 Nanometer erreichen. Im Rahmen von LiCRA wird der Einsatz dieser Technologie in der Fertigungskette von OTFTs auf Kunststoffsubstraten untersucht.

Passgenauigkeit durch Lösemittelgießen

Passgenauigkeit ist wohl das wichtigste Stichwort, um diese flexiblen und robusten Displays zur Anwendungsreife zu führen. Und um diese Passgenauigkeit zu erreichen, kommt ausgerechnet das älteste Verfahren zur Herstellung von Kunststofffolien zum Einsatz: das Lösemittelgießen. Dabei wird das Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Auch können temperatursensitive Additive zugesetzt und so hohe Füllgrade erreicht werden. Die dann viskose Lösung passiert mehrere sehr feine Filtrationsstufen, bevor sie gegossen wird.

Das über einhundert Jahre alte Verfahren hat den großen Vorteil, dass die so hergestellten Folien eine sehr große Reinheit haben, ultra-dünn und vor allem auch spannungsfrei sind. All diese Eigenschaften sind wichtig, um möglichst eine geringe Dimensionsänderung während der nachfolgenden Herstellung der Flüssigkristallanzeigen zu erhalten. Zudem soll die ultra-dünne Folie eine minimale optische Doppelbrechung haben. Denn beides ist sehr wichtig, um die optischen Eigenschaften der Anzeige nicht zu verschlechtern.

Das Lösemittelgießen ist das Herstellungsverfahren der Wahl für alle möglichen Flüssigkristall-Displays. Weltweit werden jährlich etwa 1,2 Milliarden Quadratmeter Cellulosetriacetat-Folie für TFT-Displays und andere Displays durch Lösemittelgießen erzeugt. Displays sind damit das größte Einsatzfeld für Lösemittelfolien.

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