eng
Выпуск #8/2018
В. Беляев
Твердотельные и органические микросветодиоды – технология, рынок, перспективы
Твердотельные и органические микросветодиоды – технология, рынок, перспективы
Просмотры: 2462
Рассмотрены различные проблемы технологии и рынка микросветодиодов – твердотельных излучателей размером 20–50 мкм. Технология микросветодиодов сравнивается с другими видами дисплейных технологий. В ближайшие годы ожидается 50-кратный рост объема выпуска микросветодиодов.
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.179.8.102.112
УДК 621.382 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.179.8.102.112
УДК 621.382 | ВАК 05.27.00
Современные пользователи электронных устройств и специалисты достаточно хорошо понимают разницу между твердотельными и органическими светодиодами, знают области их применения, без труда пользуются информацией со светодиодных экранов или дисплеев для телефонов, а иногда и телевизоров [1, 2].[1]
Уже больше десяти лет назад технологии светодиодов продвинулись дальше в микрометровом диапазоне размеров, достигнув 20–50 мкм у твердотельных светодиодов и 5–15 мкм – у органических. Наряду с обычными светодиодами появились мини- и микросветодиоды со схожими технологиями и областями применения. Отличие мини-светодиодов от микросветодиодов – в размере излучающего элемента, который может составлять от десятков до нескольких сотен микрон.
Рассмотрим структуру и технологии устройств, их особенности в сравнении с известными технологиями, области применения, приведем данные по рынку и основным производителям. В основном речь пойдет о микросветодиодах (MicroLED). Эта технология разработана в Техасском технологическом университете в 2000 году, ее авторы – Hongxing Jiang (Хонсин Чан) и Jingyu Lin (Чинью Лин).
Структура и внешний вид различных исполнений микросветодиодов приведены на рис. 1–3 [3, 4]. Отличие технологии микросветодиодов от технологии обычных светодиодов заключается в том, что во втором случае изготавливаются единичные устройства размером около 1 мм и менее, из которых собирается большой экран. Матрица светящихся элементов микросветодиодов изготавливается в одном процессе на одной подложке с пространственным разрешением до 15–30 мкм. В технологии MicroLED используются неорганические материалы, традиционные для полупроводниковой микроэлектроники, в основном нитрид галлия.
Преимущества микросветодиодов:
• низкое энергопотребление;
• идеальный, почти нулевой уровень черного цвета, что в сочетании с высокой яркостью свечения обеспечивает высокий динамический диапазон (HDR);
• широкая цветовая гамма;
• длительный срок службы, экологическая стабильность вследствие низкой деградации материала;
• высокое разрешение (плотность пикселей);
• высокая частота обновления;
• широкие углы обзора.
При использовании усовершенствованных технологий возможна реализация дополнительных преимуществ:
• использование изогнутых / гибких панелей;
• интеграция датчиков в пределах фронтальной панели дисплея для расширения функциональных возможностей устройства.
Один из основных вариантов применения микросветодиодов – средства отображения информации или дисплеи. Результаты сравнения характеристик двух основных дисплейных технологий (жидкокристаллической и на основе органических светодиодов), для которых характерны широкое применение и большой объем производства, с рассматриваемой микродисплейной технологией приведены в таблице.
На первый взгляд, микродисплейная технология отличается рядом конкурентных преимуществ и может занять значительную нишу на рынке современной электроники. Рассмотрим подробнее состояние и перспективы рынка микросветодиодов.
Аналитическая компания n-tech Research 16 июля 2018 года опубликовала прогноз, согласно которому ожидается быстрый 4-кратный рост рынка микросветодиодов. В период с 2019 по 2022 годы предполагается увеличение объема продаж с 2,7 до 10,7 млрд долл. (рис. 4).
По данным другой аналитической компании Ingenious Reports, опубликованным 17 августа 2018 года, мировой рынок микросветодиодов в прошлом году составил 170 млн долл., а к 2025 году прогнозируется его рост до 17,1 млрд долл. Средний годовой прирост может составить 78,3%.
В настоящее время на рынке микросветодиодов представлены в основном следующие сегменты:
• проекторы дополненной и виртуальной реальности (AR / VR);
• дисплеи, закрепляемые на голове (HUD);
• умные часы (Smartwatches);
• смартфоны и планшеты;
• компьютерные мониторы;
• телевизоры, размер экрана которых <65 дюймов (165 см);
• телевизоры, размер экрана которых >65 дюймов, и видеостены.
Сегменты рынка по областям применения в соответствии с прогнозами консалтинговых компаний Yole Development, IHS, HCL показаны на рис. 5. Представлены базовый и агрессивный сценарии [5]. Цифры по вертикальным осям на рис. 4 и рис. 5 различаются. На рис. 4 приведены данные по рынку микросветодиодов как электронных компонентов для различных применений, на рис. 5 – данные по сегменту устройств, в которых используются микросветодиоды, с учетом полной стоимости этих устройств.
Прогноз объема выпуска микросветодиодов для различных вариантов применения представлен на рис. 6 [6]. Если в текущем году их производство еще не показано, то в предстоящие шесть лет (с 2019 по 2024 годы) ожидается 50-кратный рост объема выпуска до 312 млн шт.
Современные основные предприятия, выпускающие микросветодиоды и дисплеи на их основе, пока не интегрировались в сеть. Сейчас выделяются четыре основные группы компаний-производителей – Samsung, LG, Foxconn, Apple. Их связи с другими компаниями, специализирующимися на массовом производстве (OEM), дисплеях, микросветодиодах, светодиодах, полупроводниковых микросхемах (CMOS), показаны на рис. 7. Источник схемы – презентация консалтинговой компании Hendy Consulting, область деятельности которой – стратегия формирования изображений для дисплеев, применяемых в сфере высоких технологий и медицине [7].
В отчете аналитика консалтинговой компании HTF MI Нидхи Бхавсара (Nidhi Bhawsar), опубликованном 1 августа 2018 года, ключевыми организациями на этом рынке названы Apple, Sony, X–Celeprint, Samsung Electronics, OCULUS VR, Epistar, Verlase Technologies, Jbd & Aledia.
Для выхода на лидирующие позиции многие ведущие компании приобретают стартапы, развивающие технологии микросветодиодов. Самое известное недавнее приобретение компании Apple – покупка в 2014 году стартапа Luxvue, который занимался разработкой дисплеев с высокими яркостью и энергоэффективностью для потребительской электроники на базе технологии MicroLED (микросветодиоды).
В ноябре 2017 года Apple переформатировала свою исследовательскую группу в г. Лонгтан в северном Тайване для перспективных разработок такой продукции, как Apple-часы, приборы для дополненной и виртуальной реальности.
Другая известная крупная сделка – приобретение в октябре 2017 года за 10 млн долл. американского стартапа eLux группой компаний CyberNet Venture Capital, Innolux and Advanced Optoelectronic Technology, входящих в группу Foxconn. Под этим названием известен тайваньский контрактный производитель Hon Hai Precision Industry (Хон Хай Прецизионная Индустрия). Компания eLux, основанная в 2016 году в г. Кама, штат Вашингтон (Cama, WA), разрабатывает методы сборки для следующего поколения дисплеев с микросветодиодами. Руководят ею Jong-Jan Lee (Джонг-Джан Ли, генеральный директор) и Paul Schuele (Пауль Шюле, технический директор), которые раньше работали в компании Sharp Laboratories of America. По завершении этой сделки Sharp оставила за собой 31% акций eLux.
Говоря о перспективах развития компаний и технологических направлений, следует учитывать интеллектуальную собственность на технологию. В январе 2018 года компания Yole Development опубликовала отчет «Микросветодиодные дисплеи: ландшафт интеллектуальной собственности» [8], в котором проанализировала около 1 500 патентов, заявленных 125 компаниями и другими организациями. Распределение патентных заявок, сгруппированных тематически по компаниям и организациям, показано на рис. 8, а на рис. 9 эти компании и организации систематизированы по основному направлению своей деятельности: стартапы, компании массового производства для потребительской электроники, производители дисплеев, исследовательские организации (в России НИИ), производители светодиодов и др. Большой интерес представляет распределение патентов по узловым для микросветодиодов технологическим направлениям, приведенное на рис. 10.
Безусловный лидер по количеству патентов в сфере микросветодиодов – Apple, которая раньше других ведущих компаний вышла на этот рынок и продолжает активно приобретать новые технологии и стартапы в данной области. Среди лидеров по количеству патентов – британская компания X–Celeprint, ряд компаний и университетов Тайваня и Китая. Удивляет относительное отставание крупных японских и корейских компаний, которые продемонстрировали впечатляющие прототипы по большим дисплеям с микросветодиодами (о них будет рассказано ниже).
Таким образом, по направленности организаций почти половину составляют патенты от стартапов и исследовательских групп, в основном университетов. По тематике почти две трети составляют патенты, связанные со структурой и электронной коммутацией устройств с микросветодиодами.
Один из ярких примеров применения микросветодиодной технологии – большие панели, из которых можно составлять видеостены еще большего размера. В июле 2018 года появилось сообщение о готовности к серийному производству дисплеев The Wall в дисплейном подразделении корейской компании Samsung Electronics. В сентябре 2018-го должен был стартовать выпуск модульных телевизоров The Wall (рис. 11), предназначенных для домашнего и развлекательного применения. Среди потенциальных потребителей устройств – гостиницы, магазины, стадионы, музеи, развлекательные центры и комфортабельные квартиры и жилища. Время работы панелей составит около 100 тыс. ч, то есть более 11 лет. Размер одной панели по диагонали 146 дюймов (3,7 м), разрешение 4К, или 3 780 строк.
Стремительное развитие технологии становится возможным благодаря непрерывному совершенствованию производственных операций и конструкции. За счет внедрения операций с высокой производительностью на полупроводниковых подложках большего размера возможно пятикратное уменьшение себестоимости производства телевизионной панели размером 75 дюймов и разрешением до 8К пикселей по одному пространственному направлению (рис. 12) [9].
Однако, несмотря на большие недавние успехи, для технологии MicroLED характерны значительные нерешенные проблемы. Преимущественно они связаны с несогласованностью производственных технологий в компаниях, занятых разработкой и производством микросветодиодов (основные направления – дисплеи, твердотельные светодиоды, полупроводниковые микросхемы (см. рис. 7)). Для успешного изготовления микросветодиодов и устройств на их основе компании должны существенно изменить производственный процесс и обновить оборудование.
ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЕТОДИОДЫ
Хорошие перспективы для формирования изображений с высоким пространственным разрешением, четкой цветопередачей, коротким временем отклика есть у технологии MicroOLED (органические микросветодиоды).
Рассмотрим основные достижения и производителей в этой области.
С 2007 года во французском Гренобле работает компания MICROOLED, в которой создаются органические светодиоды (OLED) на основе одноименной технологии и производятся микродисплеи на их основе с высоким пространственным разрешением [10]. Первое устройство было выпущено в 2012 году, в том же году ST Microelectronics инвестировала в гренобльскую компанию 6 млн евро. Уже через три года потребителям было поставлено более 150 тыс. микродисплеев.
Сейчас компания MICROOLED выпускает микродисплеи моделей MDP02 (размер по диагонали 0,61 дюйма (1,55 см) и SXGA-разрешение – 5,4 мегапикселя – 1 280 Ч 960 пикселей для цветной картинки и 2 560 Ч 2048 – для монохромной) и MDP03 (размер по диагонали 0,39 дюйма (0,99 см) и XGA-разрешение – 3,3 мегапикселя) (рис. 13).
Размер цветного пикселя составляет 4,7Ч4,7 мкм, такая плотность сегодня – самая высокая в мире. Дисплеи обеспечивают яркость до 400 кд · м–2 и контраст до 100 000 : 1 с отличным воспроизведением даже ненасыщенных (пастельных) цветов. Диапазон рабочих температур от –40 до 70 °C. Энергопотребление может составлять всего 0,2 Вт.
На основе этой технологии обеспечивается отличное качество формируемого изображения за счет следующих особенностей:
• сверхвысокого контраста, в котором черное является черным (Black is black), что важно для видоискателей и устройств, работающих в условиях нехватки света;
• уникальной архитектуры дисплейной панели, обеспечивающей высочайшее разрешение благодаря высокой плотности пикселей, особому типу их взаимного расположения (RGBW или «квад»), отсутствию черной маски, часто применяющейся в ЖК-дисплеях для повышения контраста. Такая архитектура позволяет осуществлять доработку дисплея для увеличения динамического диапазона изображения и срока службы устройства;
• очень высоких однородности и динамического диапазона яркости, благодаря чему картинка смотрится мягко и естественно;
• технологии изготовления вафли (полупроводниковой подложки с электронными элементами) с цветными фильтрами, которая позволяет формировать изображения с широким углом обзора без потерь в качестве воспроизведения цвета и контраста;
• высокоэффективной технологии MicroOLED, уменьшающей энергопотребление в два-три раза по сравнению с конкурентными технологиями, что значительно продлевает срок службы батарей и других источников питания;
• времени отклика, который в микродисплеях намного меньше микросекунды во всем температурном диапазоне работы устройства, благодаря чему картинки не смазаны даже у быстро движущихся объектов;
• возможности в микродисплеях менять изображения с частотой смены кадров до 120 в секунду, что особенно важно для видоискателей;
• интеграции каждым MicroOLED-дисплеем просмотровой таблицы с индивидуальной калибровкой, что обеспечивает однородную белую точку и коррекцию гаммы;
• наличия в микродисплеях инновационной функции «Затемнение» (Dimming), позволяющей получить отличный контраст и измерение цвета в условиях чрезвычайно низкой освещенности.
Основные области применения MicroOLED-техно-
логии:
• видеоочки для просмотра видео, в том числе с трехмерным изображением. Они размещаются перед глазами и дают ощущение обзора с широкого экрана. Прибор соединяется с медиаплеером, мобильным телефоном или игровой консолью, не требует ручного управления;
• в устройствах, надеваемых на голову, есть функция дополненной реальности, благодаря чему пользователю поступают данные из Интернета, систем навигации, датчиков. Это особенно полезно при занятиях спортом для получения информации о расположении, скорости, физическом состоянии и т. п. Для продвинутых спортсменов предлагаются бинокулярные насадки с лазерными дальномерами, работающие и в условиях слабой освещенности;
• для служащих в полиции, воинских частях, подразделениях служб безопасности разработаны устройства с высокой четкостью, однородностью изображения, возможностью дистанционного обнаружения, получения теплового изображения, работы при малой освещенности.
Микродисплеи используются также в сложном медицинском оборудовании для визуализации внутренних органов, например в эндоскопах, хирургических микроскопах, медицинских лупах.
OLED-микродисплеи японской корпорации Sony отличаются высокими эксплуатационными характеристиками. В январе 2018 года были продемонстрированы образцы модели ECX339A с шагом пикселя 6,3 мкм. Размер микродисплея 0,5 дюйма (1,3 см), разрешение 1 600 Ч 1 200 пикселей (UXGA), яркость до 1 000 кд · м–2, частота смены кадров 240 Гц. На ноябрь 2018 года запланировано их массовое производство. Цена составит около 460 долл.
В новом микродисплее используется схема управления с рабочим напряжением в два раза меньшим, чем у предыдущей модели. Несмотря на большее количество пикселей и, соответственно, управляющих транзисторов, энергопотребление не увеличилось. В новой модели изменен производственный процесс – теперь цветные фильтры осаждаются непосредственно на кремниевую подложку (рис. 14), что позволяет увеличить углы обзора.
На рынке OLED-микродисплеев активным игроком пытается стать американская компания eMagin, которая, по опубликованным данным, получала от командования специальными операциями США 1,12 млн долл. на оптимизацию полноцветного WUXGA (1 920 Ч 1 200) OLED-дисплея с контрастом 10 000 : 1 и энергопотреблением до 0,35 Вт (рис. 15). Проект первоначально финансировался Исследовательским центром телемедицины и передовой технологии армии США. Затем военный флот США выделил компании 2,4 млн долл. на разработку микродисплея с разрешением 2 000 Ч 2 000 пикселей для приборной панели самолетов. Всего на эту НИОКР компания получила около 7 млн долл.
В отличие от технологии MicroOLED, где преимуществом устройств является возможность их использования при низкой освещенности, технология eMagin рассчитана на применение в условиях чрезвычайно высокой освещенности. Яркость этих микродисплеев составляет до 7 000 кд · м–2.
Технологию этой компании пытались внедрить в России для авиационных применений в НИИ «Циклон» в Москве, для чего были созданы образцы монохромного и цветного микродисплеев [11].
* * *
В обзоре приведены основные сведения об этой новой и перспективной технологии, которая стремится занять достойное место на рынке как больших дисплеев, так и микродисплеев для применений от информационных табло до устройств медицинского и военного назначения. В следующих публикациях будет подробнее рассмотрены подробности технологии микродисплеев, ее основные проблемы и методы их преодоления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляев В. Светодиоды и плоскопанельные дисплеи: Совмещение несовместимых // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2013. № 8. С. 82–95.
2. Беляев В. Современные светодиоды. Насколько светлое у них будущее? // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 2. С. 18–24.
3. Henry W. MicroLED Arrays. Find Applications in the Very Small // Photonics Spectra. 2013. № 3. P. 52–55.
4. Henry W. MicroLED Sources. Enable Diverse Ultralow-Power Applications // Photonics Spectra. 2013. № 10. P. 52–54.
5. MicroLED: Promise and risks // Hendy Consulting Report. July 2018.
6. Yole Development, MicroLED Display Volume Forecast – Aggressive Scenario // Market & Technology report. February 2017.
7. Market scenarios for the display industry 2018 // Hendy Consulting Report. January 2018.
8. Yole Development, MicroLED Displays: Intellectual Property Landscape // Market & Technology report. January 2018.
9. Yole Development, MicroLED Displays 2018 // Market & Technology report. July 2018.
10. http://www.microoled.net /
11. Усов Н. Н. Перспективы применения органических светодиодов для отображения информации и освещения // Светотехника. 2011. № 5. С. 4–14.
Уже больше десяти лет назад технологии светодиодов продвинулись дальше в микрометровом диапазоне размеров, достигнув 20–50 мкм у твердотельных светодиодов и 5–15 мкм – у органических. Наряду с обычными светодиодами появились мини- и микросветодиоды со схожими технологиями и областями применения. Отличие мини-светодиодов от микросветодиодов – в размере излучающего элемента, который может составлять от десятков до нескольких сотен микрон.
Рассмотрим структуру и технологии устройств, их особенности в сравнении с известными технологиями, области применения, приведем данные по рынку и основным производителям. В основном речь пойдет о микросветодиодах (MicroLED). Эта технология разработана в Техасском технологическом университете в 2000 году, ее авторы – Hongxing Jiang (Хонсин Чан) и Jingyu Lin (Чинью Лин).
Структура и внешний вид различных исполнений микросветодиодов приведены на рис. 1–3 [3, 4]. Отличие технологии микросветодиодов от технологии обычных светодиодов заключается в том, что во втором случае изготавливаются единичные устройства размером около 1 мм и менее, из которых собирается большой экран. Матрица светящихся элементов микросветодиодов изготавливается в одном процессе на одной подложке с пространственным разрешением до 15–30 мкм. В технологии MicroLED используются неорганические материалы, традиционные для полупроводниковой микроэлектроники, в основном нитрид галлия.
Преимущества микросветодиодов:
• низкое энергопотребление;
• идеальный, почти нулевой уровень черного цвета, что в сочетании с высокой яркостью свечения обеспечивает высокий динамический диапазон (HDR);
• широкая цветовая гамма;
• длительный срок службы, экологическая стабильность вследствие низкой деградации материала;
• высокое разрешение (плотность пикселей);
• высокая частота обновления;
• широкие углы обзора.
При использовании усовершенствованных технологий возможна реализация дополнительных преимуществ:
• использование изогнутых / гибких панелей;
• интеграция датчиков в пределах фронтальной панели дисплея для расширения функциональных возможностей устройства.
Один из основных вариантов применения микросветодиодов – средства отображения информации или дисплеи. Результаты сравнения характеристик двух основных дисплейных технологий (жидкокристаллической и на основе органических светодиодов), для которых характерны широкое применение и большой объем производства, с рассматриваемой микродисплейной технологией приведены в таблице.
На первый взгляд, микродисплейная технология отличается рядом конкурентных преимуществ и может занять значительную нишу на рынке современной электроники. Рассмотрим подробнее состояние и перспективы рынка микросветодиодов.
Аналитическая компания n-tech Research 16 июля 2018 года опубликовала прогноз, согласно которому ожидается быстрый 4-кратный рост рынка микросветодиодов. В период с 2019 по 2022 годы предполагается увеличение объема продаж с 2,7 до 10,7 млрд долл. (рис. 4).
По данным другой аналитической компании Ingenious Reports, опубликованным 17 августа 2018 года, мировой рынок микросветодиодов в прошлом году составил 170 млн долл., а к 2025 году прогнозируется его рост до 17,1 млрд долл. Средний годовой прирост может составить 78,3%.
В настоящее время на рынке микросветодиодов представлены в основном следующие сегменты:
• проекторы дополненной и виртуальной реальности (AR / VR);
• дисплеи, закрепляемые на голове (HUD);
• умные часы (Smartwatches);
• смартфоны и планшеты;
• компьютерные мониторы;
• телевизоры, размер экрана которых <65 дюймов (165 см);
• телевизоры, размер экрана которых >65 дюймов, и видеостены.
Сегменты рынка по областям применения в соответствии с прогнозами консалтинговых компаний Yole Development, IHS, HCL показаны на рис. 5. Представлены базовый и агрессивный сценарии [5]. Цифры по вертикальным осям на рис. 4 и рис. 5 различаются. На рис. 4 приведены данные по рынку микросветодиодов как электронных компонентов для различных применений, на рис. 5 – данные по сегменту устройств, в которых используются микросветодиоды, с учетом полной стоимости этих устройств.
Прогноз объема выпуска микросветодиодов для различных вариантов применения представлен на рис. 6 [6]. Если в текущем году их производство еще не показано, то в предстоящие шесть лет (с 2019 по 2024 годы) ожидается 50-кратный рост объема выпуска до 312 млн шт.
Современные основные предприятия, выпускающие микросветодиоды и дисплеи на их основе, пока не интегрировались в сеть. Сейчас выделяются четыре основные группы компаний-производителей – Samsung, LG, Foxconn, Apple. Их связи с другими компаниями, специализирующимися на массовом производстве (OEM), дисплеях, микросветодиодах, светодиодах, полупроводниковых микросхемах (CMOS), показаны на рис. 7. Источник схемы – презентация консалтинговой компании Hendy Consulting, область деятельности которой – стратегия формирования изображений для дисплеев, применяемых в сфере высоких технологий и медицине [7].
В отчете аналитика консалтинговой компании HTF MI Нидхи Бхавсара (Nidhi Bhawsar), опубликованном 1 августа 2018 года, ключевыми организациями на этом рынке названы Apple, Sony, X–Celeprint, Samsung Electronics, OCULUS VR, Epistar, Verlase Technologies, Jbd & Aledia.
Для выхода на лидирующие позиции многие ведущие компании приобретают стартапы, развивающие технологии микросветодиодов. Самое известное недавнее приобретение компании Apple – покупка в 2014 году стартапа Luxvue, который занимался разработкой дисплеев с высокими яркостью и энергоэффективностью для потребительской электроники на базе технологии MicroLED (микросветодиоды).
В ноябре 2017 года Apple переформатировала свою исследовательскую группу в г. Лонгтан в северном Тайване для перспективных разработок такой продукции, как Apple-часы, приборы для дополненной и виртуальной реальности.
Другая известная крупная сделка – приобретение в октябре 2017 года за 10 млн долл. американского стартапа eLux группой компаний CyberNet Venture Capital, Innolux and Advanced Optoelectronic Technology, входящих в группу Foxconn. Под этим названием известен тайваньский контрактный производитель Hon Hai Precision Industry (Хон Хай Прецизионная Индустрия). Компания eLux, основанная в 2016 году в г. Кама, штат Вашингтон (Cama, WA), разрабатывает методы сборки для следующего поколения дисплеев с микросветодиодами. Руководят ею Jong-Jan Lee (Джонг-Джан Ли, генеральный директор) и Paul Schuele (Пауль Шюле, технический директор), которые раньше работали в компании Sharp Laboratories of America. По завершении этой сделки Sharp оставила за собой 31% акций eLux.
Говоря о перспективах развития компаний и технологических направлений, следует учитывать интеллектуальную собственность на технологию. В январе 2018 года компания Yole Development опубликовала отчет «Микросветодиодные дисплеи: ландшафт интеллектуальной собственности» [8], в котором проанализировала около 1 500 патентов, заявленных 125 компаниями и другими организациями. Распределение патентных заявок, сгруппированных тематически по компаниям и организациям, показано на рис. 8, а на рис. 9 эти компании и организации систематизированы по основному направлению своей деятельности: стартапы, компании массового производства для потребительской электроники, производители дисплеев, исследовательские организации (в России НИИ), производители светодиодов и др. Большой интерес представляет распределение патентов по узловым для микросветодиодов технологическим направлениям, приведенное на рис. 10.
Безусловный лидер по количеству патентов в сфере микросветодиодов – Apple, которая раньше других ведущих компаний вышла на этот рынок и продолжает активно приобретать новые технологии и стартапы в данной области. Среди лидеров по количеству патентов – британская компания X–Celeprint, ряд компаний и университетов Тайваня и Китая. Удивляет относительное отставание крупных японских и корейских компаний, которые продемонстрировали впечатляющие прототипы по большим дисплеям с микросветодиодами (о них будет рассказано ниже).
Таким образом, по направленности организаций почти половину составляют патенты от стартапов и исследовательских групп, в основном университетов. По тематике почти две трети составляют патенты, связанные со структурой и электронной коммутацией устройств с микросветодиодами.
Один из ярких примеров применения микросветодиодной технологии – большие панели, из которых можно составлять видеостены еще большего размера. В июле 2018 года появилось сообщение о готовности к серийному производству дисплеев The Wall в дисплейном подразделении корейской компании Samsung Electronics. В сентябре 2018-го должен был стартовать выпуск модульных телевизоров The Wall (рис. 11), предназначенных для домашнего и развлекательного применения. Среди потенциальных потребителей устройств – гостиницы, магазины, стадионы, музеи, развлекательные центры и комфортабельные квартиры и жилища. Время работы панелей составит около 100 тыс. ч, то есть более 11 лет. Размер одной панели по диагонали 146 дюймов (3,7 м), разрешение 4К, или 3 780 строк.
Стремительное развитие технологии становится возможным благодаря непрерывному совершенствованию производственных операций и конструкции. За счет внедрения операций с высокой производительностью на полупроводниковых подложках большего размера возможно пятикратное уменьшение себестоимости производства телевизионной панели размером 75 дюймов и разрешением до 8К пикселей по одному пространственному направлению (рис. 12) [9].
Однако, несмотря на большие недавние успехи, для технологии MicroLED характерны значительные нерешенные проблемы. Преимущественно они связаны с несогласованностью производственных технологий в компаниях, занятых разработкой и производством микросветодиодов (основные направления – дисплеи, твердотельные светодиоды, полупроводниковые микросхемы (см. рис. 7)). Для успешного изготовления микросветодиодов и устройств на их основе компании должны существенно изменить производственный процесс и обновить оборудование.
ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЕТОДИОДЫ
Хорошие перспективы для формирования изображений с высоким пространственным разрешением, четкой цветопередачей, коротким временем отклика есть у технологии MicroOLED (органические микросветодиоды).
Рассмотрим основные достижения и производителей в этой области.
С 2007 года во французском Гренобле работает компания MICROOLED, в которой создаются органические светодиоды (OLED) на основе одноименной технологии и производятся микродисплеи на их основе с высоким пространственным разрешением [10]. Первое устройство было выпущено в 2012 году, в том же году ST Microelectronics инвестировала в гренобльскую компанию 6 млн евро. Уже через три года потребителям было поставлено более 150 тыс. микродисплеев.
Сейчас компания MICROOLED выпускает микродисплеи моделей MDP02 (размер по диагонали 0,61 дюйма (1,55 см) и SXGA-разрешение – 5,4 мегапикселя – 1 280 Ч 960 пикселей для цветной картинки и 2 560 Ч 2048 – для монохромной) и MDP03 (размер по диагонали 0,39 дюйма (0,99 см) и XGA-разрешение – 3,3 мегапикселя) (рис. 13).
Размер цветного пикселя составляет 4,7Ч4,7 мкм, такая плотность сегодня – самая высокая в мире. Дисплеи обеспечивают яркость до 400 кд · м–2 и контраст до 100 000 : 1 с отличным воспроизведением даже ненасыщенных (пастельных) цветов. Диапазон рабочих температур от –40 до 70 °C. Энергопотребление может составлять всего 0,2 Вт.
На основе этой технологии обеспечивается отличное качество формируемого изображения за счет следующих особенностей:
• сверхвысокого контраста, в котором черное является черным (Black is black), что важно для видоискателей и устройств, работающих в условиях нехватки света;
• уникальной архитектуры дисплейной панели, обеспечивающей высочайшее разрешение благодаря высокой плотности пикселей, особому типу их взаимного расположения (RGBW или «квад»), отсутствию черной маски, часто применяющейся в ЖК-дисплеях для повышения контраста. Такая архитектура позволяет осуществлять доработку дисплея для увеличения динамического диапазона изображения и срока службы устройства;
• очень высоких однородности и динамического диапазона яркости, благодаря чему картинка смотрится мягко и естественно;
• технологии изготовления вафли (полупроводниковой подложки с электронными элементами) с цветными фильтрами, которая позволяет формировать изображения с широким углом обзора без потерь в качестве воспроизведения цвета и контраста;
• высокоэффективной технологии MicroOLED, уменьшающей энергопотребление в два-три раза по сравнению с конкурентными технологиями, что значительно продлевает срок службы батарей и других источников питания;
• времени отклика, который в микродисплеях намного меньше микросекунды во всем температурном диапазоне работы устройства, благодаря чему картинки не смазаны даже у быстро движущихся объектов;
• возможности в микродисплеях менять изображения с частотой смены кадров до 120 в секунду, что особенно важно для видоискателей;
• интеграции каждым MicroOLED-дисплеем просмотровой таблицы с индивидуальной калибровкой, что обеспечивает однородную белую точку и коррекцию гаммы;
• наличия в микродисплеях инновационной функции «Затемнение» (Dimming), позволяющей получить отличный контраст и измерение цвета в условиях чрезвычайно низкой освещенности.
Основные области применения MicroOLED-техно-
логии:
• видеоочки для просмотра видео, в том числе с трехмерным изображением. Они размещаются перед глазами и дают ощущение обзора с широкого экрана. Прибор соединяется с медиаплеером, мобильным телефоном или игровой консолью, не требует ручного управления;
• в устройствах, надеваемых на голову, есть функция дополненной реальности, благодаря чему пользователю поступают данные из Интернета, систем навигации, датчиков. Это особенно полезно при занятиях спортом для получения информации о расположении, скорости, физическом состоянии и т. п. Для продвинутых спортсменов предлагаются бинокулярные насадки с лазерными дальномерами, работающие и в условиях слабой освещенности;
• для служащих в полиции, воинских частях, подразделениях служб безопасности разработаны устройства с высокой четкостью, однородностью изображения, возможностью дистанционного обнаружения, получения теплового изображения, работы при малой освещенности.
Микродисплеи используются также в сложном медицинском оборудовании для визуализации внутренних органов, например в эндоскопах, хирургических микроскопах, медицинских лупах.
OLED-микродисплеи японской корпорации Sony отличаются высокими эксплуатационными характеристиками. В январе 2018 года были продемонстрированы образцы модели ECX339A с шагом пикселя 6,3 мкм. Размер микродисплея 0,5 дюйма (1,3 см), разрешение 1 600 Ч 1 200 пикселей (UXGA), яркость до 1 000 кд · м–2, частота смены кадров 240 Гц. На ноябрь 2018 года запланировано их массовое производство. Цена составит около 460 долл.
В новом микродисплее используется схема управления с рабочим напряжением в два раза меньшим, чем у предыдущей модели. Несмотря на большее количество пикселей и, соответственно, управляющих транзисторов, энергопотребление не увеличилось. В новой модели изменен производственный процесс – теперь цветные фильтры осаждаются непосредственно на кремниевую подложку (рис. 14), что позволяет увеличить углы обзора.
На рынке OLED-микродисплеев активным игроком пытается стать американская компания eMagin, которая, по опубликованным данным, получала от командования специальными операциями США 1,12 млн долл. на оптимизацию полноцветного WUXGA (1 920 Ч 1 200) OLED-дисплея с контрастом 10 000 : 1 и энергопотреблением до 0,35 Вт (рис. 15). Проект первоначально финансировался Исследовательским центром телемедицины и передовой технологии армии США. Затем военный флот США выделил компании 2,4 млн долл. на разработку микродисплея с разрешением 2 000 Ч 2 000 пикселей для приборной панели самолетов. Всего на эту НИОКР компания получила около 7 млн долл.
В отличие от технологии MicroOLED, где преимуществом устройств является возможность их использования при низкой освещенности, технология eMagin рассчитана на применение в условиях чрезвычайно высокой освещенности. Яркость этих микродисплеев составляет до 7 000 кд · м–2.
Технологию этой компании пытались внедрить в России для авиационных применений в НИИ «Циклон» в Москве, для чего были созданы образцы монохромного и цветного микродисплеев [11].
* * *
В обзоре приведены основные сведения об этой новой и перспективной технологии, которая стремится занять достойное место на рынке как больших дисплеев, так и микродисплеев для применений от информационных табло до устройств медицинского и военного назначения. В следующих публикациях будет подробнее рассмотрены подробности технологии микродисплеев, ее основные проблемы и методы их преодоления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляев В. Светодиоды и плоскопанельные дисплеи: Совмещение несовместимых // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2013. № 8. С. 82–95.
2. Беляев В. Современные светодиоды. Насколько светлое у них будущее? // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 2. С. 18–24.
3. Henry W. MicroLED Arrays. Find Applications in the Very Small // Photonics Spectra. 2013. № 3. P. 52–55.
4. Henry W. MicroLED Sources. Enable Diverse Ultralow-Power Applications // Photonics Spectra. 2013. № 10. P. 52–54.
5. MicroLED: Promise and risks // Hendy Consulting Report. July 2018.
6. Yole Development, MicroLED Display Volume Forecast – Aggressive Scenario // Market & Technology report. February 2017.
7. Market scenarios for the display industry 2018 // Hendy Consulting Report. January 2018.
8. Yole Development, MicroLED Displays: Intellectual Property Landscape // Market & Technology report. January 2018.
9. Yole Development, MicroLED Displays 2018 // Market & Technology report. July 2018.
10. http://www.microoled.net /
11. Усов Н. Н. Перспективы применения органических светодиодов для отображения информации и освещения // Светотехника. 2011. № 5. С. 4–14.
Отзывы читателей
