Flexible electronicsImage sensors and vision systems

5 min

Wordt je autoraam een beeldscherm? Dankzij deze OLED-innovaties misschien wel

OLED-schermen hebben veel voordelen – zoals hoog contrast, excellente beeldkwaliteit en de mogelijkheid om grote, zelfs plooibare oppervlakken te maken – maar er zijn nog kinderziektes die onderzoekers wereldwijd proberen op te lossen. Zo ook imec- en Holst Centre-onderzoekers. Lynn Verschueren en Pawel Malinowski vertellen hoe twee nieuwe resultaten de resolutie van AMOLED-schermen drastisch verbeteren, tot 10x!  

Scroll

Een oprolbare tv?

Op de Consumer Electronics Show toonde LG begin dit jaar een OLED-tv die automatisch ‘wegrolt’ in een kleine lade. Zoals je vroeger je projectiescherm uitrolde om naar je vakantie-dia’s te kijken, hebben we binnenkort dus een ‘rolletje tv’ in de hoek van de kamer staan. En al lijkt dit science fiction, OLED-schermen gebruiken we al allemaal. Als beeldscherm in digitale camera’s bijvoorbeeld, en ook in een groot aantal smartphones. Enkele high-end tv’s maken al gebruik van OLED-technologie. 

De grote voordelen van (AM)OLED-beeldschermen zijn het grote contrast, een grotere kijkhoek, een hogere helderheid, het feit dat ze heel dun en heel groot kunnen gemaakt worden, het feit dat ze op eender welk substraat kunnen gemaakt worden (zelfs plooibare substraten). 

OLED versus AMOLED

OLED-beeldschermen bestaan uit dunne laagjes organische materialen die licht uitzenden wanneer je er stroom doorstuurt. Het aansturen van de pixels (met stroom) kan met behulp van een passieve of actieve matrix. 

Bij een passieve matrix worden de pixels elektrisch geactiveerd door een uitgekiende aansturing van bepaalde rijen en kolommen in een rooster. 

Bij een actieve matrix wordt elk pixel voorzien van zijn stukje elektronica, namelijk enkele dunnefilmtransistoren die zorgen voor de aansturing en de juiste werking van de pixel. Een AMOLED (actieve matrix OLED)-beeldscherm heeft als voordeel dat het een hogere refresh rate heeft, energiezuiniger is en nauwkeuriger werkt. 

Te lage resolutie voor virtual reality

Maar het is niet allemaal rozengeur en maneschijn. Er zijn nog heel wat problemen die moeten opgelost worden vooraleer andere toepassingen dan camera- en smartphone-schermen betrouwbaar en betaalbaar zijn. 

Zo is er het probleem van ‘burn-in’ of het zogenaamde inbranden van pixels. Pixels degraderen doordat er stroom wordt doorgestuurd. En wanneer bepaalde pixels meer gebruikt worden dan andere (bv. een logo dat constant zichtbaar is tijdens de film), zullen die meer degraderen dan de omliggende pixels. Dat wordt dan zichtbaar als pixels die minder licht geven. Met andere woorden, als je van zender zou wisselen na het kijken van een lange film, zou het logo van de vorige zender nog lichtjes zichtbaar kunnen zijn.

Een andere reden waarom bepaalde pixels minder licht geven is door de inherente variatie die er bestaat tussen alle OLEDs in een scherm, en alle dunnefilmtransistoren die de OLEDs aansturen, zelfs nog voor ze een seconde gewerkt hebben. Dit is eigen aan de technologie, maar kan perfect gecompenseerd worden door meer of minder stroom door de OLEDs te sturen zodat ze allemaal evenveel licht uitzenden. In AMOLEDs worden typisch zo’n 6 tot 8 transistoren per pixel gebruikt voor de aansturing en compensatie.

De pixels in AMOLED-schermen zijn te groot voor bepaalde toepassingen. Bijvoorbeeld voor een augmented reality en virtual reality bril waar informatie heel dicht bij het oog geprojecteerd wordt. Hoe dichter het scherm bij het oog, hoe kleiner de pixels zodat het oog geen individuele pixels kan zien. Ook voor augmented reality toepassingen zoals een autoraam met extra info, is de resolutie nog niet voldoende. En grote tv-schermen met hogere resolutie zijn natuurlijk ook altijd meer dan welkom. 

Twee recente resultaten van imec en Holst Centre zijn alvast een stap in de goede richting:  

Minder transistoren = kleinere pixels

Zoals eerder vermeld worden in AMOLED-schermen typisch 6 tot 8 dunnefilmtransistoren gebruikt per pixel, voor de aansturing en compensatie van de inherente variatie en het inbranden. Door minder transistoren te gebruiken, kan de pixel kleiner gemaakt worden, en wordt de resolutie dus hoger.

Imec en Holst Centre ontwikkelden een compensatieschema dat slechts drie transistoren nodig heeft voor aansturing en compensatie van een pixel. De compensatietechniek gebeurt door standaard silicium-elektronica die zich buiten het pixel bevindt en niet met de in-pixel dunnefilm-elektronica. Zulke silicium chips sturen vandaag de schermen reeds aan en zijn uiterst betrouwbaar, snel en verbruiken weinig vermogen. Om de zoveel tijd worden metingen gedaan op basis van de 3 dunnefilm-transistoren en wordt een kalibratiecyclus uitgevoerd om per pixel te bepalen wat de juiste spanning is om de gewenste hoeveelheid licht uit te sturen. Deze kalibratietechniek bleek uiterst effectief: de variatie tussen de OLEDs in het scherm kon teruggebracht worden van 23% naar 0,56%. 

Afkijken bij de chipexperten

OLED-pixels worden typisch gemaakt door het opdampen van organische moleculen, in dunne laagjes op elkaar, doorheen een metalen masker voor het aflijnen van de pixels. Imec, dat van oorsprong gespecialiseerd is in onderzoek naar elektronische chips, heeft veel ervaring met lithografie om ultrafijne structuren te maken voor de opbouw van chips. 

Deze techniek – fotolithografie – wordt nu ook aangepast om er AMOLED-pixels mee te maken, die veel kleiner kunnen gemaakt worden dan met de standaard opdampingstechniek. Natuurlijk moesten de materialen, zoals de fotoresist, geoptimaliseerd worden voor deze toepassing. Recent maakten de onderzoekers een prototype (passief) OLED-scherm met een resolutie van 1250 ppi, of pixels per inch (ter vergelijking: een tv heeft typisch een resolutie van 100 ppi). En de verwachting is dat de resolutie dankzij fotolithografie nog verder zal kunnen verbeterd worden tot 3000 en zelfs 6000 ppi om zo augmented reality toepassingen mogelijk te kunnen maken.

 

Meer weten?

  • Voor meer technische info over het compensatiecircuit kan je hier de paper “40x current variation reduction enabled by an external VT-compensation scheme for AMOLED displays using a 3T2C-pixel circuit with dual gate TFTs” aanvragen. De paper is beschikbaar vanaf 22 mei. 
  • Voor meer technische info over het fotolithografie-onderzoek kan je het artikel “High resolution photolithography for direct view active matrix organic light‐emitting diode augmented reality displays” opvragen dat als distinghuished paper verscheen in JSID journal. Dit werk werd gepubliceerd door o.a. Pawel Malinowski en collega TungHuei Ke (Senior Researcher verantwoordelijk voor de OLED-ontwikkeling). De paper is beschikbaar vanaf 22 mei. 

Biografie of Lynn Verschueren

Lynn Verschueren received her MSc in Nanoscience, Nanotechnology and Nanoengineering, focusing on Nanoelectronic Design, from KU Leuven, Belgium, in 2016. Since then, she has been working towards a PhD degree in Electrical Engineering in imec’s Large Area Electronics department. Lynn’s doctorate studies focus on design, driving and calibration for high-resolution displays.

 

Biografie of Pawel Malinowski

Pawel E. Malinowski gained his MSc in electronics and telecommunications (thesis on the design of radiation-tolerant integrated circuits) from the Lodz University of Technology, Poland, in 2006. In 2011, he was awarded his PhD in electrical engineering from the KU Leuven, Belgium (thesis on III-nitride-based imagers for space applications).
Since 2011, he has been working as a senior researcher and project manager in the Large Area Electronics Department at imec, where he focuses on thin-film image sensors and on high-resolution OLED displays. From 2006 to 2011, he was a PhD Researcher at imec, Leuven, Belgium, working on AlGaN photodetectors and imagers for space applications. Pawel has authored or coauthored more than 30 publications. He was a recipient of the International Display Workshops Best Paper Award in 2014.

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement.

Accepteer cookies