Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Das Fraunhofer FEP ist Ihr führender Forschungs- und Entwicklungspartner für Oberflächentechnologien und organische Elektronik. Unsere Arbeitsgebiete gliedern sich in verschiedene Geschäftsfelder auf Basis der unterschiedlichen zu bearbeitenden Materialien, Geometrien und besonderer technischer Synergien.

• Mikrodisplays und Sensoren
• IC- und Systemdesign
• Präzisionsbeschichtung
• Medizinisch-biotechnologische Applikationen
• Beschichtung flexibler Produkte
• Beschichtung von metallischen Platten und Bändern, Energietechnik
• Entwicklung ovn Elektronenstrahlsystemen und -technologien
• Beschichtung von Bauteilen

Die Prozess- und Anwendungsentwicklungen des Institutes für unsere Kunden stützen sich auf unsere Kernkompetenzen, die Technologien wie:

• OLED-auf-CMOS,
• Organische Elektronik,
• IC- und Systemdesign sowie
• Vakuumtechnologien und Elektronenstrahl-, Plasma- und Rolle-zu-Rolle-Technologien nutzen.

Unsere Technologien und Kompetenzen bieten die Grundlage für innovative Lösungen unserer Partner und Kunden in vielfältigen Branchen. Anwendungen finden sich unter anderem in den Bereichen:

• Optik, Sensorik und Elektronik
• Displays und Wearables
• Smart-Building und Architektur
• Maschinenbau
• Umwelt und Energie, Solartechnologie
• Transport, Mobilität, Automobil
• Medizinische Applikationen und Biomedizintechnik
• Verpackung
• Landwirtschaft
• Kulturguterhalt

Industrielle Anwendungsszenarien erfordern die Anzeige fokussierter, grafischer Informationen anstelle von Videostreams. Parameter wie Ergonomie, Kompaktheit und Batterielaufzeit spielen eine vorrangige Rolle. Dazu eignen sich besonders ultra-low-power Displays. Diese haben eine limitierte Auflösung, können jedoch durch ein innovatives Design der Display-Backplane die Stromaufnahme auf einen Bruchteil von ca. 1 mW im typischen Betrieb reduzieren, wodurch kleine, leichte Systeme mit längeren Batterielaufzeiten möglich werden. Diese Displays werden über eine SPI-Schnittstelle angesteuert und können in verschiedenen monochromen Farben realisiert werden, wobei typischerweise Warmweiß bevorzugt wird, das eine sehr hohe Helligkeit von > 35.000 cd/m² erreichen kann. Darüber hinaus sind weitere Versionen der Mikrodisplay-Architektur verfügbar, die rote und grüne Subpixel verwendet und damit ein farbiges Mikrodisplay mit einer typischen Spitzenhelligkeit von 5.000 cd/m² ermöglicht. Beide Typen profitieren von einem breiten Helligkeitsbereich, der Anwendungen bei Tag und Nacht ermöglicht.

Anwendung können diese Displays zum Beispiel im Katastrophenschutz finden, bei dem Displays in Helmen der Einsatzkräfte über Bluetooth Navigationsdaten der Leitstelle erhalten und sie so durch sichtbehinderte Umgebungen leiten. Auch als Anzeigen in Helmen für Sport und Freizeit, Motorradfahrer etc. sind diese Displays in Kombination mit Optiken nützliche Helfer.

Die OLED-auf-Silizium Technologie ermöglicht die hochpräzise Integration einer OLED als Lichtquelle auf einem Mikrochip. Dieser Mikrochip kann mit weiteren Sensorelementen, z.B. Photodioden ausgerüstet werden, sodass bidirektionale Mikrodisplays gleichzeitig Licht emittieren und detektieren können. Am Fraunhofer FEP wurde damit u.a. ein Fingerabdrucksensor entwickelt, der diese bidirektionale Funktionalität der Lichtemission und -detektion nutzt. Ein erster Prototyp hat bereits eine Auflösung von 1600 dpi. Neben intelligenten Mikrodisplays können weitere Anwendungen im Bereich der Sensorik bedient werden. Beispielsweise kann die Funktionalität für Eytracking-Funktionen in Wearables oder Datenbrillen eingesetzt werden. 

Die 720p-Mikrodisplays wurden speziell für den Einsatz in industriellen AR-Brillen entwickelt, wo z. B. häufig eine Echtzeit-Überlagerung von Daten oder Unterstützungsszenarien eingeblendet werden sollen. Hier spielen hohe Bildraten und Kontrastverhältnisse bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch eine Rolle.

Mit einer Auflösung von 1280 × 720 Pixeln bei einer Bildschirmdiagonale von 0,64 Zoll und einem Pixel Pitch von 11 μm bietet das 720p Mikrodisplay qualitativ hochwertige Bilder bei geringer Leistungsaufnahme in der Regel z. B. im Bereich von 100 mW bei 60 Hz bis zu 160 mW bei 120 Hz. Daneben punkten sie mit einer einfachen Steuerelektronik zur unkomplizierten Integration in Wearables. Das neueste 720p OLED-Mikrodisplay bietet höchste Helligkeit von bis zu 40.000 nits in einem monochromen Aufbau.

Eine verbreitete Methode zur Messung von Materialeigenschaften (pH-Wert, Temperatur, Gaskonzentration, usw.) ist die Verwendung eines Sensorstoffes, der sich je nach Konzentration in seinen optischen Eigenschaften ändert. Wird dieser optisch zur Photolumineszenz angeregt, so können die emittierende Strahlung bewertet und Rückschlüsse auf gewünschte Parameter gezogen werden. Ein speziell hierfür entwickelter Sensor-ASIC regt solche Sensorstoffe mit einer integrierten OLED an und bewertet das emittierende Licht über integrierte Photodioden und Verstärker. Mit einem verfügbaren Evaluation-Kit des Fraunhofer FEP kann u. a. die Sauerstoffkonzentration von Gasen bewertet werden. Der Nutzer hat hierbei viele Freiheitsgrade (z. B. Anregungsfrequenz und -signalform, Performanz der OLED). 

Organische Photodioden (OPD) werden monolithisch und auf Waferlevel auf einer leistungsfähigen CMOS Ausleseschaltung integriert. Der Vorteil gegenüber etablierten Technologien besteht in der Möglichkeit, das spektrale Verhalten auf die Anwendung anzupassen und perspektivisch Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereiches ohne den Einsatz teurer III-V Halbleiter zu detektieren.

Die aktiven Schichten können hierbei durch Verdampfung im Hochvakuum, durch Flüssigprozesse oder durch einen Hybridansatz prozessiert werden. Für die Entwicklung und Evaluierung solcher Schichten bzw. Schichtsysteme bietet das Fraunhofer FEP eine Entwicklungsplattform aus verschiedenen Substraten, Wafer-Layouts und Prozessen an.