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DISPLAY backliGHT illumination by femtosecond laser micromachining

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Erleuchtung im Sektor für elektronische Anzeigen dank Laserinnovation

Fortschritte in der hochmodernen Laser-Mikromechanik könnten zur Herstellung effizienterer elektronischer Anzeigen führen und neue Möglichkeiten für 3D-Anzeigekonzepte oder sogar Technologien der erweiterten Realität eröffnen.

Industrielle Technologien

Femtosekunden-Laser senden extrem kurze Lichtimpulse in einer Größenordnung von einem Millionstel eines Milliardstels einer Sekunde aus. Zu ihren wichtigsten Anwendungsbereichen zählt die Mikromechanik – die Herstellung von Strukturen im Mikrometerbereich. „Die extrem kurze Dauer der Impulse bei gleichzeitiger hoher Spitzenintensität ermöglicht eine saubere und präzise Modifikation von Werkstoffen“, erklärt der Projektkoordinator von DISPLAYGHT Roberto Osellame vom italienischen nationalen Forschungsrat (CNR). Ein weiterer spannender Faktor ist ihre Fähigkeit, transparente Materialien wie Glas oder Kristall in 3D zu bearbeiten. Auf diese Weise lassen sich mit Femtosekunden-Lasern photonische Schaltkreise herstellen, d. h. mikrometergroße Kanäle, in denen Licht eingeschlossen bleibt und durch das Glas gelenkt wird. Diese Schaltkreise können in den Flüssigkristallanzeigen verwendet werden, die in Fernsehbildschirmen und anderen elektronischen Anzeigen zum Einsatz kommen. Natürlich ist diese Technik alles andere als simpel. „Sie müssen sich klarmachen, dass ein durchschnittlicher Bildschirm über Millionen Pixel verfügt, die so gleichmäßig wie möglich mit Licht versorgt werden müssen“, so Osellame. „Das stellt eine gewaltige Herausforderung dar. Dafür sind komplexe photonische Schaltkreise mit äußerster Präzision vonnöten.“

Die Gestaltung von 3D-Schaltkreisen

Osellame lernte Jonas Zeuner und Chiara Greganti, die gemeinsam das Start-up-Unternehmen VitreaLab gegründet hatten, im Rahmen eines Forschungsprojekts zu Quantentechnologien kennen. Als Doktorandin und Doktorand stellten die beiden fest, dass bei aktuellen Anzeigetechnologien nur 5 % der erzeugten Lichtleistung beim Betrachtenden ankommen. Ihre Lösung bestand darin, das Licht mit photonischen Schaltkreisen an die richtigen Stellen – die Pixel – zu lenken, damit keine Energie verschwendet wird. „Meine Technologie auf Basis der Femtosekunden-Laser-Mikromechanik schien wie für diese Vorhaben geschaffen“, merkt Osellame an. „Das war der Anstoß für das Projekt DISPLAYGHT.“ DISPLAYGHT zielte darauf ab, die Umsetzbarkeit der Herstellung dieser hochkomplexen Schaltkreisstrukturen sowie der weitgehenden Automatisierung dieses Vorgangs zu demonstrieren, um einen hohen Durchsatz zu erzielen. Diese Fortschritte ermöglichten dem Team, komplexe photonische Schaltkreise zu bauen, die rotes, grünes und blaues Laserlicht zu den Pixeln in einer Anzeige leiten können. Dieses Licht ist unsichtbar, solange es innerhalb des photonischen Schaltkreises bleibt. Wegen der 3D-Fähigkeiten der Technologie kann der Schaltkreis jedoch an der Stelle des Pixels gebogen werden, sodass das Licht dann in die Richtung des oder der Betrachtenden gelenkt wird. Das Projektteam konnte einen Prototyp mit 27 000 Subpixeln in allen drei Farben vorstellen, um wichtige Bedenken von Investierenden auszuräumen – inwiefern die Technologie hochskaliert werden kann. „Dank dieser Erkenntnisse konnten wir unser Patentportfolio außerdem erheblich ausweiten, was weitere Investitionen anziehen sollte“, fügt Zeuner hinzu.

Interesse aus der Industrie

Der Erfolg des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts hat zu einem erheblichen Wachstum von VitreaLab geführt. Das Unternehmen verfügt nun über ein unabhängiges Labor, das mehreren Zielanwendungen gewidmet ist, es konnte sich erhebliche Mengen an Finanzierung sichern und hat starke Beziehungen zu potenzieller Kundschaft aufgebaut. „Es besteht großes Interesse aus der Industrie“, so Zeuner. „Am Anfang des Projekts war unser Ziel, die Verwendung von mit Lasern hergestellten Glasflächen als Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallanzeigen zu ermöglichen. Während des Projekts konnten wir jedoch eine Reihe weiterer Anwendungsbereiche ausmachen. Dazu zählen 3D-Anzeigen und Brillen für die erweiterte Realität.“ Zurzeit werden Prototypen an potenzielle Partnereinrichtungen versandt, deren Feedback zur Bestimmung der zukünftigen Prioritäten beiträgt. Dennoch ist noch weitere Arbeit nötig, bevor die Technologie auf den Markt gebracht werden kann. „Gerade der Übergang zu einer Herstellung mit mehrstrahligen Lasern, was ein wichtiger Schritt in Richtung einer kostengünstigen Herstellung wäre, erfordert noch weitere Entwicklungsarbeit“, merkt Osellame an.

Schlüsselbegriffe

DISPLAYGHT, Laser, Mikromechanik, elektronisch, LCDs, Flüssigkristallanzeigen, Pixel, photonisch, Schaltkreise

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26 Januar 2021