MicroLED - Pika pri piki
Že desetletje je minilo od zadnje večje revolucije na področju zaslonov, ki je prinesla tehnologijo OLED. Ko smo se že začenjali spraševati, kdaj bomo dobili kaj novega, so se končno začeli napovedovati zasloni s tehnologijo microLED. Trenutno so namenjeni majhnim varčnim napravam, denimo pametnim uram in telefonom, in ogromnim video zidovom. A pričakovati je, da bodo v prihodnosti na voljo tudi v prenosnih računalnikih in namiznih monitorjih.
Samsung 146-palčni televizor The Wall uporablja tehnologijo microLED. Slika: CNET
Približno desetletje je minilo, odkar smo videli kakšno resno revolucijo na področju zaslonov. Nazadnje smo dobili zaslone OLED (organic light emitting diode), o katerih smo pisali pred štirimi leti (Glejmo organsko, Monitor 01/15) in se navduševali nad temno črno, dobrimi kontrasti in živimi barvami. A razvoj ne počiva in OLED je preteklost, nas prepričujejo proizvajalci. Apple naj bi prvo pametno uro z novim zaslonom izdal prihodnje leto, smo slišali iz virov blizu podjetja letos poleti. Samsung je na sejmu CES že pokazal gigantski zaslon The Wall s 75-palčno diagonalo. Velikan in drobižek uporabljata enako tehnologijo – microLED.
Prednosti in slabosti tehnologije microLED
+ globoka črna
+ ni nevarnosti »vžgane« slike
+ majhne zakasnitve (odzivni čas)
+ širok vidni kot
+ široka barvna paleta
– cena
– zapleten postopek izdelave
– niso upogljivi kakor OLED
Večina računalniških monitorjev še danes uporablja tehnologijo LCD. Tudi najnovejši MacBook ima še vedno zaslon LCD, sicer z osvetlitvijo LED in s tekočimi kristali IPS, a vendarle LCD. O tekočih kristalih smo že večkrat pisali (12/2004, 02/2007, 11/2009, 07/2012), zato velja ponoviti le osnove. To so posebne molekule, ki imajo lastnosti med tekočimi in kristaliničnimi snovmi. Čeprav lahko tečejo, so molekule preferenčno orientirane, podobno kot v kristalih. V odvisnosti od urejenosti ločimo več faz tekočih kristalov, med katerimi je za zaslone najpomembnejša nematična. V LCD so tekoči kristali selektivni filter svetlobe. Njihovo orientacijo lahko spreminjamo s pritisnjeno električno napetostjo, s čimer lahko spremenimo fazo iz prepustne v neprepustno in nazaj.
Rezine z aktivno matriko za microLED. Slika: JBD
Za matriko sta vir svetlobe in polarizacijski filter. Svetlobo, ki jo ustvarjamo na koncu zaslona (backlight), torej moduliramo in selektivno prepuščamo skozi tekoče kristale, na drugi strani pa je še en polarizacijski filter (tekoči kristali so torej v sendviču med filtroma). V klasičnih LCD so bile vir svetlobe fluorescenčne sijalke, ki so (bolj ali manj) enakomerno osvetljevale ves zaslon. V novejših izvedbah, ki jih prepoznamo po imenu LED-LCD, pa je vir svetlobe več svetlečih diod. Ker jih lahko tudi selektivno izklapljamo ali spreminjamo svetilnost, s čimer se izboljša kontrast, lahko dobimo bolj temno črno. Klasični LCD namreč ne morejo prikazati dobre črne, ker tekoči kristali vedno prepuščajo vsaj malo svetlobe, medtem ko lahko pri LED-LCD del diod zatemnimo ali ugasnemo.
Pravi LED
Zasloni OLED so konceptualno drugačni. Vir svetlobe so svetleče diode, ki jih krmilimo vsako posebej. To pomeni, da sta vir svetlobe in krmilni mehanizem združena v eno, kar omogoča precej vernejšo reprodukcijo slike, predvsem pa je tak sistem enostavnejši. Svetleče diode v OLED vsebujejo organske molekule, kar prinaša nekaj slabosti. Njihova glavna težava je staranje, saj se po nekaj tisoč urah delovanja (eno leto ima približno dva tisoč ur delovnega časa!) njihova svetilnost prepolovi. Ker se to najhitreje dogaja pri modrih diodah, počasneje pa pri zelenih in rdečih, bi brez dodatnih trikov barve sčasoma začele vleči na rumeno.
Nova tehnologija microLED (poimenovana tudi µLED) še vedno uporablja posamezne svetleče diode, le da so iz anorganskih materialov. Največkrat uporabljamo diode iz galijevega nitrida (GaN), ki omogoča do 30-krat večjo svetilnost in izboljšano učinkovitost (merjeno v luksih na porabljen vat energije). Glavne prednosti v primerjavi z zasloni LED-LCD in LCD so manjše zakasnitve pri izrisu slike, kar je pomembno zlasti pri hitro spreminjajočih se kadrih v filmih ali igrah, boljši kontrast z res črno črno (ker črno prikazuje ugasnjen vir svetlobe) ter zelo širok vidni kot. Vse te prednosti imajo tudi zasloni OLED, le da so pri microLED izrazitejše. Ker imajo zasloni microLED nekoliko manj slojev kakor OLED, so lahko tudi tanjši.
Glavna odlika pa je – za zdaj le na papirju, v praksi pa bo to pokazal čas – odsotnost težav z »vžgano sliko« (burn-in). Zasloni OLED namreč trpijo zaradi podobnega efekta kakor stari zasloni s katodno cevjo. Če zelo dolgo časa, kar pomeni stotine ali tisoče ur, prikazujejo isto podobo, se ta vtisne v zaslon in vztraja tudi, ko se prizor spremeni (Vračajo se »zažgani« zasloni, Monitor 11/18). To je znan problem OLED, ki je ponekod bolj, drugod manj izrazit, povsod pa moteč, zato od zaslonov microLED veliko pričakujemo.
Kako deluje svetleča dioda (LED)
Elektroluminiscenco so odkrili že leta 1907 pri silicijevem karbidu, odtlej pa smo spoznali že kopico spojin s to lastnostjo. Do polprevodniške revolucije je šlo bolj za zanimivost kakor široko uporabno odkritje, v 60. letih pa smo dobili rdeče svetleče diode, ki so bile velike in potratne. Sčasoma so odkrili še rumene in zelene diode, revolucionaren pa je bil izum modrih svetlečih diod iz indij-galijevega nitrida leta 1994, za kar je bila podeljena celo Nobelova nagrada.
Svetleče diode so polprevodniški elementi, ki oddajo svetlobo, sicer pa so po zgradbi podobne navadnim diodam. Diodo sestavljata dve plasti polprevodnika (konkretno indij-galijevega nitrida), kjer eno plast dopiramo z elementi, ki imajo elektron manj, drugo pa z elementi, ki imajo elektron več, s čimer se ustvarita p-plast (v njej je več vrzeli, torej nosilcev pozitivnega naboja) in n-plast z več elektroni (nosilci negativnega naboja). Na spoju elektroni difundirajo iz ene plasti v drugo, zaradi česar nastane plast brez nosilcev naboja. Če na diodo v pravilni smeri (katodo na negativni pol) pritisnemo napetost, ki je višja od nastale zaporne napetosti, skozi diodo steče tok.
Pri svetlečih diodah se del energije odda v obliki fotonov, torej dobimo svetlobo. Njena valovna dolžina je odvisna od materiala diode, intenziteta pa od toka skozi njo.
Najočitnejša slabost zaslonov microLED je seveda to, da jih še ni. Proizvodni proces je zapleten, zato imajo proizvajalci nemalo težav s povečevanjem proizvodnje. Apple naj bi lani skoraj odstopil od razvoja, ker so imeli toliko težav. Za ločljivost 1.080p (1.920 × 1.080 pik), na primer, potrebujemo vsaj 6,2 milijona svetlečih diod treh različnih barv, ki jih je izziv tesno razvrstiti. Razmik med pikami (pitch size) je približno desetinko milimetra, kar je na meji modernih proizvodnih procesov. Prav tako za zdaj ne kaže, da bi bilo mogoče zaslone microLED zvijati in upogibati, zato bodo takšni prikazovalniki slike še nekaj časa OLED.
Shema svetleče diode (LED). Slika: Physics and Radio-Electronics
Proizvodni izzivi
Prve velike televizorje z microLED so proizvajalci že predstavili, manjših naprav pa še ni, kar jih je težje izdelati. Pri velikih zaslonih so lahko svetleče diode dlje vsaksebi, saj v ekran zremo od daleč, medtem ko morajo biti na telefonskem zaslonu diode manjše in bližje. Pomanjševanje diod je težje, kot se zdi na prvi pogled, saj istočasno s pomanjševanjem ugaša tudi njihova svetilnost. Za normalno svetlost jih je treba bolj priganjati, kar poveča porabo električne energije in prinese težave s pregrevanjem. Poleg tega, da so manjše, so tudi gosteje posejane po zaslonu, kar še dodatno zaplete hlajenje.
Pri velikih zaslonih si podjetja pomagajo z modularnostjo. Vzemimo 50-palčni televizor, ki ga sestavlja 10 modulov z milijonom pik. Te module lahko sestavimo tudi v 100-palčni televizor, ki bo imel ustrezno višjo ločljivost, proizvodni stroški pa bodo zgolj linearno rasli s številom pik. Vse to nam pri zaslonih na telefonih nič ne pomaga.
Proizvodnja zaslona microLED se začne z usmerjeno rastjo kristalov (epitaxy) galijevega nitrida (GaN) na rezini (wafer) iz silicija ali safirja, ki bodo predstavljali čipe. Pri tem je zelo pomembno, da je podlaga čim bolj uniformna, brez defektov (pod 0,1 defekta na kvadratni centimeter) in da so pogoji, denimo temperatura, res povsem enaki na vsej površini. Že majhne spremembe namreč pomenijo, da bodo kristali galijevega nitrida imeli različne koncentracije dopanta indija, kar vpliva na valovno dolžino izsevane svetlobe.
Ločeno se izdela zadnja plošča (backplane), na kateri sta substrat in krmilna elektronika. Ta je lahko plošča tiskanega vezja (PCB), kar je najpogosteje, uporabljajo pa se tudi steklene, fleksibilne ali silicijev substrat. Na tej plošči morajo biti elementi v povsem enaki konfiguraciji in orientaciji kot microLED, ki so zrasli na kristalu iz safirja. Glavni izziv pri proizvodnji je potem prenos čipov microLED z začasnega substrata na zadnjo ploščo. Za en zaslon jih potrebujemo več milijonov, kar bi s klasičnimi tehnikami za prenos (pick and place) na plošče tiskanega vezja (PCB) trajalo več deset ur za en sam zaslon, zato se razvijajo metode za avtomatizirani prenos več tisoč pik hkrati (mass transfer).
Primerjava velikosti elementov v klasičnih zaslonih LED in microLED. Slika: Trendforce
Pristopov je več in ni še jasno, kateri bo na koncu najboljši. Ena možnost je laserski prenos, kjer z laserskim žarkom povzročimo odstop microLED od nosilnega substrata in prenos na končni substrat. Tekoči prenos (fluidic assembly) uporablja gravitacijo in kapilarni učinek, saj poteka v izopropanolu, acetonu ali destilirani vodi. Pri elektrostatičnem prenosu uporabimo električno napetost, pri elastomernem prenosu pa mehak trak (elastomeric stamp), na katerega se začasno primejo microLED pri prenosu. Različna podjetja preizkušajo različne možnosti.
Oba postopka, torej rast GaN in prenos, morata biti izjemno zanesljiva, saj lahko mrtve pike »pridelamo« tako pri rasti kristalov kakor pri nanosu. Če sta oba postopka 99,999-odstotno zanesljiva, bomo imeli pogostost napak v končnem izdelku 0,2 ppm, torej že lahko pričakujemo, da bo znaten delež zaslonov brez mrtvih pik.
Druga, manj pogosta možnost je neposredna rast kristalov galijevega nitrida na zadnji plošči, s čimer odpade potreba po prenosu, a je ta postopek še precej nezrel in za večje zaslone neuporaben.
Zgradnja zaslonov microLED je enostavnejša kot OLED ali LCD. Slika: Trendforce
Kdaj
Plošč (panelov) z microLED množično ne proizvaja še nobeno podjetje, so pa številna tik pred tem. Pilotna proizvodna že teče in pričakovati je, da bodo ti zasloni zaznamovali leto 2021. Sony je že davnega leta 2012 pokazal 55-palčni zaslon z ločljivostjo 1.920 × 1.080 pik in s 6,22 milijonoma svetlečih diod, kontrastom 1,000.000:1 in z barvno nasičenostjo 140 odstotkov NTSC (običajni LCD-zasloni imajo okrog 70 odstotkov NTSC). Takrat je tehnologijo imenoval še Crystal LED.
Samsung je predstavil serijo zaslonov z imenom The Wall, ki so ekstremnih dimenzij in vsi uporabljajo microLED. Lani so se hvalili s 146-palčnim televizorjem, letos pa so pokazali 292-palčnega z ločljivostjo 8K pa tudi manjšega 75-palčnega s 4K. Samsung ocenjuje, da bodo morali domači uporabniki počakati še dve leti do tri, da bodo zasloni microLED prispeli tudi v dnevne sobe in na pisalne mize. V razvoju ne zaostajajo niti LG, Sony in drugi konkurenti, ki prav tako pripravljajo svoje zasloni z microLED. Večinoma gre za velike naprave, namenjene poslovnim uporabnikom. Temu primerne so tudi cene: 146-palčni model se oglašuje za 350.000 evrov.
Proizvodni postopek microLED. Slika: ALLOS Semiconductors
Na drugem koncu spektra pa so majhne naprave, kakršna je Applova pametna ura Apple Watch. Različica, ki bo izšla prihodnje leto, naj bi že imela zaslon z microLED, a podrobnosti še niso znane. Z microLED bo kot z ostalimi tehnologijami. Najprej bo draga in bo namenjena nišni uporabi ali bogatim kupcem, sčasoma pa jo bo imel na svoji pisalni mizi slehernik.
