Jedną z obecnie najbardziej obiecujących technologii wyświetlania obrazu – i to w bardzo wszechstronnym ujęciu, dotychczas praktycznie niedostępnym dla żadnej innej technologii – są microLED-y, a właściwie zbudowane z nich wyświetlacze oraz inne emitujące światło urządzenia. Oczywiście zanim technologia microLED wejdzie masowo na rynek minie jeszcze sporo czasu, ale już teraz możemy poznać zapowiedź możliwości technologicznych, które z pewnością w przeciągu kilkunastu najbliższych lat zmienią zupełnie oblicze rynku wyświetlaczy.
Co to są microLED-y? Generalnie LED od microLED-a nie różni się w zasadzie niczym poza wielkością pojedynczej diody emitującej światło niebieskie, czerwone i zielone. Zasada działania jest dokładnie taka sama, ale w zdecydowanie mniejszej skali. Oczywiście finalny produkt, czyli wyświetlacz LED czy microLED, składa się z milionów punktów tworzących trójki RGB, a co za tym idzie pojedyncze piksele – tutaj nic się nie zmienia. W przypadku microLED piksele są jednak znacznie mniejsze, a pisząc znacznie mniejsze, mam na myśli o rząd wielkości mniejsze wartości. Obecnie pixel pitch w diodach, które można masowo spotkać na rynku, osiąga wartości minimalnie 0,95 mm. Niemniej jednak większość produktów z którymi można spotkać się na co dzień, na przykład w galeriach handlowych, bazuje na ekranach LED o sporo większych pikselach niż to rynkowe minimum. Przykładowo na wystawach sklepowych królują w większości ekrany oparte o diody z piksel pitch 3,8-3,9 mm, a bardzo popularne 110” ekrany LED o rozdzielczości HD, którymi zastępuje się tradycyjne ściany 2 x 2 LCD, mają rozmiar piksela 1,2 mm.
Takie wartości nadal robią spore wrażenie! Technologia microLED zabiera nas jednak o poziom wyżej, a właściwie poziom niżej, jeżeli chodzi o rozmiar pojedynczego piksela. Dostępne na rynku prototypowe ekrany microLED charakteryzują się rozmiarem pojedynczej diody RGB wraz z jej obudową zawierającą sterowanie oraz soczewkę epoksydową 0,05 mm, a to nie kres możliwości, o nie! Od takiej właśnie wielkości można mówić o microLED. Niestety produkcja tak niewielkich diod LED jest bardzo trudna i nadal stanowi spore technologiczne wyzwanie nawet dla najlepszych w branży. Główne wyzwanie produkcyjne to nadal niepełna kompatybilność z tak zwanym procesem SMT, czyli montażem powierzchniowym microLED. Obecnie najpopularniejszą metodą nanoszenia gotowych microLED-ów na docelową powierzchnię (niekoniecznie płytkę PCB, może być to też warstwa TFT, ale o tym trochę później) jest tak zwana technologia pick and place. Polega ona na podnoszeniu gotowych microLED-ów z wafla i przenoszeniu ich na płytę montażową za pomocą wyjątkowo precyzyjnego urządzenia. Problem w tym, że technologia ta jest bardzo wymagająca i obrzydliwie droga, a dodatkowo ma wyraźne wady – diody podczas transferu często ulegają uszkodzeniu, a po ich montażu widać charakterystyczną mozaikę wynikającą z ograniczeń przenoszenia diod przez urządzenie transferujące. Obecnie rynek testuje kilka innych technologii, z których część wydaje się być mocno obiecująca. Jedna z nich zakłada bezpośrednie wytwarzanie microLED-ów na powierzchni docelowej, wydaje się banalne, nieprawdaż? Niemniej jednak technologia ta nie pozwala na tworzenie dużych ekranów oraz bardzo niewielkich rozmiarów diody. Pozostaje jeszcze wiele do dopracowania, jednak jest to jedna z najnowszych technologii i spodziewać się należy jej mocnego rozwijania w najbliższych latach.
Transparentny ekran microLED z widocznym charakterystycznym paternem wynikającym z technologii pick and place
Założona w 2016 roku amerykańska firma eLUX, odłam Sharp Labs of America, a szerzej część Foxconn, pracuje nad komercjalizacją unikalnej technologii produkcji microLED. Technologia eLux opiera się na bezprecedensowym podejściu, które polega na przenoszeniu diody microLED z wafla na docelowe podłoże bez konieczności wykonywania czynności typu pick and place. Tak zwany proces fluidalny wykorzystuje diody microLED rozproszone w cieczy i dołki wbudowane w podłoże docelowe. Dyspersja microLED jest rozprowadzana po podłożu, a diody po prostu układają się na swoim miejscu – rodzaj procesu samodzielnego montażu. eLux twierdzi, że w przeciwieństwie do zwykłych procesów typu pick and place, nie szkodzi to diodom, a ponadto jest wysoce niezawodne i opłacalne. Powstałe wyświetlacze są bardzo jednolite i nie mają defektów mozaiki, ani innych problemów charakterystycznych dla najbardziej popularnej technologii pick and place. Obecnie eLUX wytwarza prototypowe ekrany oparte na niebieskich diodach pokrytych nanokropkami kwantowymi, ale w najbliższej przyszłości możliwa będzie również produkcja ekranów RGB – to będzie dopiero ciekawe!
Nie bez znaczenia jest odpowiednie sortowanie i wytwarzanie microLED-ów o podobnych parametrach emisji światła, tak aby zbudowany z nich ekran był jednorodny w zakresie wszystkich kolorów. Ten problem dotyczy oczywiście również standardowych diod LED, z których buduje się obecnie ekrany, jednak w przypadku microLED jest zdecydowanie bardziej złożony, chociażby ze względu na możliwości pomiarowe tak niewielkich punktów. Dodatkowo wytworzenie mocno spójnej próby produkcyjnej wymaga odrzucenia niemalże 99% wszystkich wyprodukowanych microLED-ów. Powoduje to oczywiście niemałe problemy w masowym wdrożeniu akceptowalnych cenowo oraz dobrych jakościowo ekranów opartych na diodach microLED.
Pomimo wielu problemów technologia ta jest niezwykle obiecująca, co może świadczyć o zainteresowaniu nią wielu czołowych producentów elektroniki, między innymi Foxconn, Apple, Sony, Samsung, AUO, BOE, LG Display. Wielu z tych producentów opracowuje własne unikatowe metody wytwarzania oraz utylizacji microLED-ów w swoich produktach. MicroLED to też szansa dla mniejszych firm skupiających się na tworzeniu innowacyjnych rozwiązań, które niejednokrotnie są tak przełomowe, że ciężko w to uwierzyć. W 2019 roku chiński JBD Display zaprezentował komercyjnie ekran 0,22” microLED wykonany w pitch 0,0025 mm z jasnością, uwaga, 1 000 000 nitów! Prototypowy zielony ekran charakteryzował się gęstością niemalże 10 000 punktów na cal! Te liczby mogą przyprawić o zawrót głowy! Zastosowanie takiego ekranu może być przełomowe nie tylko w budowie dużych ekranów diodowych, ale również dla przemysłu projektorowego. Niewielka powierzchnia ekranu microLED, odpowiednia optyka, zasilanie i chłodzenie pozwolą tworzyć kompaktowe projektory o niezwykłej jasności oraz dzięki ograniczeniu ruchomych części projektora również żywotności. Oprócz JDI, innowatorami są również EpiPix, PlayNitride czy Lumens – o tych firmach w kwestii technologii microLED będzie jeszcze na pewno bardzo głośno. Oby nie tylko przy okazji wchłonięcia ich przez jednego z wcześniej wymienionych gigantów. Zastosowanie technologii microLED może być kluczowe dla wielu segmentów rynku, z tak niewielkich punktów można tworzyć elementy wyświetlające obraz w nieznanej dotąd formie. Najwięksi producenci skupiają się jednak na czterech głównych segmentach rynku: wielkoformatowe ekrany reklamowe; ekrany do telewizorów domowych; niewielkie ekrany „do noszenia”, umieszczone przykładowo w zegarkach czy okularach; przemysł motoryzacyjny – głównie jako ekrany systemów rozrywki oraz oświetlenie zewnętrzne pojazdu np. lampy.
Proces fluidalny – technologia firmy eLUX, zakłada samopozycjonowanie się diod microLED zawieszonych w cieczy na docelowym elemencie poprzez specjalnie wyprofilowane dołki, widoczne na zdjęciu jako przezroczysty okrąg. MicroLED-y nanoszone są tą metodą na podłoże LTPS – krzem polirystaliczny
Oczywiście ekrany microLED doskonale znajdują zastosowanie w innych popularnych urządzeniach, takich jak telefony czy komputery przenośne, jednak ze względu na koszt produkcji na masową skalę, to jeszcze przyszłość. Ciekawostką jest, że microLED nie muszą być utylizowane jedynie na znanych nam, standardowych powierzchniach PCB. Równie dobrze można je nanosić na warstwy TFT, tworząc wyświetlacze transparentne o nieosiągalnej dotychczas jasności i transmisji światła lub elastyczne. Bardzo jasne microLED-y, umieszczone w znacznych odległościach, pozwalają osiągnąć bardzo wysoką jasność ekranu oraz transparentność nawet 90%. Technologia microLED niekoniecznie musi wiązać się z monstrualnymi rozdzielczościami. Zastosowanie niewielkich diod w standardowym ekranie o rozmiarze przykładowo 110” pozwoli na wypełnienie wolnych przestrzeni między elementami emisyjnymi mocno absorbującą światło substancją, tworząc w ten sposób ultra wysoki kontrast statyczny, z którym w przypadku tradycyjnych ekranów LED o niewielkim pixel pitch jest obecnie problem. Dodatkową zaletą będzie zdecydowanie wyższa odporność mechaniczna takiego ekranu – również ze względu na większe dystanse między poszczególnymi pikselami.
Podsumowanie
Technologia microLED rozwija się niesamowicie szybko, a możliwości jakie pokazują prototypowe urządzenia oparte o nią, są niesamowite. Przy mocnym rozwoju technologii OLED oraz wyświetlaczy bazujących na nanokropkach kwantowych, wyświetlacze microLED mogą być kolejnym krokiem w stworzeniu idealnej, uniwersalnej technologii wyświetlania obrazu, która w pełni zastąpi ekrany LCD, będąc ich naturalnym, lepszym pod każdym względem następcą. Oczywiście nie nastąpi to w ciągu kilku najbliższych lat, ale gorąco wierzę, że to właśnie microLED może być rewolucją, na którą czekamy.
tekst: Wojciech Kosek
zdjęcia: z archiwum autora
