In-Plane-Sensing bei Micro-LED-Displays
Ein neues Leistungs- und Fertigungsparadigma für die optische Sensorik in Unterhaltungselektronik- und Automobilelektronikgeräten.
Es wird erwartet, dass MicroLEDs aufgrund ihrer hervorragenden optischen Eigenschaften einen grundlegenden Wandel bei den Displays in der Unterhaltungs- und Automobilelektronik bewirken werden: Sie liefern ein deutlich helleres, klareres Bild mit wesentlich höherer Farbgenauigkeit sowie eine hervorragende Lesbarkeit bei hellem Sonnenlicht. Zudem sind MicroLEDs sehr energieeffizient.
Diese Eigenschaften machen sie zu attraktiven Komponenten für Displays in Produkten, die von kleinen, extrem hochauflösenden AR/VR-Headsets bis hin zu Uhren, Smartphones, Laptops, Tablets und Displays in Fahrzeugen reichen. MicroLEDs können sogar in großen Displays wie Fernsehern und Monitoren eingesetzt werden.
Es gibt noch einen weiteren Aspekt von MicroLEDs, der das Potenzial birgt, die Display-Leistung erheblich zu verbessern und die gesamte Display-Funktionalität zu revolutionieren: Sie ermöglichen die Integration von Sensorfunktionen in dieselbe Pixelebene wie die RGB-Emitter. Dies wird durch die winzigen Abmessungen der MicroLEDs ermöglicht und bietet wertvolle Vorteile, darunter:
- Sensoren unsichtbar machen
- Verbesserung ihrer Empfindlichkeit
- Ermöglichung neuer Funktionen
Was sind also die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten für die In-Plane-Integration von Sensorik und optischer Emission? Und welche Schritte müssen unternommen werden, um dieses Potenzial auszuschöpfen?
Herausforderungen bei bestehenden Sensorimplementierungen in OLED-Displays
Traditionell übernehmen Sensoren auf der Vorderseite mobiler Geräte Funktionen wie die Steuerung der Displayhelligkeit, den Weißabgleich und die Gesichtserkennung. Diese Sensoren wurden häufig in Aussparungen im Display (Rahmen) integriert. Der Trend zu rahmenlosen Displays hat dazu geführt, dass Sensorhersteller Sensoren entwickelt haben, die hinter dem Display integriert werden können.
Bei OLED-Displays und der „Behind-OLED“-Sensorik – einem Bereich, in dem ams OSRAM als Technologiepionier gilt – müssen die Sensoren hinter einer Displayebene platziert werden, die dicht mit OLEDs bestückt ist. Diese „Behind-OLED“-Sensortechnologie stellt einige Herausforderungen bei der Umsetzung dar, da eine enge Synchronisation zwischen dem Displaysystem und dem Sensorsystem erforderlich ist, um Interferenzen zwischen den OLEDs und den Sensoren zu vermeiden. Die BOLED-Sensoren müssen eine sehr hohe Empfindlichkeit aufweisen, um eine ausreichende optische Signalstärke zu liefern, wenn sie hinter einem OLED-Display mit sehr geringer Durchlässigkeit (typischerweise weniger als 10 %) betrieben werden. Zudem erhöht der Aufbau eines Systems mit getrennten Ebenen – eine für das Display, eine weitere für die Sensorik – die Gesamthöhe des Sensor-Displays.
Über die Miniaturisierung hinaus – Platz auf der Leiterplatte schaffen für die Integration von Sensoren in das Flugzeug
MicroLEDs, der nächste technologische Fortschritt, bieten eine spannende Kombination aus sehr kleinen Abmessungen und sehr hoher Helligkeit. Bislang gibt es keine branchenübliche Spezifikation für die mechanischen Eigenschaften einer MicroLED: Während einige Hersteller Bauelemente mit Seitenlängen von bis zu 50 µm als „MicroLEDs“ klassifizieren, ist ams OSRAM der Ansicht, dass solche Bauelemente zu groß sind, um eine bahnbrechende Wirkung auf den Markt zu haben. Stattdessen nutzt das Unternehmen sein Know-how in der Miniaturisierung, um Chipkantenlängen von 10 µm und weniger zu erzielen. Bei dieser Größe ist ein MicroLED so klein, dass es mit bloßem Auge nicht erkennbar ist.
Tatsächlich sind RGB-Mikro-LEDs so klein und lassen sich mit so hohen Strömen ansteuern, dass sie in großem Abstand zueinander angeordnet werden können, während sie dennoch eine sehr hohe Auflösung und hohe Helligkeit beibehalten. Display-Ingenieure bezeichnen dies als niedrigen „Füllfaktor“ – das Verhältnis der gesamten Mikro-LED-Fläche zur gesamten Pixelfläche. Ein niedriger Füllfaktor bedeutet, dass um die Mikro-LEDs herum freie Fläche vorhanden ist. Diese Bereiche sind zwar für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar, aber groß genug, um Sensorkomponenten wie Mikro-Fotodioden (Mikro-PDs) und Nahinfrarot-Mikro-LEDs (NIR-Mikro-LEDs) unterzubringen (siehe Abbildung 1). Dies sind Schlüsselkomponenten für optische Sensoren, bei denen die Mikro-Fotodioden entweder das einfallende Licht oder das unsichtbare Licht messen, das von der NIR-Mikro-LED emittiert und von einem Objekt – beispielsweise einem Finger, der die Oberfläche des Displays berührt – reflektiert wurde.
Abb. 1: Die geringe Größe von Micro-LEDs schafft Platz für Sensoren auf der Emitterplatine eines Displays
Neue und verbesserte Sensorfunktionen
Abgesehen davon, dass die Sensorelemente praktisch unsichtbar werden und die Stapelung von Display und Sensoren entfällt, bietet die durch Micro-LEDs ermöglichte In-Plane-Display-Sensorarchitektur einen weiteren entscheidenden Vorteil: Durch die Anordnung der Sensorkomponenten in derselben Ebene wie die RGB-Micro-LEDs erhalten diese eine ungehinderte Sichtlinie durch das Deckglas. Dies kann die Implementierung von Sensoren vereinfachen, die bereits in OLED-Displays zu finden sind.
Darüber hinaus ermöglicht die Pixelierung der optischen Sensorfunktion in einem microLED-Display (siehe Abbildung 2) neue Anwendungsfälle und Sensoren.
Ein microLED-Sensor-Display könnte neue und verbesserte Sensorfunktionen ermöglichen, wie zum Beispiel:
- Lokale Helligkeitssteuerung des Displays, bei der die Umgebungslichtmessung über das gesamte Display verteilt ist
- Weißabgleich von Kamera und Display
- Näherungssensorik
- Überwachung der Vitalparameter
- Fingerabdruckerkennung, wodurch Subsysteme wie die Ultraschallsensorik, die heute in Mobiltelefonen zur Fingerabdruckerkennung verwendet wird, entfallen. Dies könnte den Erfassungsbereich für Fingerabdrücke vergrößern und die Höhe des gesamten Sensor-/Display-Stacks verringern.
- Berührungserkennung
- Gesten-Erkennung durch Hinzufügen einer Richtungsabhängigkeit zu den Sensorelementen in Kombination mit computergestützter Bildverarbeitung.
Abb. 2: Verschiedene Sensoren können dieselben NIR-Mikro-LEDs und Mikro-PDs gemeinsam nutzen, und die Anordnung der Komponenten ist flexibel, sodass je nach den Anforderungen des Sensors Bereiche mit hoher und niedriger Dichte möglich sind.
Rainer Minixhofer und Jean-Jacques Drolet von ams OSRAM bieten in einem für die Society for Information Display verfassten Beitrag eine eingehende Betrachtung der Anwendungen und der Technologie von Micro-LEDs für die In-Display-Sensorik .
Eine neue Lieferkette für die Display-Herstellung
Die Vision für eine durch Micro-LEDs ermöglichte In-Plane-Display-Sensorik ist eine einfachere Systemarchitektur mit verbesserter Sensorfunktionalität, geringerem Stromverbrauch und niedrigeren Sensorkosten.
Es sind noch wesentliche technische Entwicklungsschritte erforderlich, bevor diese Vision Wirklichkeit wird und die In-Plane-Display-Sensorik in den ersten Produkten zum Einsatz kommt. Wenn die Sensorik in die Displayebene integriert wird, erfordert die optische Signalkette eine komplexe Reihe von Schnittstellen, die Verbindungen zwischen den RGB- und NIR-Mikroemittern, deren Mikro-IC-Pixel-Treibern, den Mikro-PDs und deren Ausleseschaltung, der Signalverarbeitungsschaltung, anderen Displayelementen und dem SoC des Geräts herstellen (siehe Abbildung 3).
ams OSRAM arbeitet daran, die Herausforderungen zu bewältigen, die die In-Plane-Sensorik mit sich bringt, indem das Unternehmen mit Technologieanbietern, Displayherstellern, Herstellern von Displaytreibern und System-on-Chip (SoC)-Lösungen, OEMs, Kunden und anderen Interessengruppen zusammenarbeitet. ams OSRAM baut die Allianzen auf und entwickelt die Standards und Spezifikationen, die erforderlich sind, um die komplexe neue Lieferkette zu etablieren, die das In-Plane-Sensing auf den Markt bringen kann.
Abb. 3: Die In-Plane-Sensorik in einem Micro-LED-Display erfordert die Integration von Systemen und Komponenten verschiedener Anbieter. Für die Herstellung dieses neuen Displaytyps ist eine neuartige Lieferkette erforderlich. Um die Sensorik neben den μDiscretes zu ermöglichen, müssen drei wesentliche Voraussetzungen erfüllt sein: (1) Sensor-μDriver, (2) Display-Integration und (3) SoC-Unterstützung.
ams OSRAM übernimmt die Führung auf dem aufstrebenden Micro-LED-Markt
Die brillanten Farben, die Micro-LEDs wiedergeben können, ihr hoher Kontrast und ihre herausragende Energieeffizienz machen diese Bauelemente in weiten Teilen des Verbraucher- und Automobilelektronikmarktes äußerst wertvoll. Die Möglichkeit, optische Sensorfunktionen neben den Micro-LED-Emittern zu integrieren, kann die Attraktivität von Micro-LEDs im Vergleich zu OLED-Displays erhöhen, bei denen optische Sensoren hinter der Displayebene verdeckt sind.
ams OSRAM ist dank seines breiten Portfolios an Emitter-IP und seiner fundierten Expertise in der Herstellung und Verpackung von Optohalbleitern und -sensoren besonders gut aufgestellt, um die Umsetzung der microLED-Technologie voranzutreiben. Die Lieferung von microLED-Komponenten in hohen Produktionsmengen steht im Mittelpunkt der Geschäfts- und Technologiestrategie des Unternehmens. Angesichts des durch die microLED-Technologie bedingten Paradigmenwechsels und der Schwierigkeiten bei der Umsetzung der In-Plane-Sensorik in microLED-Displays ist sich ams OSRAM der Notwendigkeit bewusst, unterstützende Systeme zu schaffen und das Branchenökosystem weiterzuentwickeln.