So ähnlich muss es auch gewesen sein, als Thomas Alva Edison vor 123 Jahren das erste funzelige Exemplar einer Glühlampe den Besuchern seines Labors vorführte: Die Szene bei dem niederländischen Elektronikkonzern Philips erinnerte an ein Geheimtreffen. Der kleine erlauchte Kreis der Laborbesucher war zum Schweigen verpflichtet. Erst drei Tage später sollte die weltweit angesehene britische Wissenschaftszeitschrift „nature” den neuen Prozess als „revolutionäre Herstelltechnik” erstmals der breiten Öffentlichkeit präsentieren. Dann zeigten die Wissenschaftler vom Philips-Forschungszentrum in Eindhoven ihr Meisterstück: Ein Flüssigkristall-Display, kaum größer als eine Visitenkarte. Hellgrau in Schwarz erschien im Rhythmus der Stromschaltung das Logo des Elektronikkonzerns auf der Kunststoffscheibe. An einigen Ecken störten deutliche Fehlstellen das Bild ein wenig. Doch es ging hier nicht um Perfektion, sondern darum, das Prinzip zu demonstrieren: Der Prozess der photoverstärkten Schichtenbildung funktionierte. Auch wenn der graue Schimmer des kleinen Bildschirms im Zeitalter von Farbfernsehen und Großbildwänden ziemlich unscheinbar wirkte – der Erfolg ermutigte die Philips-Wissenschaftler zu großen Perspektiven: „Mit dieser Technologie können Displays künftig preiswerter und in noch dünnerer Ausführung produziert werden”, betonte Prof. Hans Hofstraat, Leiter der Abteilung Polymere und Organische Chemie in dem Eindhovener Forschungszentrum, wo das neue Verfahren entwickelt wurde. Hofstraat zeichnete gleich das Bild einer großen Zukunft mit Tapeten aus riesigen ultradünnen Displays und allgegenwärtigen Computern: „Damit ist auch die Herstellung großer Anzeigen auf Wänden oder die Integration flexibler Displays in Bekleidung möglich.” Darum geht es. „ Computer überall” lautet die Vision der Elektronik-Auguren, umschrieben mit dem schwierigen Wort „ubiquitär”. Das ist der Traum der „Nachfahren” von Bill Gates, der mit seiner Vision vom Computer auf jedem Schreibtisch innerhalb von 20 Jahren zum reichsten Mann und zu einem der umstrittensten Unternehmer der Welt wurde. Die heutigen Computer-Visionäre meinen wirklich überall: in der Schuhsohle wie in der Armbanduhr, in der Kreditkarte wie im Hemd oder Anzug, im Notizbuch wie in der Tiefkühltruhe. Technisch scheint dieser Traum realisierbar zu sein, denn die Bausteine der Computer sind inzwischen so winzig, leistungsfähig und preiswert, dass sie durchaus zum Beispiel einer Cola-Dose zu „Intelligenz” verhelfen könnten – etwa um die Temperatur des Inhalts zu überwachen oder um eine Kommunikation mit der Registrierkasse im Supermarkt zu ermöglichen. Wäre da nicht das Problem, dass Computer vor allem technische Helfer des Menschen sein sollen. Das heißt aber, sie müssen sich nicht nur der Ladenkasse, sondern auch dem Menschen verständlich machen. Und das geht am besten mit einer optischen Anzeige, denn das Gequäke von unzähligen Geräten wäre unerträglich. Damit werden kleine, unempfindliche und preiswerte Displays zur Schlüsseltechnik für „Ubiquitous Computing” – das nächste Kapitel des elektronischen Traums. Deshalb suchen Forscher in aller Welt nach neuen Technologien für Computerdisplays, die sich wirklich überall einsetzen lassen. Alle Computerbildschirme von heute sind dafür zu klobig, zu teuer und zu zerbrechlich. Niemand möchte ständig einen sperrigen Monitor mit sich herumtragen, um sein Notizbuch zu verstehen. Kleinere Displays, etwa LCD-Bildschirme, sind schon bei Notebook-PCs und Handheld-Computern (PDAs) mit Abstand die teuersten Bauteile. Und einen kräftigen Stoß, wie er im Alltag immer mal vorkommen kann, halten sie alle nicht aus. Dafür gibt es zwei Gründe: Die Displays sind zerbrechlich, weil sie Glas als Werkstoff verwenden, und sie sind teuer, weil es kompliziert und zeitaufwändig ist, sie herzustellen. Zu empfindlich und zu teuer für die Überall-Computer – dieses Urteil über heute gebräuchliche Displays haben die Elektronik-Experten schon vor langem gefällt. Als ideales Vorbild für die Displays der Zukunft haben sie ausgerechnet einen Informationsträger entdeckt, den nicht wenige Wissenschaftler noch vor einigen Jahren zum Auslaufmodell erklärt hatten: das Papier. Doch Papier ist preiswert, in großen Flächen und Mengen herstellbar, und es ist seit Gutenberg durch viele verschiedene Druckverfahren schnell und billig mit Informationen zu versehen. Jeder Zeitungsleser profitiert davon täglich. Für die Elektronik gilt es jetzt, die Vorteile des Papiers mit den Vorteilen elektronischer Bildschirme zu vereinen: „Elektronisches Papier” spukt den Forschern seit Jahren in den Köpfen herum. Einfach und preiswert zu produzieren soll es sein, unempfindlich, faltbar, leicht zu transportieren – und zugleich als Computerbildschirm den heutigen Monitoren qualitativ ebenbürtig. Tatsächlich konkurrieren bereits mehrere Firmen in den USA darum, als erste elektronisches Papier auf den Markt zu bringen. Zum Teil benutzen sie abenteuerliche Konstruktionen. Beispielsweise werden die Tintenpigmente durch mikrometerkleine, halb schwarz, halb weiß gefärbte Kügelchen ersetzt, die sich in einem elektrischen Feld drehen und dem Betrachter einmal ihre schwarze, einmal ihre weiße Seite zeigen. Das Ganze könnte eine etwas dickere Plastikfolie ergeben, die man falzen oder zusammenrollen kann, und die schwarz-weiß die Informationen des Computers wiedergibt. Trotz der geringen Auflösung und der teuren Technik stehen die Marktchancen nicht schlecht: Supermärkte und Kaufhäuser warten auf eine Möglichkeit, ihre Preisankündigungen an den Verkaufsregalen in Sekundenschnelle einfach per Computerbefehl an die aktuelle Marktlage anpassen zu können. In Europa gehen die Elektronikentwickler einen anderen Weg als ihre Kollegen in den USA. Sie versuchen nicht, dem Papier neue elektronische Fähigkeiten beizubringen, sondern sie wollen den erprobten Displaytechniken unerwünschte Eigenschaften abgewöhnen. Im Vordergrund stehen dabei Technologien wie LED-Bildschirme (LED: Licht-Emittierende Dioden) und Flüssigkristall-Displays (LCD: Liquid Crystal Display). Bei den LEDs senden Halbleiter-Dioden für jeden Bildpunkt, der von der Elektronik angesteuert wird, Licht einer bestimmten Wellenlänge aus – und damit einer bestimmten Farbe. Die Flüssigkristall-Technik dagegen ist eine passive Anzeige: Genutzt wird Umgebungslicht oder eine unabhängige Hintergrundbeleuchtung. An den angesteuerten Bildpunkten wird die Polarisationsebene des Lichts so gedreht, dass ein Polarisationsfilter es durchlässt (siehe „Das Einmaleins der flachen Schirme” auf Seite 105). Die Folge: Ein heller Punkt erscheint. LCD-Displays sind heute in Millionen Notebooks und Flachbildschirmen zu finden. Vorteil der LEDs ist ihre hohe Leuchtkraft, da sie selbst Licht aussenden und nicht umständlich beleuchtet werden müssen. Ihr Nachteil ist ihre begrenzte Farbfähigkeit, da es erst vor kurzem gelang, Leuchtdioden für die Farbe blau zu entwickeln. Größter Pluspunkt für die LCDs ist sicherlich, dass sie sich bereits millionenfach bewährt haben, Nachteile sind die hohen Produktionskosten und der größere Stromverbrauch durch die Zusatzbeleuchtung. Die LED-Technik scheint prädestiniert zu sein für den Siegeszug der flexiblen Displays. Seit elektrisch leitfähige Kunststoffe zur industriellen Reife entwickelt wurden, gelingt es auch, Leuchtdioden aus Kunststoff herzustellen. „Bei der Entwicklung von Displays, die man zusammenrollen und in die Tasche stecken könnte, setzen sehr viele Hersteller auf Organische Leuchtdioden, kurz OLEDs”, berichtet Dr. Armin Wedel vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Golm bei Potsdam. Doch sobald elektrischer Strom durch die halbleitenden Kunststoffe fließt, reagieren sie mit dem Sauerstoff der Luft – Displays aus OLEDs haben daher nur eine kurze Lebensdauer. Die einzige Lösung ist bisher, die Kunststoff-Dioden zwischen Glasplatten einzuschweißen. Aber damit ist das Display wieder starr und bruchempfindlich. Die Forscher des Golmer Instituts hoffen jetzt, dass es ihnen gelingt, OLED-Displays in PET-Kunststoff zu verpacken, wie er beispielsweise von Getränkeflaschen bekannt ist. Er ist widerstandsfähig und gasdicht, allerdings ziemlich starr, wie erste Probestücke des Fraunhofer-Instituts zeigen, die im Juni bei der internationalen Fachmesse Optatec in Frankfurt am Main erstmals öffentlich präsentiert wurden. Immerhin sind sie nicht mehr zerbrechlich. Die Fraunhofer-Wissenschaftler planen jetzt, in einem Forschungsverbund mit der Technischen Universität Braunschweig und den beiden OLED-Herstellern Applied Films und Optrex die Organischen Leuchtdioden zur Serienreife weiterzuentwickeln. Während für die Herstellung von LED-Displays aus Kunststoff zum Teil schon Pilotanlagen in Betrieb genommen werden, gibt es von flexiblen Flüssigkristall- Anzeigen bisher nur einzelne Muster in Forschungslabors. Hier ist das Problem nicht das verwendete Material, sondern die erforderliche hohe Präzision bei der Herstellung der Displays. Flüssigkristalle sind flexibel und unempfindlich, auch Polarisationsfilter sind als dünne Folien längst in Gebrauch. Aber es geht darum, die extrem hohe Genauigkeit zu erreichen, die auf Bruchteile der Lichtwellenlänge von einigen hundert Nanometern konstant sein muss. Nur wenn die beiden Glasplatten vor und hinter dem Bildschirm exakt den gleichen Abstand zu den Flüssigkristallen haben, ist sichergestellt, dass diese die Bildpunkte gleichmäßig und farbgetreu darstellen. Glas ist dafür ein idealer Werkstoff, aber eben für flexible Displays ungeeignet. Immerhin haben jetzt Wissenschaftler des Philips-Konzerns auch bei der Flüssigkristall-Technik einen entscheidenden Durchbruch erzielt. Sie verzichten auf Glas und bauen die notwendigen Schichten aus Flüssigkristall, Abstandshaltern und Abdeckplatten aus einem flüssigen Gemisch mithilfe von ultraviolettem Licht auf – ähnlich wie in einem Druckverfahren (siehe Kasten „Flexible Displays wie gedruckt”). Damit wird der Produktionsprozess deutlich preiswerter als bisher, er lässt sich auf nahezu jedem einigermaßen glatten Substrat realisieren, das Display ist hauchdünn und biegsam. Jetzt kommt es darauf an, wie schnell sich die Erfolge im Forschungslabor in serienreife Farbdisplays umsetzen lassen. Unabhängig davon, ob sich letztlich die LED- oder die LCD-Technik durchsetzen wird – die Zeit der Überall-Computer könnte schneller kommen als viele erwarten. Fraunhofer- Pressesprecher Franz Miller schwärmt schon vom Zeitalter der intelligenten Folien: „Smart Foils mit integriertem UMTS-Telefon, Terminplaner und Notebook-Rechner, elektronische Zeitungen, die sich ständig automatisch aktualisieren, Tapeten, die sich plötzlich in Fernsehmonitore verwandeln, und Milchtüten, die selbstständig Nachschub ordern, wenn sie leer sind oder ihr Inhalt ungenießbar geworden ist.” Eine andere denkbare Anwendung seien intelligente Pflaster mit eingebauter Sensorik, die helfen, Medikamente zu dosieren oder Blutparameter zu überwachen. Analysestäbchen könnten Substanzen sekundenschnell erkennen. Intelligente Aufkleber auf Obst und Gemüse könnten künftig anzeigen, wie frisch die Ware ist. Alle warten nur darauf, dass ein Display für den Computer nicht mehr so sperrig ist wie der Monitor auf dem Schreibtisch oder so zerbrechlich wie der Bildschirm des Notebooks. Das Display der Zukunft muss auch die Hosentasche aushalten.
Kompakt
Allgegenwärtige („ubiquitäre”) Computer sollen Schuhsohlen, Armbanduhren und Kühlschränke mit „Intelligenz” ausstatten. Sie sollen mit flexiblen Displays versehen sein. Die Bildschirme könnten etwa aus Organischen Leuchtdioden, Flüssigkristallen oder elektronischem Papier bestehen. Ein wichtiger Schritt ist Forschern bei Philips gelungen: Sie haben ein neues Verfahren entwickelt, um ultradünne LCDs einfach und preiswert herzustellen.
Flexible Displays wie Gedruckt
Das neue preiswerte Produktionsverfahren von Flüssigkristall-Displays, das Wissenschaftler des niederländischen Elektronikkonzerns Philips entwickelt haben, nutzt das Zusammenspiel von ultraviolettem Licht und Kunststoff, um auf einfache Weise komplexe Strukturen aufzubauen. Zunächst wird für die „photoverstärkte Schichtenbildung” auf einem Trägermaterial eine Schicht wie eine Farbe aufgestrichen, die aus einem Gemisch von Flüssigkristall und einem polymerbildenden Material besteht. Nach dem Abdecken mit einer Maske, auf der die gewünschte Struktur des Displays vorgezeichnet ist, wird diese Schicht mit UV-Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Dadurch trennt sich das Gemisch in einen Flüssigkristall-Teil und einen Polymer-Teil, der durch das ultraviolette Licht aushärtet, sodass feste Wände entstehen. Dann wird die komplette Schicht bestrahlt, damit über der ganzen Fläche eine Deckschicht aus Kunststoff aushärtet. Die Flüssigkristalle sind in kleinen, exakt dimensionierten Kammern zwischen dem Polymer eingeschlossen. Eine Polarisationsschicht aus Lack oder einer Kunststofffolie wird zusätzlich aufgebracht. Das Verfahren ähnelt herkömmlichen Druckverfahren mit einigen Zwischenschritten. Es eignet sich voraussichtlich zur schnellen und preiswerten Massenproduktion von Flüssigkristall-Displays auch auf großen Flächen. Und es kommt dem Ziel der Produktionstechniker entgegen, ein „ Rolle-zu-Rolle”-Verfahren zu finden, das eine Produktion mit hohem Durchsatz erlauben würde. Das Prinzip dabei: Die Displays laufen auf einer Endlosfolie durch die einzelnen Herstellschritte und werden danach wieder aufgerollt. Diese Rolle wird an weiteren Stationen erneut bearbeitet, bis alle benötigten Schichten aufgebracht und die Displays in beliebiger Form und Größe produziert sind.
Reiner Korbmann
