MicroLED-дисплеи: технология XXI века

Аббревиатура LED расшифровывается как «Light-Emitting Diode» — светоизлучающий диод. В XXI веке появилась технология, позволяющая изготавливать светодиоды микроскопического размера из неорганического материала и таким образом уменьшить разрыв в характеристиках между LED- и LCD-дисплеями.

В настоящее время при посещении магазина можно запутаться в количестве сокращений, обозначающих тот или иной способ изготовления матриц. Но основных технологий всего три: LCD, LED и OLED. Причем нередко под видом LED-дисплея вам предложат жидкокристаллический монитор со светодиодной подсветкой.

Чтобы понять, почему используется та или иная технология, сначала разберемся в общих чертах, как устроены современные дисплеи.

Устройство дисплеев

Современные экраны представляют собой многослойные сэндвичи из:

• подложки;
• подсветки (лампы или диоды);
• слоя жидких кристаллов, органических или неорганических диодов;
• светофильтров;
• защитного покрытия;
• стекла или пластика.

В деталях этот пирог может иметь вариации, но нас в первую очередь интересует технология изготовления пикселей. И их в настоящее время три:

1. Жидкокристаллические экраны (LCD).
2. Светодиодные экраны (LED).
3. Экраны на органических светодиодах (OLED).

В сегменте компактной электроники наиболее распространены LCD-экраны, поскольку полноценные LED-дисплеи имеют большие габариты, низкое разрешение, отличаются крупнозернистостью. Их используют, в основном, для баннеров, уличного телевидения, медиафасадов и других областях, подразумевающих наблюдение за экраном с большого расстояния или в условиях, когда недостатки дисплея не так заметны.

Иногда под видом LED предлагают жидкокристаллический дисплей с диодной подсветкой, но полноценным LED-экраном он не является. Что заставляет задаться вопросом: почему светодиодные экраны вызывают такой интерес?

Преимущества LED-дисплея

Широкое распространение LCD-матриц вызвано следующими факторами:

• низкое время отклика (2 мс);
• хорошая цветопередача;
• широкий угол обзора;
• контрастность;
• дешевизна.

Конечно, высокие показатели демонстрируются LCD-дисплеем по отдельным параметрам — в зависимости от технологии изготовления матрицы. Но низкая относительно LED стоимость является общим преимуществом для всех типов матриц.

Появление OLED-дисплеев произвело на рынке революцию, поскольку по ряду параметров они находятся вне конкуренции:

• маленький вес;
• небольшие габариты;
• мгновенный отклик;
• неограниченная геометрия экрана;
• угол обзора 180 градусов;
• отсутствие подсветки;
• контрастность 1 000 000:1;
• яркость до 100 000 нит (кд/м²).

Но сочетание цены и срока службы делают OLED-дисплеи чрезвычайно дорогим удовольствием. LED и LCD экраны обладают гораздо большей надежностью. Появившаяся относительно недавно технология microLED превосходит все существующие и в будущем может оставить конкурентов далеко позади. 

Появление microLED-дисплеев

Технология microLED была разработана в Техасском технологическом университете в 2000 году. За прошедшие 20 лет она прошла путь от опытных образцов из нескольких субпикселей до полноценных экранов с разрешением до 1280х1024.

Первые microLED-дисплеи были пассивными, так как поначалу проблема управления диодами ученым не поддавалась. Этот барьер преодолели в 2011 году, а уже в 2012-м компания Sony представила прототип Full-HD телевизора с матрицей microLED. Скорость отклика, контрастность и цветопередача этой модели превзошли все представленные на рынке аналоги, и ведущие производители электроники — Samsung, Apple, LG и другие начали разрабатывать свои прототипы.

К сожалению, технология новая и нуждается в отработке, поэтому стоимость цветных microLED-матриц большого размера первое время будет запредельная. Так почему технология, которая по заверениям производителей должна оказаться дешевле конкурентов, является малодоступной широкому потребителю? Чтобы разобраться в этом вопросе, рассмотрим устройство microLED-дисплеев и проблемы, с которыми сталкиваются при их производстве.

Устройство microLED-дисплея

Для изготовления microLED-дисплеев используется нитрид индия-галлия — полупроводниковый материал, состоящий из нитридов индия и галлия. Регулируя соотношение между ними, можно изменять длину волны излучения от ближнего ультрафиолетового диапазона до красного, что очень удобно для производства RGB-матриц.

Возможность создавать светодиоды трех основных цветов позволяет отказаться от использования светофильтров, поэтому структура пикселя намного проще, чем у матриц, изготовленных по другим технологиям:

Размер одного субпикселя может составлять 5 мкм — показатель, намного опережающий как LCD, так и OLED-матрицы. Для сравнения: размер пикселя обычного LED-дисплея около 1 мм, OLED — 0,06-0,1 мм, LCD — от 0,12 мм.

Использование в качестве излучающего слоя неорганических светодиодов позволило решить одну из самых значительных проблем OLED — быстрое выцветание пикселей. MicroLED-дисплеи долго не выгорают.

Основные характеристики microLED-дисплеев

Эта технология превосходит предшественников практически по всем параметрам. Сравним основные характеристики microLED-дисплеев с ближайшим конкурентом — OLED, поскольку, как уже говорилось, дисплеи, произведенные по этой технологии уступают аналогам только по долговечности, яркости и стоимости:

Таблица 1. Сравнение основных характеристик OLED- и microLED-дисплеев.

Параметр	OLED	microLED
Яркость	1000 нит*	5000 нит
Контрастность	1 000 000:1	1 000 000:1
Цветовая гамма	Широкая	Широкая
Углы обзора	170°	180°
Время отклика	Максимальное	Максимальное
Частота обновления экрана	до 240 Гц	до 120 Гц**
Энергоэффективность	Высокая	Высокая***
Срок службы	Короткий	Длинный
Стоимость	Высокая	Высокая
Конструкция	Монолитная	Модульная

* На самом деле OLED-дисплей может обеспечить яркость свыше 100 000 нит, но срок его службы обратно пропорционален яркости, поэтому рекомендуемый уровень составляет 1000 нит. Этого достаточно для комфортной эксплуатации.

** На данный момент. В перспективе может быть увеличено.

*** Если энергоэффетивность OLED выше, чем у LCD, то у microLED — выше, чем у OLED.

Недостатки microLED-дисплеев

Несмотря на ряд видимых уже сейчас достоинств, microLED, как и любая другая новая технология сталкивается с рядом «детских» болезней.

В первую очередь, это сложность производства. Например, матрица телевизора с разрешением 4К содержит 25 млн. светодиодов, которые необходимо перенести на подложку. Чаще всего для этого используется метод перевернутой микросхемы: светодиоды формируются на сапфировой подложке, а транзисторы и прочие элементы — на кремниевой. Затем в печах осуществляется массовый перенос диодов на кремниевую подложку. Но этот метод отличается высокой стоимостью, низкой точностью, высокой степенью брака.

Из особенностей производства microLED дисплеев вытекает и их следующий недостаток — высокая стоимость конечного продукта. Производители обещают ее снижение, но пока имеем, что имеем.

Еще одной проблемой является компактность. Цветной microLED-дисплей выглядит примерно так:

Благодаря блочной конструкции на базе microLED можно собрать экран неограниченного размера. Правда, и цена будет соответственная. Но в этом достоинстве кроется и недостаток: плотность пикселей на блочных конструкциях ограничена, поскольку упирается в толщину рамок модулей.

Но все эти недостатки касаются массового сегмента рынка и больших цветных панелей для просмотра видео. В более специфических областях microLED-дисплеи начали вытеснять экраны, сконструированные по другим технологиям.

Применение microLED-дисплеев

Например, в военной они используются достаточно активно. В первую очередь это связано с низким по сравнению с LCD-дисплеями энергопотреблением и более высокой, чем у OLED-аналогов, надежностью. MicroLED-дисплеи применяются в:

• прицелах;
• наблюдательных приборах;
• очках виртуальной и дополненной реальности.

Человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность в зеленой области спектра, поэтому военные чаще используют монозеленые дисплеи. Например, микродисплей µLED 060SXGA-G Type имеет следующее распределение яркости:

Ещё одним существенным преимуществом этой модели является компактность. При размере активной области 11,9х9,52 мм сам прибор по габаритам сравним с монетой:

Сравнительный размер микродисплея µLED 060SXGA-G Type

Эксплуатация настолько миниатюрного дисплея не подразумевает громоздких систем питания и охлаждения, которыми оснащались гражданские прототипы SONY и SAMSUNG, что и позволило добиться такой компактности.

Экран µLED 060SXGA-G Type имеет разрешение 1280х1024 пикселей и при яркости 10 000 нит (кд/м²) потребляет менее 800 мВт энергии.

К основным преимуществам микродисплея относятся:

• шаг пикселя 9,3 мкм;
• широкая цветопередача;
• высокие яркость, контрастность и энергоэффективность;
• низкое электропотребление;
• практически мгновенный отклик;
• продолжительный срок службы.

Перспективы технологии microLED

Технология microLED является относительно молодой. Она появилась чуть больше 20 лет назад, но уже успела доказать свою перспективность, хоть и столкнулась с рядом трудностей при внедрении.

Несмотря на то, что методы переноса и напыления развивались достаточно долго, при переносе миллионов микродиодов возникают определенные трудности, требующие отработки процесса и даже постройки новых заводов. Именно поэтому созданные на основе этой технологии большие экраны сейчас недоступны рядовому потребителю.

Тем не менее, приведенный выше пример с миниатюрным монозеленым дисплеем µLED 060SXGA-G Type показывает, что новая технология уже сейчас может найти применение в таких областях как экраны часов, информационные дисплеи, устройства дополненной реальности и других.

MicroLED-устройства продолжают развиваться, исследуется возможность использования квантовых точек и люминофоров для уменьшения размера пикселей и ухода от необходимости созвать диоды разного цвета. Решение этой проблемы позволило бы существенно упростить технологию производства экранов и, как следствие, снизить цену на них.

Но уже сейчас микродисплеи широко используются как в гражданской, так и в военной сферах. И несмотря на высокую цену, OLED и microLED-устройства занимают существенную часть рынка за счет показателей энергоэффективности, яркости, и цветопередачи.

В нашем каталоге есть большой выбор микродисплеев под различные цели и задачи. А если вам необходима консультация специалиста, то свяжитесь с нами по одному из удобных вам каналов.