Количество приложений для плоских экранов постоянно увеличивается. От миниатюрных дисплеев в смарт-часах и очках виртуальной реальности, через дисплеи стандартных размеров в смартфонах и операторских панелях в автомобилях, до широкоформатных экранов телевизоров и рекламных щитов. В результате их технология развивается во многих направлениях. Одно из наиболее перспективных ее направлений основано на использовании микросветодиодов. Это не новая идея, но усилия по ее реализации только сейчас активизируются.
Первый экран microLED был представлен Sony только в 2012 году. Это был прототип 55-дюймового телевизора с 6 миллионами светодиодов. И хотя компания объявила о коммерциализации этой модели десять лет назад, технологические проблемы и высокая стоимость производства пока не позволили этому произойти. Однако это не означает, что индустрия плоских дисплеев потеряла интерес к технологии microLED. Напротив, ее внедрение в массовое производство сейчас ближе, чем когда-либо. Над ним работают крупнейшие компании в области электроники и технологий, такие как Apple, Facebook, Samsung и Toshiba.
Дорогие прототипы
О постоянном интересе к этой технологии на протяжении многих лет свидетельствуют последующие демонстрационные версии телевизоров microLED. Такие производители хвастались по случаю торговых ярмарок в 2018–2019 гг. Примером может служить сериал The Wall от Samsung. В нем доступны три модели: 89, 101 и 110 дюймов. К сожалению, их ценовой диапазон составляет от 80 000 до 155 000 долларов за самый маленький и самый большой телевизор соответственно.
Конечно, поскольку их стоимость превышает возможности среднего потребителя, производитель не слишком рассчитывает на их распространение. Чтобы microLED-телевизоры достигли пресловутых соломенных крыш, их цена должна упасть как минимум в 20–30 раз, а желательно примерно до 3000 долларов за штуку.
Однако, чтобы предложить доступные экраны больших размеров, производителям еще предстоит преодолеть множество технологических трудностей и снизить себестоимость производства, что отражается на конечной цене дисплея. Многочисленные преимущества дисплеев microLED по сравнению с конкурирующими технологиями LED и OLED стимулируют работу в этом направлении.
Что отличает микросветодиоды
Светоизлучающие диоды примерно в 100 раз меньше обычных светодиодов – размер одного микродиода не превышает 100 мкм (обычно менее 50 мкм). Однако работают они одинаково – под действием тока соответствующего напряжения электроны и дырки в p-n переходе рекомбинируют, что сопровождается испусканием фотонов.
Цвет света (длина волны света) зависит от разницы энергетических уровней в зоне проводимости и валентной зоне данного полупроводникового материала. Например, красные светодиоды сделаны из AlInGaP, зеленые и синие из InGaN.
Светодиоды являются источниками света прямого излучения, но синие светодиоды и люминофор используются для получения белого света. Так делают белые диоды в лампочках, уличных фонарях или автомобильных фарах. Большинство светодиодов изготавливаются на сапфировых подложках толщиной 100 и 150 мм. Это дискретные компоненты, размещенные в герметичных корпусах.
И именно в этом последнем аспекте микросветодиоды существенно отличаются от «обычных» светодиодов. Вместо того, чтобы размещаться отдельно в корпусе, они выполнены в виде матрицы. Это имеет последствия. Налагая чрезвычайно жесткие требования на стадии производства, эта разница делает светоизлучающие диоды очень сложными и дорогими в производстве.
Многочисленные проблемы возникают практически на всех этапах производства, начиная с формирования эпитаксиального слоя в процессе MOCVD (металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы). На этом этапе крайне важно как можно точнее контролировать его толщину, состав и напряжения и ограничивать появление дефектов в кристаллической решетке.
Это имеет решающее значение для достижения необходимой однородности длины волны и квантовой эффективности для микро-светодиодов, которые не упакованы по отдельности. Фотолитография, травление и пассивация также требуют высокой точности. Затем тысячи микросветодиодов переносятся на носитель (интерпозер) или непосредственно на монтажную пластину дисплея.
В этом отношении тестируются различные методы массового транспорта микросветодиодов. Проверяется их точность и эффективность, которая должна быть как можно выше, чтобы перейти к рентабельному массовому производству. Еще одной проблемой являются ограничения методов тестирования, которые не подходят для контроля качества структур с размерами и плотностью упаковки, характерными для микросветодиодов.
Преимущество микросветодиодов
Как и светодиоды, микросветодиоды могут быть сконфигурированы так, чтобы излучать свет одного цвета, а также в виде набора из трех т.н. субпикселей в основных цветах, то есть RGB. Среди целевых продуктов в этой технологии можно выделить три категории: микродисплеи и дисплеи среднего и большого размера.
Средние и большие дисплеи µLED будут хорошо работать в часах, смартфонах, планшетах, автомобильных фарах и телевизорах. Наиболее перспективным применением микродисплеев являются очки дополненной реальности.
При этом основной причиной их изготовления по технологии µLED является то, что она может обеспечить требуемую большую яркость, до ста раз, по сравнению с другими типами дисплеев. Например, OLED-дисплеи обычно обеспечивают яркость 1000 нит, тогда как для технологии дополненной реальности требуется не менее 100 000 нит.
Важнейшей причиной интереса производителей microLED-телевизоров является лучшее качество изображения по сравнению с ЖК- и OLED-экранами. В целом дисплеи microLED отличаются, такими параметрами как:
- более высокая плотность пикселей;
- лучшая контрастность;
- более высокое разрешение и частота обновления, как для маленьких, так и для очень больших экранов;
- высокая яркость при прямом солнечном свете;
- более широкий угол обзора и более короткое (наносекундное) время отклика, что имеет решающее значение для мобильных устройств и дисплеев очков.
Они также будут потреблять меньше энергии, чем OLED- и ЖК-экраны и характеризуются более длительным сроком службы по сравнению с OLED-дисплеями. Немаловажно и то, что в отличие от LCD и OLED-экранов, изготавливаемых на больших подложках, на которых все слои наносятся друг на друга, microLED-дисплеи бесшовно собираются из небольших модулей. Это облегчит их масштабируемость.
Что принесет будущее
Потенциал технологии microLED огромен, например, по данным Omdia, объем рынка дисплеев µLED в 2025 году составит 5 миллионов единиц. А в 2027 году увеличится до более чем 11 миллиардов единиц. Таким образом, аналитики убеждены, что производители microLED будут способны быстро их коммерциализировать.
Появление 110-дюймового телевизора Samsung с технологией microLED считалось прорывным моментом, укрепившим позиции этой технологии в сегменте плоских панелей. Именно тогда все, от инженеров до инвесторов, поняли, что эта технология — реальная сделка и не должна оставаться просто диковинкой. Ожидается, что непомерно высокая в настоящее время цена на µLED-телевизоры, как обычно для бытовой электроники, будет быстро падать из-за эффекта масштаба.
Читайте также: Светодиоды четвертого поколения: сильные и слабые стороны
