Technológia mikro LED: architektúra, vývoj a perspektívy komerčného využitia

Ako kľúčový smer pre zobrazovaciu technológiu novej generácie, Micro LED sa posunul za fázu „technickej skúšky“. Teraz sa pevne nachádza v ranom štádiu technickej zrelosti a oficiálne vstúpil do „prvého roku používania“.

Táto inovatívna technológia integruje vysokohustotné samosvietiace diódy s mikrometrovým meradlom na základnú dosku budiča. Prostredníctvom viacrozmerných technologických prielomov aktívne mení prostredie odvetvia displejov.

Základné pochopenie mikro LED diód

Technická definícia

Mikro LED, skratka pre mikro diódy emitujúce svetlo (tiež známa ako mLED alebo μLED), je pokročilá technológia displejov, ktorá stenčuje, miniaturizuje a zoskupuje tradičné LED diódy. Veľkosť ich pixelov sa pohybuje od 1 do 100 mikrometrov. Je to len 1 % veľkosti konvenčných LED diód. Navyše, rozstup pixelov sa znížil z milimetrov na mikrometre, pretože obrazovka sa skladá z matice jednotlivých LED jednotiek.

Princíp zobrazenia

Každý pixel mikro LED diódy sa skladá z troch subpixelov: červeného, ​​zeleného a modrého. Dôležité je, že každý subpixel je možné ovládať nezávisle, a preto umožňuje presné nastavenie jasu, farby a kontrastu. Pole využíva krížovo sa prepojené kladné a záporné mriežkové elektródy na pripojenie ku svorkám každej mikro LED diódy.

Obrázky sa zobrazujú postupným napájaním týchto elektródových vedení a skenovaním, aby sa rozsvietili pixely. V niektorých prevedeniach sa svetlo z LED diód ďalej spracováva kombináciou šošoviek, zrkadiel a farebných filtrov. 

Základné procesy

Základný výrobný proces Micro LED zahŕňa tri kľúčové kroky.

Po prvé, stenčuje, miniaturizuje a zoskupuje štruktúru LED diód.

Ďalej využíva vysoko presnú technológiu mikrofabrikácie na prenos dávok mikro LED diód na pevné, flexibilné alebo priehľadné substráty obvodov.

Nakoniec sa fyzikálnym nanášaním vytvorí ochranná vrstva a vrchná elektróda a potom sa substrát zapuzdrí, čím sa vytvorí jednoduchý, ale funkčný zobrazovací panel.

Súvisiace:

MiP vs. sklenený substrát: Ktorá je najlepšia cesta pre mikro LED displej?

Hlavné technické výhody mikro LED diód

Vďaka svojim jedinečným technickým princípom a štruktúre ponúka Micro LED komplexný výkon, ktorý ďaleko prevyšuje tradičné zobrazovacie technológie. Jeho hlavné výhody možno zhrnúť takto:

Vynikajúci optický a farebný výkon

Mikro LED diódy využívajú polovodičové materiály s priamou zakázanou pásmovou medzerou, ako napríklad GaN. Vďaka tomu má ich emisné spektrum plnú šírku v polovici maxima (FWHM) iba 20 nm, čo pokrýva 120 % farebnej škály NTSC.

V kombinácii s technológiou konverzie farieb kvantových bodov sa tento farebný gamut môže rozšíriť až na 150 % sRGB. Dokáže poskytnúť vynikajúcu reprodukciu a presnosť farieb. Je pozoruhodné, že eliminuje potrebu podsvietenia a farebných filtrov, čo umožňuje ultra vysoké dynamické kontrastné pomery až do 1 000 000:1.

Nízka spotreba energie a vysoký jas

Okrem toho, jeho spotreba energie je iba 10 % spotreby LCD a 50 % spotreby OLED. Napriek tomu je jeho jas 10-krát vyšší ako u OLED s maximálnym výkonom 4 000 nitov.

Navyše, pri rovnakej úrovni jasu vyžaduje Micro LED iba 10 % plochy povrchovej úpravy OLED diód. To šetrí cenný povrchový priestor na zariadeniach a umožňuje integráciu viacerých senzorov.

Vysoká spoľahlivosť a dlhá životnosť

Vďaka výrobe z anorganických materiálov sa Micro LED vyhýba problémom starnutia organických vrstiev OLED. Nielenže úplne rieši problém vypálenia obrazovky, ale poskytuje aj životnosť viac ako 100 000 hodín. Navyše, jeho doba odozvy na úrovni nanosekund eliminuje rozmazanie pohybu, vďaka čomu je ideálny pre vysokorýchlostné dynamické zobrazovacie scenáre.

Vysoká integrácia a flexibilné tvarové faktory

Rozstup pixelov mikro LED diód je možné znížiť pod P0.1 s maximálnou hustotou pixelov 1800 ppi. Je tiež kompatibilná s pevnými, flexibilnými a dokonca aj priehľadnými substrátmi.

Pri flexibilných substrátoch môže byť polomer ohybu menší ako 1 mm, čo umožňuje tenké a ľahké konštrukcie a zároveň odomyka potenciál pre flexibilné a transparentné tvarové faktory.

Realizované:

Ako technológia MIP procesov dosahuje prelom v oblasti ultra HD jemných LED displejov?

Architektúra kľúčových komponentov a technické úzke miesta

Technický systém Micro LED zahŕňa viacrozmerné presné návrhové a výrobné procesy. Stále však čelí niekoľkým kritickým nedostatkom, ktoré je potrebné riešiť:

Vrstva triesok

Na prednej strane čipu Micro LED používa LED diódy na báze InGaN. Jeho štruktúra, zdola nahor, zahŕňa zafírový substrát, vyrovnávaciu vrstvu GaN, vrstvu GaN typu N, aktívnu vrstvu s viacerými kvantovými jamami (MQW), kontaktnú vrstvu GaN typu P a vrstvu rozptyľujúcu prúd.

Aktívna vrstva MQW vyžaruje svetlo prostredníctvom elektrónovo-dierovej rekombinácie a počet vrstiev priamo ovplyvňuje svetelnú účinnosť a stabilitu vlnovej dĺžky.

Vo výrobnom procese:

Technológia MOCVD sa používa na presné riadenie prietoku plynu pri teplote 1000 – 1100 ℃, čo umožňuje epitaxný rast materiálov GaN.

Potom sa aplikuje ICP leptanie na vytvorenie nezávislých pixelových jednotiek s drážkami prenikajúcimi cez zafírovú vrstvu pre elektrickú izoláciu.

Nakoniec sa na vrstvách GaN typu N a typu P vyrobia ohmické kontaktné elektródy Ti/Au, spárované s vrstvou rozptylu prúdu Ni/Au pre optimalizáciu laterálneho rozloženia prúdu.

Hlavným problémom je, že účinnosť červených mikro LED diód je oveľa nižšia ako účinnosť modrých a zelených čipov. Okrem toho, zabezpečenie konzistentnosti jasu a vlnovej dĺžky naprieč miliónmi čipov zostáva výzvou. Vyžaduje si to prelomové objavy v oblasti nových polovodičových materiálov a technológií presnej kontroly výroby.

Technológia prenosu hmoty a spájania

Ďalšou kritickou výzvou je technológia prenosu hmoty a spájania. Je to nevyhnutný krok pre industrializáciu mikro LED diód. Tento proces vyžaduje presný prenos miliónov alebo dokonca miliárd mikrometrových čipov z rastového substrátu na základnú dosku budiča s požiadavkami na presnosť ±1 μm a výťažnosť viac ako 99.99 %.

V súčasnosti existujú tri hlavné technické cesty:

• Laserové odlepovanie (LLO): Vhodné pre pevné aj flexibilné materiály.
• Fluidná samomontáž: Nízke náklady, ale pomalá rýchlosť.
• Elastický prenos raznice: Kompatibilný s panelmi veľkých rozmerov, hoci výťažnosť je obmedzená deformáciou materiálu.
• Na dosiahnutie elektrického kontaktu medzi čipmi a základnou doskou sa na dosiahnutie elektrického kontaktu medzi čipmi a základnou doskou používa eutektické spájanie Sn-Ag alebo mikrobumpové spoje s výškou spojenia kontrolovanou medzi 1 – 5 μm.
• V súčasnosti sa výskum a vývoj v tejto oblasti zameriavajú na zlepšenie rýchlosti prenosu a výťažnosti. Súbežne sa vyvíjajú nové spôsoby, ako napríklad valčekový prenos, s cieľom znížiť náklady na trhovo prijateľnú úroveň.

Architektúra obvodu budiča a zadnej dosky

Pokiaľ ide o obvody budičov, Micro LED ponúka tri režimy:

Pasívna matica (PM):

Jednoduchá konštrukcia, ale vysoká spotreba energie. Je vhodný pre scenáre s nízkym rozlíšením, ako sú napríklad inteligentné hodinky.

Aktívna matica (AM):

Integruje nezávislé obvody budiča TFT pre každý pixel. Podporuje vysoké rozlíšenie a ovládanie v odtieňoch sivej. Preto je to hlavné riešenie pre AR/VR headsety.

Semiaktívna matrica:

Kombinuje výhody PM a AM s využitím jednotranzistorového riadenia s výkonom nachádzajúcim sa medzi nimi.

Výber materiálu zadnej dosky musí byť v súlade s aplikačnými scenármi:

Sklenené substráty:

Ponúkajú vysokú rovinnosť a nízke koeficienty tepelnej rozťažnosti, čo podporuje ultrajemné rozstupy pod P0.4 pre špičkové displeje.

CMOS na báze kremíka:

Pýši sa vysokou integráciou. Je ideálny pre AR mikrodispleje.

Flexibilné podklady:

Je vhodný pre nositeľné zariadenia.

V súčasnosti je hlavným dopytom po technológii backplane vývoj substrátov schopných niesť masívne mikrometrické čipy a zároveň umožniť efektívne a nezávislé riadenie. V sektore veľkoformátových obrazoviek sa skúma technológia nízkoteplotných polykryštalických kremíkových sklenených substrátov (LTPS).

Dizajn balenia a optiky

Technológia balenia sa riadi dvoma hlavnými cestami:

Schéma MiP:

Najprv sa čipy zabalia do nezávislých zariadení veľkosti 0202 a potom sa namontujú na substráty dosiek plošných spojov. S výťažnosťou presahujúcou 99 % a kompatibilitou s existujúcimi výrobnými linkami bude v krátkodobom horizonte dominovať na trhu s komerčnými displejmi.

Obaly na báze skla:

Dokončuje prenos hmoty a balenie priamo na sklenených substrátoch. Hoci teoreticky stojí menej, jeho súčasný výťažok je len okolo 85 %, čo si vyžaduje ďalšie vylepšenia.

Na optické vylepšenie sa používajú dve kľúčové metódy:

Technológia nanoimprintu na vytváranie polí mikrošošoviek na povrchu pixelov, čím sa zvyšuje účinnosť extrakcie svetla o viac ako 30 %.

Nanášanie materiálov s kvantovými bodkami na modré LED čipy pre efektívne plnofarebné zobrazenie. Stabilita a svetelná účinnosť materiálov s kvantovými bodkami však zostávajú hlavnými výzvami.

Technológia kontroly a opráv

Pre zaistenie výťažnosti panelov je Micro LED vybavený komplexným systémom kontroly a opravy.

Online kontrola využíva kamery s vysokým rozlíšením a algoritmy umelej inteligencie na identifikáciu mŕtvych pixelov s presnosťou ±0.1 μm. Laserová oprava využíva laserovú energiu na spájanie alebo opätovné pripojenie elektród, čím sa dosahuje miera opravy presahujúca 95 %. Okrem toho sú v obvode budiča rezervované záložné pixely na kompenzáciu chybných pixelov prepínaním obvodov. To môže ďalej chrániť kvalitu zobrazenia.

Technologický vývoj a usporiadanie priemyselného reťazca

Kľúčové technologické objavy

V posledných rokoch dosiahla spoločnosť Micro LED niekoľko významných prelomov. V oblasti prenosu hmoty zvýšila technológia kremíkových nanodrôtov od spoločnosti Aledia výťažnosť na 95 % s prenosovou rýchlosťou 50 000 čipov za sekundu.

V prípade integrovaných obvodov budičov umožňuje hybridná technológia PWM+PAM od spoločnosti TBSilicon obnovovaciu frekvenciu 1200 Hz pri jase 1 nit. V oblasti plnofarebného displeja spoločnosť Konka dosiahla hromadnú výrobu plnofarebných čipov s rozmermi 15 × 30 mikrometrov s výťažnosťou 99.9 % vďaka hybridnej technológii prenosu hmoty.

Štruktúra priemyselného reťazca

Materiály proti prúdu:

Miera lokalizácie zafírových substrátov prekročila 60 %. Vysoko uniformné epitaxné doštičky GaN však stále závisia od zahraničných spoločností, ako je japonská Sumitomo Electric, čo ponecháva dostatok priestoru pre domácu substitúciu.

Výroba v strednom prúde:

 Spoločnosti San'an Optoelectronics a HC Semitek postavili linky na výrobu 8-palcových mikro LED doštičiek, zatiaľ čo BOE a Tianma Microelectronics naplánovali výrobné linky 6. generácie na báze skla, ktoré poháňajú rozsiahlu hromadnú výrobu kľúčových procesov.

Následné aplikácie:

Spoločnosti Sony a Samsung dominujú na trhu s profesionálnymi displejmi, zatiaľ čo Apple a Meta zrýchľujú výskum a vývoj mikrodisplejov v oblasti AR/VR. Predpokladá sa, že miera penetrácie automobilových HUD dosiahne do roku 2030 8.5 %.

zhrnutie

Vďaka technologickým inováciám, ako je miniaturizácia čipov, prenos hmoty a integrované riadenie, Micro LED prekonal svojím výkonom tradičné zobrazovacie technológie, ako sú LCD a OLED.

Hoci stále čelí výzvam, ako sú vysoké náklady a nedostatočný výnos v niektorých kľúčových procesoch, očakáva sa, že náklady budú postupne klesať. Je to spôsobené neustálym objavom v oblasti obalov na báze skla, jednočipových plnofarebných displejov a ďalších kľúčových technológií, ako aj úsporami z rozsahu vďaka priemyselnej spolupráci.

Predpokladá sa, že do roku 2030 globálny trh s mikro LED diódami prekročí 20 miliárd dolárov. Nielenže sa stane hlavným motorom modernizácie nového odvetvia displejov, ale bude aj naďalej generovať nové body rastu podnikania v oblasti špičkového komerčného využitia, spotrebnej elektroniky, automobilového priemyslu, AR/VR a ďalších oblastí.