Technologia microLED - potencjał i trudności

Koncepcję microLED-ów opracowano już dawno temu, około roku 2000. Na wyświetlacze tego typu trzeba było jednak dość długo czekać – pierwszy ekran microLED został zaprezentowany przez Sony dopiero w 2012 roku. Był to prototyp 55-calowego telewizora z 6 milionami diod LED. I chociaż już dekadę temu firma zapowiadała komercjalizację tego modelu, wyzwania technologiczne i duży koszt produkcji sprawiły, że do tego jeszcze nie doszło. Nie znaczy to jednak, że branża płaskich wyświetlaczy straciła zainteresowanie technologią microLED – wręcz przeciwnie, do jej wdrożenia w produkcji na masową skalę jest obecnie bliżej niż kiedykolwiek. Pracują nad tym największe firmy elektroniczne i technologiczne, jak m.in. Apple, Facebook, Samsung oraz Toshiba.

Drogie prototypy

Niemalejące zainteresowanie tytułową technologią sygnalizowały zresztą przez lata kolejne wersje demonstracyjne telewizorów microLED. Takimi producenci chwalili się przy okazji targów branżowych m.in. w latach 2018–2019. Przykład to seria telewizorów Th e Wall TV firmy Samsung. Są w niej dostępne trzy modele: 89, 101 i 110-calowy. Niestety ich przedział cenowy wynosi 80–155 tysięcy dolarów, odpowiednio za najmniejszy i największy telewizor. Oczywiście, ponieważ ich koszt przekracza możliwości przeciętnego konsumenta, producent nie liczy zbytnio na ich upowszechnienie się. By telewizory microLED mogły trafić pod przysłowiowe strzechy, ich cena musi spaść co najmniej od 20 do 30 razy, a najlepiej do około 3 tysięcy dolarów za sztukę. Nim to nastąpi, szybciej z pewnością możliwa będzie komercjalizacja wyświetlaczy tego typu w rozmiarach wymaganych w okularach VR/ AR i smart-wachach, choć prognozy dla większych ekranów także są pozytywne – przewiduje się, że telewizory, jak Samsunga Th e Wall TV, będą produkowane masowo nawet już w przyszłym roku, a najpóźniej w 2025.

By zaoferować przystępne cenowo ekrany w większych rozmiarach, producenci muszą jednak pokonać jeszcze wiele trudności technologicznych i obniżyć koszt produkcji, który przekłada się na ostateczną cenę wyświetlacza. Liczne zalety wyświetlaczy microLED w porównaniu z konkurencyjnymi technologiami LED oraz OLED zachęcają do prac w tym kierunku.

Co wyróżnia microLED-y?

Microdiody elektroluminescencyjne (microLED, μLED) są około 100 razy mniejsze niż zwykłe diody LED – rozmiar pojedynczej mikrodiody nie przekracza 100 μm (typowo jest to mniej niż 50 μm). Działają jednak w taki sam sposób – pod wpływem prądu o odpowiednim napięciu elektrony oraz dziury w złączu p–n rekombinują, czemu towarzyszy emisja fotonów. Kolor świecenia (długość fali świetlnej) zależy od różnicy poziomów energii w pasmach przewodnictwa oraz walencyjnym danego materiału półprzewodnikowego. Przykładowo z AlInGaP wykonuje się czerwone diody LED, a z InGaN zielone oraz niebieskie. Diody LED to źródła światła o emisji bezpośredniej, ale żeby uzyskać światło białe, wykorzystuje się niebieskie diody oraz luminofor. W ten sposób wykonywane są białe diody w żarówkach, lampach ulicznych czy refl ektorach aut. Większość diod jest wytwarzana na podłożach szafirowych 100 mm i 150 mm. Są to komponenty dyskretne, umieszczane w hermetycznych obudowach.

 

Rys. 1. Porównanie konstrukcji wyświetlaczy LCD, OLED i microLED

I właśnie w tym ostatnim aspekcie microLED-y znacząco różnią się od "zwykłych" LED-ów – zamiast umieszczenia oddzielnie w obudowie są wykonywane w formie matrycy. To ma swoje konsekwencje. Narzucając niezwykle rygorystyczne wymagania na etapie produkcji, różnica ta sprawia, że mikrodiody elektroluminescencyjne są tak bardzo trudne i kosztowne do wykonania.

Liczne wyzwania pojawiają się praktycznie na wszystkich etapach produkcji, począwszy od wytworzenia warstwy epitaksjalnej w procesie MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). W tym kroku kluczowe znaczenie ma jak najściślejsza kontrola jej grubości, składu oraz naprężeń i ograniczenie występowania defektów w sieci krystalicznej. Ma to decydujące znaczenie dla osiągnięcia koniecznych w przypadku micro- LED-ów, które nie są pakowane pojedynczo, jednorodności długości fali i sprawności kwantowej. Fotolitografia, trawienie oraz pasywacja również wymagają dużej precyzji. Następnie liczone w tysiącach mikroLED-y zostają przeniesione na nośnik (interposer) lub bezpośrednio na płytę montażową wyświetlacza. Pod tym kątem testuje się różne techniki masowego transportu diod μLED – sprawdza się przede wszystkim ich dokładność i wydajność, która musi być jak najwyższa, żeby można było przejść na gwarantującą opłacalność produkcję masową. Wyzwaniem są również ograniczenia metod testowania, nieprzystosowanych do kontroli jakości struktur o rozmiarach i zagęszczeniu upakowania specyficznych dla microLED-ów.

 

Rys. 2. Porównanie technologii LCD, OLED i microLED

Przewaga diod μLED

Podobnie jak diody LED microdiody LED można skonfigurować tak, by emitowały światło w jednym kolorze, ale również jako zestaw trzech tzw. subpikseli w kolorach podstawowych, czyli RGB. Wśród produktów docelowych w tej technologii można wyróżnić trzy kategorie: mikrowyświetlacze oraz wyświetlacze średniej i dużej wielkości.

Wyświetlacze μLED średniej oraz dużej wielkości sprawdzą się w zegarkach, smartfonach, tabletach, reflektorach samochodowych oraz telewizorach. Najbardziej perspektywicznym zastosowaniem mikrowyświetlaczy są z kolei okulary rzeczywistości rozszerzonej. W tym przypadku za wykonywaniem ich w technologii μLED przemawia głównie to, że może ona zapewnić wymaganą większą jasność, nawet stukrotnie, w porównaniu z innymi typami wyświetlaczy. Przykładowo wyświetlacze OLED zwykle zapewniają luminancję rzędu 1000 nitów, podczas gdy technologia rzeczywistości rozszerzonej wymaga przynajmniej 100 tys. nitów. Najważniejszym powodem zainteresowania technologią microLED producentów telewizorów jest natomiast lepsza jakość obrazów w porównaniu do ekranów LCD, jak i OLED.

Generalnie wyświetlacze microLED mają się wyróżniać: większą gęstością pikseli, lepszym kontrastem, większą rozdzielczością i częstotliwością odświeżania zarówno dla małych, jak i bardzo dużych ekranów, większą luminancją w bezpośrednim świetle słonecznym, szerszym kątem widzenia i szybszym (nanosekundowym) czasem reakcji, co ma kluczowe znaczenie w przypadku urządzeń przenośnych i wyświetlaczy w okularach. Będą również zużywać mniej energii niż ekrany OLED i LCD. Cechować je ma także dłuższa żywotność w porównaniu z wyświetlaczami OLED. Ważne jest też to, że w przeciwieństwie do ekranów LCD i OLED produkowanych na dużych podłożach, na których wszystkie warstwy są osadzane jedna na drugiej, wyświetlacze microLED są bezszwowo składane z małych modułów. To ułatwi ich skalowalność. W zestawieniu z konkurencyjnymi technologiami wyróżniać je będzie dzięki temu prostsza i cieńsza struktura.

Co przyniesie przyszłość?

Potencjał technologii mikrodiod elektroluminescencyjnych jest ogromny – przykładowo według Omdia wielkość rynku wyświetlaczy μLED wyniesie 5 mln sztuk w 2025 roku i wzrośnie do ponad 11 mld sztuk już w 2027. Analitycy są zatem przekonani, że producentom microLED-ów uda się je szybko skomercjalizować. W powszechnej opinii zaprezentowanie przez Samsunga 110-calowego telewizora microLED było momentem przełomowym, który ugruntował pozycję tej technologii w segmencie płaskich wyświetlaczy. Wówczas wszyscy, od inżynierów po inwestorów, zdali sobie sprawę, że ta technologia to prawdziwa okazja i nie powinna pozostać wyłącznie ciekawostką. Przewiduje się także, że obecnie zaporowa cena telewizorów μLED, jak zwykle w przypadku elektroniki użytkowej, szybko spadnie dzięki ekonomii skali, jak tylko producenci zaczną przechodzić od prototypów do produkcji masowej.

Monika Jaworowska