MicroLED – насколько перспективна новая технология

Улучшение качества отображаемой различными электронными устройствами (смартфонами, телевизорами, мониторами, «умными часами» и проч.) информации – процесс постоянный не только потому, что производители жаждут осчастливить потенциальных покупателей отличным изображением. Дело в том, что экран (его размер, характеристики) современного смартфона или какого другого гаджета – один из наиболее сильных аргументов в борьбе за покупателя. Сегодня речь пойдет об одной перспективной и многообещающей технологии. Итак, встречайте, MicroLED – что это, что она может, какие у нее перспективы. Разберемся?

Суть технологии

Принцип работы MicroLED во многом сходен с технологией OLED, но есть и различия. Хотя обе технологии обходятся без подсветки, которая обычно присутствует в других вариантах экранов на жидких кристаллах, MicroLED использует неорганические светодиоды на основе нитрида галлия.

Сами эти светодиоды очень малы, их размер не превышает 10 мкм. При этом каждый из них излучает монохроматический цвет, при этом для получения 3-х основных цветов используются обычные светофильтры. Тройка таких светодиодов образует пиксель, оттенок свечения которого зависит от интенсивности свечения каждого светодиода. Управляются они транзисторами, примерно так же, как это сделано в остальных LCD матрицах.

MicroLED экраны могут обеспечить высокую контрастность изображения, высокую яркость, широкий цветовой охват, отличные углы обзора. При этом к уровню черного претензий быть не может, т. к. в этом случае все светодиоды выключены, а никакой подсветки нет. При этом обещается еще и серьезное снижение потребления энергии.

Кто заинтересован в этой технологии

Трудно сейчас дизайнерам проявить себя, если учесть, что используемый в устройстве дисплей упорно стремится занять всю лицевую поверхность, не оставляя почти никакого шанса на индивидуализацию гаджета. Поэтому не сильно удивляет, что одной из наиболее активно работающей над использованием технологии MicroLED является компания Apple.

Представленный буквально на днях новейший iPhone X – первая модель компании, обзаведшаяся OLED-дисплеем. Как и следовало ожидать, этот факт должен обеспечить соответствующее впечатление. Но вот если акцентировать внимание не на слове «OLED-дисплей», а на фразе «первая модель КОМПАНИИ», то окажется, что Apple не первая, кто использовала матрицу такого типа, т. к. конкуренты уже имеют модели с экранами OLED. А это снижает «ВАУ-эффект» уже до просто «вау-эффекта».

Быть лидером сложно, еще сложнее быть им постоянно. Посему надо смотреть дальше и действовать активнее. Впрочем, в этом компанию из Купертино упрекнуть сложно. Apple всегда славилась своей тягой к приобретению различных патентов, вот и что касается предмета сегодняшнего разговора, то крупнейший патентный пакет, связанный с технологией MicroLED, принадлежит вы уже догадываетесь кому.

Много разговоров было и по поводу покупки у компании Maxim в конце 2015-го фабрики по производству чипов. Это довольно старое уже производство, работающее на пластинах диаметром 200 мм и по техпроцессу 90 нм. Для серьезного промышленного производства оно мало подходит, но вот для разработок, прототипирования, выпуска пилотных или мелких партий изделий вполне годится. Связано ли это с изысканиями по теме MicroLED – неизвестно. Apple, как обычно, ничего не говорит.

Еще раньше, в 2014-м, Apple купила стартап Luxvue, занимавшийся разработкой энергоэффективных дисплеев для бытовой электроники на базе технологии MicroLED. Все это порождает множество слухов по поводу того, когда же мы увидим такие экраны в продукции этого гиганта. Ожидается, что в 2018-м году очередное поколение Apple Watch будет именно с таким дисплеем.

Впрочем, калифорнийская компания не едина в своем интересе к перспективной технологии. Так, недавно Google стал совладельцем шведской компании Glo, входящей в состав Лундского университета и занимающейся в том числе разработкой LED-источников света на основе нанотехнологий.

Заинтересован в новой технологии и Facebook. Подконтрольная ему компания Oculus примерно год назад приобрела стартап InfiniLED, вышедший в 2011-м году из состава исследовательской лаборатории национального научно-исследовательского института им. Тиндаля (Tyndall National Institute) в Ирландии. Стартап занимается разработкой технологии производства дисплеев на неорганических материалах ILED (Inorganic LED Display).

Было бы странно не видеть среди активно интересующихся перспективными решениями китайцев. Так, Foxconn через контролируемую ими компанию Sharp приобрели часть акций американского стартапа eLux, занимающегося разработкой использования MicroLED в устройствах виртуальной и дополненной реальности. Среди наиболее интересующихся темой также компания Huawei, занимающаяся разработками по этой теме, и целый ряд других.

Существующие проблемы

Как часто случается, если с теоретическим обоснованием, и даже с действующими прототипами все хорошо, то с промышленным производством дисплеев, выполненных по технологии MicroLED пока что все не так радужно.

Проблема кроется в размерах светодиодов. По сравнению с другими, более «классическими» технологиями типа IPS и т. п., требуется переоборудование фабрик, установка нового оборудования, обеспечение более высокой степени чистоты в цехах, использование литографических процессов с более высоким разрешением. В данном случае было бы выгоднее использовать не фабрики, производящие дисплейные матрицы, а производства, выпускающие микросхемы, например, TSMC.

Есть ряд технологических проблем, которые необходимо решить. Вот одна из них. При изготовлении LED-элемента (светодиода), который имеет размеры примерно 250х250 мкм, по его краям образуется небольшая, примерно 1-2 мкм шириной, неиспользуемая зона. Т. е. светодиод собственно занимает примерно 97% выделенного ему на подложке места. Это не является дефектом и считается нормой.

В случае же с MicroLED, размер излучающего элемента которого составляет 5х5 мкм, при сохранении такого же размера этой неиспользуемой зоны означает, что сам светодиод будет иметь размер 1х1 мкм, т. е. занимать около 4% площади кристалла. А вот это уже недопустимо. Для решения проблемы необходимо внести изменения как в саму технологию, так и в процесс производства.

Например, компания Glo разрабатывает направление производства нанопроволоки. В сходном направлении работает компания Aledia, занимающаяся разработкой и производством уникальной 3D-структуры, представляющей собой микропроволоку, содержащую светодиоды из нитрида галлия (GaN) на кремнии. Причем используются стандартные кремниевые пластины диаметром 200 мм, а работы производятся на обычном оборудовании и с материалами, применяемыми при изготовлении обычных микросхем по CMOS-технологии.

Именно выращивание нужных структур, в данном случае светодиодов непосредственно на кремниевой подложке, как это происходит в обычном производстве чипов, может оказаться весьма перспективным решением.

Интересно оно и еще по одной причине. Существует очередная проблема, а именно – размещение светодиодов на подложке матрицы будущего дисплея. Учитывая размер элементов, процесс установки их (а количество таковых может составлять сотни тысяч и миллионы) на 6-дюймовый экран может занимать до 4-х дней. Понятно, что это не улучшает ни стоимость, ни время изготовления конечного продукта.

Несколько компаний занимаются решением этой проблемы. Один из вариантов – выращивание светодиодов на кремниевой, а не полимерной или стеклянной, подложке будущего дисплея. Суть заключает в том, что вместо того, чтобы вырезать и переносить каждый светодиод, можно выращивать их на этих подложках, например, размером в 1 дюйм, вырезать их и формировать из них весь дисплей.

В качестве альтернативы, вместо того, чтобы собирать и соединять части будущего дисплея, можно выращивать управляющие элементы непосредственно на подложке. Разработкой этого метода занимается компания Lumiode.

В то же время и здесь есть проблема. Эта методика хорошо работает с маленькими дисплеями с большой плотностью расположения элементов – от 2000 PPI и выше. Например, это микродисплеи для устройств виртуальной или дополненной реальности и т. п. В случае более крупных экранов, например, для мониторов, телевизоров и т. п., возникает другая сложность.

Если экран велик, а плотность размещения пикселей, наоборот, мала, то получается следующая картина. Микросветодиод размером 5х5 мкм может размещаться на площади в 100х100 мкм. Иными словами, порядка 99 с лишним процентов поверхности недешевой кремниевой пластины пропадает впустую. Для таких устройств больше подходит технология размещения светодиодов «по одному» непосредственно на подложку дисплея.

Следующая проблема – разработка методов тестирования на всех этапах производства и сборки, а также ремонт. Дело в том, что существующие технологии производства дисплеев достигли практически 100-процентного отсутствия дефектных пикселей, а вот MicroLED еще только предстоит достигнуть таких результатов.

Дело осложняется тем, что размеры излучающих элементов весьма малы. Даже если принять, что на этапе производства достигнут результат в 99.9% работоспособных светодиодов, при сборке также обеспечивается 99.9% отсутствия дефектов в размещении и соединении светодиодов, то, если помножить эти величины и принять во внимание количество их размещения при плотности в 2000 PPI, результат окажется не так хорош.

Решением этой проблемы также активно занимаются различные компании.

Перспективы

И все же преграды постепенно преодолеваются. Занимаются темой MicroLED не только Apple, Google, Facebook, но много других компаний, стартапов, исследовательских институтов. Существующие проблемы достаточно сложны, и от их решения зависит будущее технологии. Вполне возможно, что она окажется тупиковой ветвью, есть и такой риск.

Буквально на днях появилась информация, что тайваньская компания PlayNitride готова начать пробное производство дисплеев на базе технологии MicroLED к концу этого года. Ими разработана методика переноса микросветодиодов на подложку, позволяющая на 99% сократить время этого процесса. Так, для размещения 200000 LED требуется примерно 10 секунд, т. е. для производства 5-дюймового экрана требуется около 10 минут.

При этом плотность размещения пикселей составляет 1500 PPI, что существенно больше 400 (или чуть более) PPI, которые имеют современные дисплеи, выполненные по другой технологии. Беда в том, что стоимость такого экрана составляет порядка 300 $, при том, что стоимость AMOLED – 70-80 $.

Тем не менее, наиболее реальным кандидатом на внедрение дисплеев MicroLED являются гаджеты типа умных часов или очки виртуальной реальности. Вполне возможно, что именно в этих областях данная технология сможет раскрыться во всей красе, потеснив OLED, дисплеи на квантовых точках и другие. Хотя полностью вытеснить их вряд ли получится.

Есть более дальние перспективы, которые позволят наносить такие дисплеи на самые разные поверхности, внедрять их в самые разные предметы, вплоть до одежды. Фантастика? Сейчас – да, а завтра?

Источники: www.eetimes.com, www.flatpanelshd.com, microled-info.com, www.patentlyapple.com