Wie Einfallsreichtum und Fachwissen zur Entwicklung unserer Multi-Pixel-LED führten
Ein beeindruckender Leistungsdurchbruch bei Autoscheinwerfern
Der Ursprung eines technologischen Durchbruchs liegt oft nicht in einer wissenschaftlichen oder technischen Erkenntnis, sondern in einer Vision, einer Vorstellung von der Zukunft. Für ein Spezialistenteam unserer Ingenieure Anfang der 2010er Jahre kam der Funke der Inspiration aus einem Gespräch mit einem Kunden. Ihre kühne Idee? Eine pixelierte LED-Lichtquelle.
Damals war eine LED ein einfacher Chip, der einen homogenen Lichtstrahl erzeugte – also ein einzelnes „Pixel“. Was unsere Ingenieure im Sinn hatten, war eine wahrhaft futuristische Idee für ein Lichtbild, das aus Hunderten oder Tausenden einzelner Lichtstrahlen bestand. In Scheinwerfern umgesetzt, hatte diese Idee das Potenzial, dem Licht eine neue Bedeutung zu verleihen: ein Lichtbild, das sich dynamisch an wechselnde Bedingungen außerhalb des Fahrzeugs anpassen kann, und darüber hinaus ein Lichtbild, das Botschaften vermitteln kann.
Bald wurde der potenzielle Wert dieser Idee für die Industrie und den Endverbraucher so attraktiv, dass eine kleine, aber engagierte Entwicklungsgruppe ins Leben gerufen wurde, die sich aus Teilnehmern aus der gesamten Wertschöpfungskette zusammensetzte – vom LED-Hersteller über einen Scheinwerferhersteller bis hin zu einem Automobilhersteller.
Diese wegweisende Vision führte schließlich im Jahr 2023 zur Einführung der EVIYOS™ -Technologie von ams OSRAM .
Die EVIYOS™-LED ist eine Multipixel-Lichtquelle für Fahrzeugscheinwerfer, die Bilder auf die Straße projizieren und Bereiche des Fernlichts gezielt abdunkeln kann, um andere Verkehrsteilnehmer nicht zu blenden, während sie gleichzeitig einen wesentlich größeren Teil des Sichtfelds des Fahrers ausleuchtet als ein herkömmlicher Abblendlichtscheinwerfer.
Je schwieriger das Problem, desto einfallsreicher die Lösung
Das Ausmaß der technologischen Hürden, die es zu überwinden galt, war enorm. Zu Beginn der Arbeiten bestand eine einzelne LED aus einem Chip mit einer typischen Leuchtfläche von bis zu 1 mm × 1 mm. Diese Abmessungen waren viel zu groß, um dem Konzept eines „Multipixel“-Scheinwerfers gerecht zu werden.
Doch das Problem beschränkte sich nicht nur auf die Notwendigkeit kleinerer LED-Lichtquellen: Ein Multipixel-Scheinwerfer würde auch neue Elektronik zur Steuerung des Lichtstrahls sowie neue Verpackungs- und Fertigungstechnologien für die Herstellung des Systems erfordern. Es war fast unvorstellbar, wie ein solches Produkt hergestellt werden könnte. Der Grundstein war jedoch gelegt.
Tatsächlich zwang die schiere scheinbare Unmöglichkeit des Problems die Ingenieure dazu, Lösungen in Betracht zu ziehen, die normalerweise als zu extrem, zu riskant oder als aussichtslos sofort verworfen worden wären. Die Entwicklungsarbeit begann mit einer 4-Pixel-LED als Proof-of-Concept. Dies entsprach jedoch nicht der Vision unseres Teams: Ihre Idee war es, einen Scheinwerfer zu entwickeln, der Tausende von Pixeln enthielt.
Zwischen den vier Pixeln im Proof-of-Concept und dem Multipixel-Scheinwerfer, den das Team im Sinn hatte, klaffte eine riesige Lücke. Wie ließ sich der enorme Entwicklungsaufwand und das Risiko rechtfertigen, die erforderlich waren, um die Lücke zwischen vier und Tausenden von Pixeln zu schließen?
Tatsächlich begann sich die Marktnachfrage zugunsten des Teams zu entwickeln. Die ersten Scheinwerfer mit adaptivem Fernlicht (ADB) und 20 mm x 1 mm großen Chips auf der OSRAM OSTAR-Scheinwerferplattform kamen auf die Straße – zunächst in einem Luxuswagen und später auch in Kleinwagen, dank der verbesserten Sicherheit, die sie beim Fahren bei Nacht boten.
Es war jedoch offensichtlich, dass diese ADB-Lösungen mit einzelnen LED-Chips bei etwa 100 Chips an ihre physikalischen Grenzen stoßen würden. Um die ursprüngliche Vision des Teams zu verwirklichen, waren Zehntausende von Pixeln erforderlich: Um diese Lücke zu schließen, war klar, dass eine völlig neue Technologie benötigt wurde.
Von der Idee zur Umsetzung: eine Teamleistung
In diesem Moment unterbreitete die deutsche Regierung ein Angebot für ein öffentlich gefördertes Projekt. Dies bot die Gelegenheit, ein Konsortium aus Vertretern der Industrie und der Wissenschaft zu bilden:
- Daimler, der Automobilhersteller, der die Systemanforderungen definieren und die Anwendungsumgebung für die Erprobung und Validierung des Scheinwerfers bereitstellen konnte
- Hella für die Konstruktion und Montage der Leuchte
- OSRAM* für die LED sowie für die Integration der LED in einen IC und die dazugehörige Elektronik
- Infineon zur Entwicklung eines LED-Treibers, der mehrere LED-„Pixel“ ansteuern kann
- Fraunhofer für die Integration des Technologiesystems
Als µAFS-Projektteam (Micro Advanced Frontlighting System) arbeiteten die Ingenieure dieser Unternehmen von 2013 bis 2016 zusammen. OSRAM, das die Optohalbleitertechnologie entwickelte, stieß bei der Umsetzung seines ambitionierten microLED-Konzepts auf zahlreiche Probleme, darunter:
- Erzeugung einer ausreichenden optischen Ausgangsleistung (Helligkeit) der LED
- Übersprechen an der LED- und der Leuchtstoffschicht, wodurch Licht zwischen den LED-Pixeln austrat
- Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung der Farbkonsistenz über das gesamte microLED-Array hinweg
Dennoch fanden die Teams Lösungen und präsentierten 2016 das Ergebnis ihrer Arbeit: ein microLED-Scheinwerferkonzept mit 1.024 Pixeln, bei dem jedes Pixel einzeln angesteuert werden konnte. Dies war eine erstaunliche technische Meisterleistung, bei der weitaus kleinere LED-Punktlichtquellen erzeugt wurden als jemals zuvor. Tatsächlich enthielt dieses Demonstrationsdesign zehnmal mehr LED-Pixel, als jede bestehende Technologie unterstützen konnte, was zur Entwicklung des EVIYOS™ 1.0 führte.
Nun hat sich OSRAM, seit jeher ein Pionier im Bereich der Beleuchtung , dazu verpflichtet, das Konzept von einer Idee über einen Proof-of-Concept bis hin zur Produktentwicklung voranzutreiben. Es war genau die Art von technischer Herausforderung, die die Mitarbeiter bei ams OSRAM begeistert: Auf allen Ebenen – von der Geschäftsleitung bis hin zum Entwicklungsteam – erkannten alle das Potenzial von Multi-Pixel-LED-Scheinwerfern, den Straßenverkehr sicherer, komfortabler und angenehmer zu gestalten. Durch die Magie des Lichts konnte OSRAM das Fahrerlebnis bei Nacht revolutionieren.
Die Hoffnungen auf Erfolg werden zunichte gemacht
Der Moment der Enthüllung – die Vorstellung des EVIYOS™ 1.0 – war jedoch sowohl ein Triumph als auch eine niederschmetternde Enttäuschung. Um aus dieser pixeligen LED einen echten Scheinwerfer zu bauen, hätten die Scheinwerferhersteller bis zu fünf dieser Multi-Pixel-LEDs benötigt, jede mit einer eigenen Optik. Es wurde klar, dass dies in der Fertigung zu aufwendig und zu teuer wäre. Trotz all der wertvollen technischen Durchbrüche, die das OSRAM-Team erzielt hatte, bildete ihr Proof-of-Concept nicht die Grundlage für ein kommerziell tragfähiges Produkt.
Das Team musste also noch einmal von vorne anfangen. Und die Aufgabe war nun noch schwieriger, da die Automobilindustrie beschlossen hatte, dass ihre Vorstellung von dynamischer Frontbeleuchtung die Möglichkeit beinhalten sollte, Piktogramme (wie Sicherheitswarnungen oder Informationsmeldungen) auf die Straße zu projizieren. Dies würde noch mehr Pixel erfordern.
Trotz der Enttäuschung mit µAFS verlor das OSRAM-Team nie die Hoffnung. Tatsächlich wurden sie 2018 durch die Nachricht beflügelt, dass zwei große Wettbewerber auf dem LED-Markt aus den vom µAFS-Projektteam veröffentlichten Artikeln gelernt hatten und nun eifrig versuchten, ihre eigenen Micro-LED-Projektoren für den Automobilbereich zu entwickeln. Der Wettlauf war eröffnet!
Nun, zwei Jahre nach dem Ende des µAFS-Konsortiums, war für OSRAM die Zeit der Entscheidung gekommen: Das Unternehmen stand vor der Wahl, sich zurückzuziehen oder seine Investitionen in die Technologie zu verdoppeln.
OSRAM war schon immer ein Vorreiter in der Lichttechnik gewesen. Es blickte auf eine berühmte Geschichte von Innovationen in der Automobilbeleuchtung zurück. Durchbrüche in der Optohalbleitertechnologie hatten schon immer Mut und Ausdauer erfordert, und bei der Multi-Pixel-LED war das nicht anders. Also setzte OSRAM auf diese Technologie: Mit einem deutlich größeren Team, das Experten aus verschiedenen Fachbereichen zusammenbrachte, begann nun die Arbeit an der Entwicklung eines kommerziell tragfähigen Produkts. Nach der Umfirmierung zu ams OSRAM infolge der Fusion zwischen OSRAM und dem analogen Halbleiterhersteller ams profitierte das Team zudem von der hauseigenen Kompetenz des österreichischen Unternehmens im Bereich IC-Design und -Fertigung.
Die EVIYOS-LED findet einen aufgeschlossenen Markt
Es dauerte weitere fünf Jahre unermüdlicher Forschungs- und Entwicklungsarbeit, bis die neue EVIYOS™-LED fertiggestellt war. Bis 2023 war ams OSRAM bereit, das EVIYOS™-Produkt auf den Markt zu bringen: eine LED mit 25.600 Pixeln in einem einzigen Gehäuse mit einem vollständig integrierten Treiber-IC, der jedes einzelne Pixel individuell ansteuert. Die EVIYOS™-LED verwirklicht die ursprüngliche Vision der Multi-Pixel-LED-Technologie in vollem Umfang: Der Lichtstrahl lässt sich präzise steuern, sodass er dort abgeschnitten wird, wo er die Insassen entgegenkommender Fahrzeuge oder Fußgänger am Straßenrand blenden würde, während gleichzeitig ein großes, helles Ausleuchtungsfeld entsteht, das die Straße vor dem Fahrzeug noch besser ausleuchtet als herkömmliches Fernlicht.
Außerdem kann das System hochauflösende Piktogramme und Text auf die Fahrbahn vor dem Fahrzeug projizieren und bietet damit eine neue Möglichkeit, dem Fahrer Sicherheitshinweise und nützliche Informationen zu übermitteln sowie den Fahrzeugnutzern markenspezifische Botschaften wie „Willkommen“, „Du kommst nach Hause“ und andere Mitteilungen zu vermitteln.
Und die EVIYOS™-LED ist ein marktreifes Produkt – vor kurzem wurde das erste Scheinwerfermodell vorgestellt.
Die Vision ist endlich Wirklichkeit geworden.
Wie bei allen technologischen Durchbrüchen mussten die Ingenieure des EVIYOS™-Projekts sowohl enttäuschende Rückschläge als auch freudige Erfolge hinnehmen. Seine Geschichte zeigt, dass man Ausdauer braucht, um die Täler der Enttäuschung zu durchqueren, bevor man die Höhen der Erfüllung erreicht.
Das EVIYOS™-Projekt ist ein klares Beispiel für das langfristige Engagement, das strategische Denken und die Beharrlichkeit, die auf allen Ebenen erforderlich sind, damit ein Unternehmen ein wahrer Innovator sein kann. Von der Unternehmensleitung bis zum Ingenieurteam sind Engagement und Einsatzbereitschaft für den Erfolg sowie Vertrauen erforderlich, um auch angesichts von Rückschlägen nicht aufzugeben. Dies ist der Weg, den ams OSRAM eingeschlagen hat und den es weiterhin beschreitet.
An alle, die mit ihren Ideen, ihrer Energie, ihrem Herzblut und ihrer ganzen Seele zur Verwirklichung einer Vision in der Halbleiterindustrie beigetragen haben
*OSRAM ist Teil von ams OSRAM, das im März 2021
gegründet wurde
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