Mikro-LEDs für helle Displays und Transparenz mit Touch

Mikro-LEDs, Dioden mit einer Kantenlänge von maximal 100 Mikrometer, also unter einem Zehntelmillimeter, waren auf der diesjährigen Fachmesse Display Week das Thema schlechthin.

Die roten, grünen und blauen LEDs werden bisher jeweils auf einem eigenen Wafer gefertigt. Da jedes Pixel aus drei farbigen LEDs besteht, benötigt man für ein 4K-Display mit 3840 × 2160 Pixeln knapp 25 Millionen Stück. Die Produktion von Mikro-LED-Displays ist wegen der Vereinzelung und dem Zusammensetzen zu Farbtriplets auf dem Displaysubstrat (das sogenannte Pick & Place) immens teuer und die Kosten steigen mit der Auflösung. In Los Angeles wurden neue Fertigungsansätze vorgestellt, um diesen Schritt zu optimieren.

Der LED-Spezialist Innolux will nur blaue Mikro-LEDs nutzen und rote und grüne wie im OLED mit farbkonvertierenden Quantenpunkten erzeugen. Mitbewerber Aledia möchte die Mikro-LEDs auf größeren Wafern produzieren, um Chip-Kosten zu sparen. Dafür lässt das Leti-Spin-Off in einer Pilotanlage in Grenoble kleine Galliumnitrid-Nanostränge auf 12-Zoll-Wafer wachsen. Laut Aledia ließen sich dazu die gleichen CMOS-Wafer nutzen, die auch Foundries in der Prozessor-Fertigung einsetzen.

Die Firma iBeam will die Mikro-LEDs nicht separat auf einem Wafer, sondern direkt neben den Galliumnitrid-Transistoren auf einer dünnen monokristallinen Folie produzieren. Die Kosten skalieren dann mit der Fläche und nicht mehr mit der Anzahl der LEDs respektive der Auflösung. Die geplante Rolle-zu-Rolle-Fertigung soll bis 2030 stehen, zu den Investoren gehört Samsung.

Porotech erntete viel Aufmerksamkeit mit Mikro-LEDs, die je nach Ansteuerung rot, grün oder blau mit leuchten. Der Spin-off der britischen Cambridge University nutzt ein selbst entwickeltes poröses Material auf Galliumnitridbasis und stellte in LA ein 0,26 Zoll kleines Vollfarb-Display mit 1280 × 720 Mikro-LEDs und 5600 dpi in der Dynamic Pixel Tuning (DPT) genannten Technik vor. Mischfarben entstehen ähnlich wie beim DLP-Beamer, indem die Grundfarben sehr schnell hintereinander zum trägen menschlichen Auge geleitet werden.

Laut Porotech können die DPT-LEDs auf bis zu 12 Zoll großen Saphir- oder Silizium-Wafern gefertigt werden, der Transfer kann in einem Schritt per Wafer-zu-Wafer-Bonding erfolgen. Die Achillesferse des Ansatzes liegt in der proprietären Ansteuerung der winzigen LEDs: Da die emittierte Farbe vom Stromfluss abhängt, muss dieser entlang des gesamten CMOS-Substrats stimmen, andernfalls entstehen Farbverschiebungen auf dem Display.

Transparente Schirme

Mit Mikro-LEDs lassen sich nicht nur ultrahochauflösende Minidisplays erzeugen, sondern auch größere transparente Displays. Da die Winzdioden neben den opaken Zuleitungen nur einen kleinen Teil der Pixelfläche bedecken, bleibt viel Displayfläche frei. Mit einem transparenten Substrat entsteht so automatisch ein transparentes Display. AUO präsentierte ein 13,5-zölliges Mikro-LED-Display mit einer Transparenz von 55 Prozent. Tianma erreichte bis zu 65-prozentige Transparenz, gleiches erzielte Playnitride an einem 9,4-zölligen Touchdisplay mit 960 × 480 Pixel.

Die meisten transparenten Displays werden derzeit noch mit OLED-Technik gefertigt. Da die organische Leuchtschicht ohnehin extrem dünn und quasi durchsichtig ist, muss man sie dazu lediglich auf ein transparentes Trägersubstrat aufbringen. LG hat bei seinem transparenten 13,7-Zoll-OLED zudem einen Touchsensor ins Panel integriert (In-Cell-Touch), die Transparenz des bis zu 400 cd/m² hellen OLEDs lag bei 40 Prozent.

Zum Falten und Aufrollen

TCL produziert OLEDs im Tintendruckverfahren. Auf der Display Week hatte der chinesische Panelhersteller diverse gedruckte OLEDs dabei, die meisten davon waren zugleich flexibel, darunter ein aufrollbares 4K-OLED, das auf ein flexibles Kupfersubstrat gedruckt wurde und einen Rollradius von nur zwei Zentimetern ermöglicht. Der 31-Zöller verschwand auf Knopfdruck in seinem quaderförmigen Standfuß. Das Prinzip gleicht dem von LG vor vier Jahren erstmals gezeigten aufrollbaren Signature OLED R, der nur auf Anfrage produziert wird und aktuell 100.000 Euro kostet.

Zur Messe brachte der koreanische Hersteller eine kleinere Variante mit: Der 18-Zöller mit QHD-Auflösung (2560 × 1440 Pixel) rollt sich entweder komplett oder nur ein kleines Stück aus einer Lautsprecherbox heraus. Dann dient er als smarter Infoscreen und zeigt beispielsweise aktuelle Wetterdaten an. Das OLED leuchtet laut LG 1000 cd/m² hell und hat einen Biegeradius von zwei Zentimeter (Videos über ct.de/ykjy).

Probleme wirft bei flexiblen OLEDs vor allem die Gerätemechanik auf. Sie muss die Leuchtfolie stabilisieren und gegen Schäden beim Falten und Aufrollen schützen. Insbesondere wenn (Deck-)Glas im Spiel ist, darf auf das Display kein Zug ausgeübt werden.

Auch beim Falten der Displays spielen die Biegeradien eine entscheidende Rolle. So ist der Falz bei Klappdisplays nicht scharfkantig, sondern tropfenförmig und die beiden Displayflächen werden erst jenseits der Knickstelle aufeinandergelegt. Dadurch trägt das zusammengeklappte Display wenig auf, gewinnt aber im Falz etwas Luft.

TCL bewies zudem, dass sich auch im Tintendruckverfahren sehr kleine Pixel realisieren lassen: Ein 65-zölliges OLED-TV des chinesischen Panelspezialisten zeigte 8K-Auflösung. Auch dieses OLED verschwand in einer Box, doch anstelle eines anspruchsvollen Rollmechanismus wurde das TCL-TV zusammengefaltet und musste deshalb nur an der Faltstelle flexibel sein.

An mehreren Ständen waren Faltdisplays für Notebooks ausgestellt, die komplett aus einem Touch-Display bestehen und die Tastatur wahlweise im unteren Teil einblenden. So zeigte LG ein faltbares 17-Zoll-OLED mit 2560 × 1920 Pixeln (QHD+). Den inneren Biegeradius bezifferte LG auf 2,5 Millimeter. Samsungs wartete mit dem 17,3-zölligen Flex Note mit ebenfalls QHD+-Auflösung und super engen 1,2 Millimeter auf. Man kann also demnächst mit neuen Tablet-Notebook-Hybriden rechnen, die höher auflösen als Asus’ Zenbook und Lenovos ThinkPad X1 Fold.

Zum Ziehen und Zerren

Einige OLEDs wurden auch zweifach gefaltet und in alle Richtungen auseinandergeschoben. Bei Samsung ließ sich ein Notebook-Schirm von 13 Zoll auf 17,3 Zoll vergrößern, während ein 12-zölliges OLED in seinen Sockel gerollt wurde. BOE zeigte unter anderem ein in zwei Richtungen ausziehbares OLED, das sich dadurch von 13 auf 16 Zoll vergrößerte. Außerdem rollte der chinesische Displayspezialist einen 17-Zöller mit 2972 × 1672 Pixeln so weit seitlich ein, dass ein handlicher 10-Zöller übrig blieb. Bei vielen Modellen handelt es sich zwar um Konzeptstudien, doch sie zeigen, wohin die Reise geht (Videos über ct.de/ykjy).

LG bog und streckte ein Display sogar in alle Richtungen. Allerdings war der Prototyp fest über einen Drehknopf gespannt, also irreversibel gedehnt. Bei dem 12-Zöller handelte es sich nicht um ein OLED, sondern um ein um 20 Prozent dehnbares Mikro-LED-Display mit Touchoberfläche, dessen winzige LEDs auf einer elastischen Plastikfolie sitzen. Glas, das in fast allen LCDs und OLEDs zu finden ist, lässt sich wie Papier nur in eine Dimension gleichzeitig biegen, ohne Falten zu werfen.

Ultrahochaufgelöst

BOE beeindruckte in LA mit einem 110-zölligen 16K-LCD: An dem Display mit 2,80 Metern Diagonale und 132,7 Millionen Bildpunkten nahm man die Pixelstruktur selbst aus nächster Nähe nicht wahr. Die 110 dpi des Schirms würden auch für Monitore ausreichen, die man aus 60 Zentimetern Abstand betrachtet. Ob man die irre hohe Auflösung braucht, sei dahingestellt. Nötig wäre sie beispielsweise für 3D-Displays (dazu später mehr). Die 16 Videozuleitungen im Displayrücken machten klar, dass es sich um ein Labormuster handelt.

Konsolen aus Holz

Ein echter Hingucker waren einige Konsolen fürs Auto, die sich zunächst nicht als Display zu erkennen gaben. Die meisten hatten eine semitransparente Kunststoffschicht im Holzdekor auf einem LCD. Tianma versteckte in seinem überbreiten Dashboard stattdessen drei Millionen Mini-LEDs. Waren diese ausgeschaltet, blickte man auf ein hölzernes Brett, angeschaltet erschien im Holz ein Touchdisplay mit 1344 × 756 Bildpunkten und einer ausgezeichneten Farbauflösung. Es ließ sich sogar ein Privacy-Modus aktivieren, der die Leuchtdichte aus bestimmten Einblickwinkeln auf 0,1 Prozent reduziert.

Die Innolux-Tochter CarUX wartete mit einem in Echtholz eingearbeiteten 12,3-Zoll-LCD auf. Am meisten beeindruckte jedoch die hölzerne Konsole von BOE, die zwei 12-zöllige Displays mit 1920 × 720 Bildpunkten integriert. BOE nutzt ein Holzimitat, hat das gehärtete Deckglas aber so beschichtet, dass es nicht nur aussieht wie Holz, sondern sich auch so anfühlt.

Die Transparenz solcher Kunststoffbeschichtungen liegt derzeit im Bereich von 25 Prozent, weshalb die eingebauten Displays enorm hell leuchten müssen. Am Auto-Dashboard sind tagsüber Leuchtdichten von über 1000 cd/m² gefordert, also 4000 cd/m² direkt vom Display. Mit LCDs ist das kaum zu schaffen, mit Mini-LEDs wie bei Tianma schon eher.

3D ohne Brille

Ein Trend auf der Display Week waren sogenannte Light Field Displays. Bei ihnen ist es möglich, ein wenig „hinter“ gezeigte Objekte zu schauen. Solche LFDs funktionieren ohne 3D-Brille und der Effekt ist nicht so aufdringlich wie bei vielen autostereoskopischen 3D-Displays. Linsen über dem Display lenken das Licht so, dass unterschiedliche Perspektiven derselben Szene am linken und rechten Auge ankommen. Je größer die Anzahl der Perspektiven, umso besser ist der 3D-Eindruck und umso fließender gehen die Perspektiven ineinander über, wenn man sich vor dem Schirm bewegt. Das Display benötigt deshalb eine möglichst hohe Auflösung.

TCL sparte sich die extrahohe Auflösung und führte die Perspektiven stattdessen per Eyetracking nach. Eine Kamera auf dem Display verfolgt dazu die Augenposition des Zuschauers und bietet ihm so stets die zu seinem Einblickwinkel gehörende Perspektive. Das funktionierte recht gut, schmälert aber den eigentlichen Vorteil der Lichtfeldtechnik, nämlich dass mehrere Personen aus beliebiger Position vor dem Schirm ohne 3D-Brille dreidimensionale Bilder sehen können.

Sparsame Displays

E Ink, bekannt als Hersteller rein reflektiver Anzeigen etwa in E-Book-Readern, zeigte auf der Display Week die ersten vollfarbigen Modelle mit elektronischer Tinte. Diese waren auf den ersten Blick kaum von herkömmlichen LC-Displays zu unterscheiden, was auch an der hohen Auflösung lag, vor allem aber an der Farbmischung: Der Hersteller hat in die Zellen der neuen Spectra-6-Panels vier verschiedene Kügelchen eingelagert. Außer Weiß sind es Rot, Gelb und Blau, Letzteres ist neu hinzugekommen und erlaubt nun die Darstellung (fast) aller Mischfarben.

Bei jedem Bildwechsel werden die farbigen Kügelchen im Spectra-6-Panel so lange im elektrischen Feld hin und her geschoben, bis sie in der richtigen Reihenfolge unter der Displayoberfläche liegen und den gewünschten Farbton anzeigen – sehr sehenswert (Video über ct.de/ykjy). Jeder Bildwechsel dauert etwa 15 Sekunden. Die bistabilen E Ink-Displays brauchen nur Strom, wenn sich ihr Bildinhalt ändert. Damit sind sie prädestiniert für große Infoscreens oder statische Label.

Auf der Display Week zeigte E Ink unter anderem Spectra-6-Panels mit einer Diagonale von 64 cm (25,3 Zoll) und 3200 × 1800 Bildpunkten (145 dpi). Die Pixeldichte lässt sich laut E Ink durch eine andere Steuerplatine auf bis zu 200 dpi erhöhen.

Da die Displays für einen Temperaturbereich zwischen 0 und 50 Grad Celsius spezifiziert sind, empfehlen sie sich nicht für den Außenbetrieb in der prallen Sonne. In heller Umgebung entstehen zudem Farbverschiebungen, wenn farbige Objekte in der Umgebung Licht aufs E Ink-Display reflektieren.

In E-Readern kommt seit diesem Jahr eine weitere Spielart zum Zuge, die Gallery-3-Familie. Sie nutzt Subpixel in den Farben Cyan, Magenta, Gelb und Weiß und kann Schwarzweißseiten innerhalb von 0,3 Sekunden wechseln; farbige Seiten dauern mit bis zu 1,5 s etwas länger. (uk@ct.de)

Videos unter: ct.de/ykjy