Użytkownik

Zaloguj

Zarejestruj

Sekcje

Micro-LED - nowa technologia w wyświetlaczach

Micro-LED

Wyświetlacze LCD LED i OLED są szczególnie popularne w urządzeniach mobilnych, a te największe są stosowane w telewizorach. Duże nadzieje producenci TV wiążą z Micro-LED, które mają szereg atrakcyjnych właściwości, a na wystawie CES firma Samsung pokazała pierwszy prototypowy wyświetlacz o przekątnej 146 cali.

Niewielka dioda LED, będącą źródłem światła, jest niezastąpiona w produkcji wyświetlaczy do telewizorów i pełni różne funkcje w zależności od rodzaju diody i typu wyświetlacza.

LED niezastąpiona w telewizorze

Po raz pierwszy LED-y zastosowano w podświetleniu w telewizorach LCD, zastępując tradycyjne świetlówki CCFL (fluorescencyjne). Dzięki nim telewizory stały się cieńsze, bardziej oszczędne (o ok 50–75 proc.) i tańsze w produkcji. Są źródłem światła białego dla filtrów kolorów podstawowych (R, G, B) subpikseli tworzących punkt obrazowy, czyli piksel. Mogą być stosowane w podświetleniu krawędziowym (Edge) oraz tylnym Full LED. Stosowanie LED-ów daje możliwość miejscowego przyciemniania obrazu przez sterowanie natężeniem ich światła przez włączanie i wyłączanie stref LED w zależności od treści na obrazie, aby zwiększyć poziom czerni i kontrastu.

Podświetlenie matrycowe bezpośrednie Full LED

Największą poprawę kontrastu uzyskuje się, stosując białe diody za matrycą LCD (tzw. direct light). Panel podświetlenia składa się z klastrów (np. 256 bloków po 8 lub 16 diod LED), sterowanych osobno. Analiza sygnału wizyjnego przez procesor pod względem intensywności (jasności) pozwala na uzyskanie informacji o tym, które fragmenty obrazu mają być ciemniejsze, a które jaśniejsze. Dynamiczne sterowanie jasnością grup LED powoduje zwiększenie dynamicznego kontrastu, czyli chwilowej różnicy jasności między bielą a czernią.

Podświetlenie matrycowe bezpośrednie Full LED 2

Niewielka dioda LED jest niezastąpiona w produkcji wyświetlaczy do telewizorów, pełni różne funkcje w zależności od rodzaju diody i typu wyświetlacza.

Podświetlenie krawędziowe

W podświetleniu krawędziowym LED-y są zazwyczaj umieszczane wzdłuż dolnej krawędzi ekranu, a w droższych telewizorach jest stosowane strefowe ich wygaszanie, co poprawia kontrast dynamiczny, ale poziom czerni jest mniejszy niż w podświetleniu LED Full HD oraz występuje efekt nierównomierności podświetlenia całej matrycy LCD.

W wyświetlaczach LCD z podświetleniem LED występują duże straty światła, spowodowane przechodzeniem przez kilka warstw wynikających z konstrukcji wyświetlacza LCD. Aby uzyskać oczekiwaną jasność obrazu, musi być wytworzona 10-krotną większa jasność podświetlającej warstwy LED.

Podświetlenie krawędziowe 2

Telewizory QLED marki Samsung wykorzystują niebieskie LED do pobudzenia kropek kwantowych R i G do świecenia, aby wytworzyć białe światło o poszerzonym zakresie barw.

LED-y w telewizorach LCD premium

Najlepszą jakość kolorów mają wyświetlacze LCD z poszerzonym zakresem barw (Wide Color Gamut), które wykorzystują kropki kwantowe lub specjalnej konstrukcji LED-y. To, jakie barwy obrazu są odtwarzane przez wyświetlacz, zależy od spektrum barw światła białego wytwarzanego przez podświetlenie i barwnych filtrów R, G, B.

Większy zakres kolorów można uzyskać, stosując podświetlenie z najnowszej generacji źródeł światła, jakimi są nanokryształy (kropki kwantowe) i hybrydowe LED-y. Kropki kwantowe charakteryzuje zjawisko fluorescencji – emitowania światła przez wzbudzony atom lub cząsteczkę. Nanokryształy oświetlone światłem niebieskim mogą emitować światło widzialne dostrojone do określonej długości fali danej barwy i filtrów, przez co idealnie nadają się do stosowania w wyświetlaczach obrazu LCD. Nie wchodząc w zawiłości techniczne, można stwierdzić, że kropki kwantowe stosowane w wyświetlaczach umożliwiają konwersję światła niebieskiego na światło o określonej długości fali, odpowiadającej konkretnej barwie czerwonej i zielonej. Źródłem niebieskiego światła są niebieskie LED-y umieszczane w podświetleniu krawędziowym (najpopularniejsze) lub tylnym. Kropki czerwone i zielone znajdują się w specjalnej warstwie (folii). Światło białe o poszerzonym spektrum barw powstaje w wyniku mieszania się światła niebieskiego z LED i pobudzonych do świecenia kropek czerwonych i zielonych.

Do wytworzenia światła białego o szerszym zakresie barw (Wide Color Gamout) można używać hybrydowych LED, nie trzeba wtedy stosować specjalnej folii z kropkami kwantowymi. Źródłem białego światła jest niebieska LED pokryta częściowo luminoforem e mitującym żółtozielone światło tak, że w wyniku konwersji światła dioda emituje jednocześnie światło, które miesza się z jej światłem niebieskim. Takie rozwiązanie stosuje firma Panasonic w swoich telewizorach Ultra HD Premium. Podobne rozwiązanie NBP Photon Technology stosuje firma TCL. Emitowane białe światło zawiera znacznie szersze spektrum barw, dzięki czemu uzyskano pokrycie 90–98 proc. przestrzeni barw zgodnej z normą DCI, co jest porównywalne z kropkami kwantowymi.

LED-y w telewizorach LCD premium 2

„The Wall” pierwszy telewizor z wyświetlaczem z modułami Micro-LED marki Samsung o przekątnej 146 cali.

HDR wyzwanie dla LED

Technika zwiększania dynamiki kolorów HDR wymaga znacznie większej jasności światła LED stosowanych w podświetleniu tylnym lub krawędziowym, np. w telewizorach premium zamiast LED o luminancji 300–400 nt wymagane są jasność do 1000 nt i odpowiednie sterowanie impulsowe, aby uzyskać chwilowy efekt rozjaśnienia określonych miejsc na obrazie. W najnowszych telewizorach marki Samsung QLED TV zastosowano diody LED o luminancji 1500– 2000 nt, dzięki czemu efekty świetlne są bardziej dynamiczne.

HDR wyzwanie dla LED 2

Porównanie struktur wielkości zwykłej LED i Micro-LED w telewizorze Samsung „The Wall”.

OLED

W porównaniu do telewizorów LCD LED wyświetlacze OLED nie potrzebują warstwy podświetlenia LED. Diody OLED są produkowane ze związków organicznych – polimerowych półprzewodników emitujących światło, a nie związków nieorganicznych, np. arsenku galu z różnymi domieszkami. Polimery kojarzą się przede wszystkim z tworzywami sztucznymi nieprzewodzącymi prądu. Tak jak LED polimery OLED mogą przetwarzać energię elektryczną w światło dzięki zjawisku elektroluminescencji. Struktura OLED ma budowę warstwową. Zawiera jedną lub kilka warstw o grubości ok. 400–500 nm (co odpowiada jednej setnej grubości ludzkiego włosa), napylonych na szklane lub przezroczyste elastyczne podłoże foliowe. Zasilanie diody jest doprowadzone przez anodę i katodę. Dioda OLED jest pobudzana do świecenia napięciem z tranzystora TFT (Thin Film Transistor, technika AMOLED). Tranzystor TFT przez zmianę wartości prądu płynącego przez pojedynczy subpiksel steruje jego intensywnością świecenia. Te zalety sprawiają, że sam ekran ma grubość 4 mm, jest bardzo lekki oraz pobiera znacznie mniej mocy. Aby nadać produktowi odpowiednią wytrzymałość, tylną obudowę wykonuje się z tworzywa sztucznego zbrojonego włóknem węglowym lub szkła. Warstwa OLED musi być chroniona przed działaniem tlenu i wilgoci. Wrażliwość polimerów na wilgoć i tlen to główny problem przy produkcji diod OLED i wyświetlaczy.

Telewizory z ekranami OLED mają wiele zalet. Pierwsza to jakość obrazu, którego czerń osiąga poziom większy niż w wypadku LCD LED, a nasycenie kolorów jest wzorcowe. W wyświetlaczach LG dodano czwarty subpiksel – biały, co ma zwiększać jasność, zakres tonalny i wierność odwzorowania kolorów.

Czas reakcji matrycy OLED jest znacznie krótszy niż LCD. Zjawisko smużenia obrazu szybko poruszających się obiektów na ekranie jest znacznie mniejsze, ale występuje.

Kąt patrzenia na ekran może być dowolny, bez pogorszenia jakości obrazu. Ekrany nie wymagają podświetlenia LED (jak ma to miejsce w telewizorach LCD), które wiąże się z niejednorodnością światła i wpływa na jakość obrazu. Źródłem światła jest sam materiał piksela – dioda organiczna LED (a nie półprzewodnikowa), którą można nanosić na różne materiały, nawet folię przezroczystą, i tworzyć zwijane ekrany.

Największymi wadami wyświetlaczy OLED są ich mniejsza trwałość niż LCD i wypalanie się pikseli z czasem (zjawisko podobne jak w wyświetlaczach plazmowych). Wynika to z ciągłego świecenia pikseli (wypalenie luminoforu). Wyświetlanie przez długi czas nieruchomego obrazu (np. logo kanału, menu ekranowego, sceny z gry wideo lub ekranu komputera) może spowodować uszkodzenie ekranu w postaci pozostałości nieruchomego obrazu.

OLED 2

Duży ekran marki Sony CLEDIS o wymiarach 9,7 × 2,7 m i rozdzielczości 8K × 2K składający się z 144 modułów Micro-LED o wymiarach 403 × 453 mm.

Micro-LED – zalety OLED i LCD

Ograniczenia wyświetlaczy LCD LED i OLED ma wyeliminować wyświetlacz z diodami Micro-LED, nazywanymi microLED, mLED lub μLED, brak jest jednoznacznej terminologii. Sama nazwa sugeruje, że są to LED-y bardzo małe. Struktury Micro- LED mają wymiary 1/10 grubości ludzkiego włosa (mniej niż 100 μm). Do nanoszenia na podłoże można używać technologii drukowania, jak w OLED, lub napylania próżniowego. Podobnie jak OLED, diody emitujące światło mogą być nanoszone na różnych podłożach, w tym na szkle, plastiku i metalu. Umożliwi to w przyszłości produkcję elastycznych, zwijanych i składanych wyświetlaczy.

Wyświetlacz Micro-LED składa się z matryc Micro- LED R, G, B, tworzących poszczególne elementy piksela. W porównaniu do szeroko rozpowszechnionej techniki LCD prototypowe wyświetlacze Micro-LED mają większy kontrast, krótszy czas reakcji i są bardziej energooszczędne. W przeciwieństwie do OLED, Micro-LED wykorzystuje materiał, np. azotek galu (GaN), który jest stosowany w zwykłych świecących LED i umożliwia osiągnięcie znacznie większej całkowitej jasności niż produkty OLED (aż 30 razy), a także większej wydajności świetlnej (lm/W). Większa wydajność świetlna oznacza, mniejsze zużycie energii dla uzyskania tej samej jasności obrazu. Wyświetlacze z Micro-LED pobierają o 90 proc mniej energii niż LCD i o 50 proc. mniej niż OLED. Mają także większą trwałość niż OLED.

Wyświetlacze z Micro-LEDami mogą osiągnąć luminancję 1000-2000 nt (co jest ważne ze względu na funkcję HDR), typowo telewizory LCD mają luminancję o wartości kilkaset nitów. Jest możliwość nanoszenia warstw kropek kwantowych na poszczególne Micro-LEDy, co umożliwi poszerzenie zakresów kolorów.

Podobnie jak OLED, Micro-LED mogą również służyć do zastosowań oświetleniowych. Znajdą zastosowanie w smartwatchach, smartfonach, monitorach, telewizorach, wyświetlaczach VR i AR i innych urządzeniach, np. samochodowych. Micro-LED może być osadzony w odzieży i innych rzeczach. OLED i Micro-LED mają znacznie mniejsze zapotrzebowanie na energię w porównaniu do konwencjonalnych systemów LCD.

W porównaniu z OLED-ami, Micro-LED są źródłem światła, które są:

  • 30-krotnie jaśniejsze niż OLED,
  • bardziej energooszczędne, zużywają o 90 proc mniej energii niż LCD i o 50 proc. mniej niż OLED,
  • cieńsze i lżejsze,
  • trwałe.

Micro-LED – zalety OLED i LCD 2

Pierwszy na świecie rozciągliwy wyświetlacz LED (TFT), laminowany do tkaniny opracowany przez firmy Holst Center, imec i CSMT.

Pierwsze wyświetlacze

Nieorganiczna technologia półprzewodnikowych Micro-LED (μLED) została wynaleziona w 2000 r. przez grupę badawczą prof. Hongxing Jiang i prof. Jingyu Lin z Texas Tech University z Uniwersytetu Stanowego w Kansas.

Pierwsze prototypowe wyświetlacze z Micro-LED opracowała firma Sony w 2012 r. 55-calowy Crystal LED Display o rozdzielczości Full HD. wykorzystywał 6,22 mln Micro-LED (1920 × 1080 × 3), współczynnik kontrastu wynosił 1000000:1, a przestrzeń kolorów 140 proc. NTSC. Wyświetlacz jednak nie wszedł do produkcji.

Rozwinięciem tej konstrukcji był wyświetlacz CLEDIS (Crystal Light Emitting Diode Integrated Structure), którego premiera miała miejsce na targach InfoComm 2016. Skalowalny system tworzą moduły o wymiarach 403 × 453 mm, które można łączyć tak, aby uzyskać wyświetlacz o rozmiarach i proporcjach dostosowanych do indywidualnych potrzeb, na przykład 144 moduły pozwolą zbudować ekran o wymiarach 9,7 na 2,7 m i rozdzielczości 8K × 2K. Brak obramowania modułów powoduje, że po ich połączeniu uzyskuje się wielkowymiarowy obraz, który wygląda jak wyświetlany na pojedynczym panelu.

W tym roku na targach CES premierę miał pierwszy wyświetlacz „ The Wall” Micro- -LED marki Samsung o przekątnej 146 cali. Z Micro-LED są budowane moduły, które stanowią źródło obrazu. Dużą przekątną uzyskano dzięki modułowej budowie, która daje możliwość tworzenia wyświetlaczy o dowolnych rozmiarach, co zmniejsza koszty produkcji. Nowy wyświetlacz nie wykorzystuje kryształów LCD i nie potrzebuje podświetlenia LED oraz filtrów kolorów. Uzyskuje się obraz porównywalny z OLED pod względem poziomu czerni i kolorów, ale jaśniejszy (luminancja 2000 nt, tak jak w LCD), przy znacznie mniejszym poborze energii niż OLED i większej trwałości. W przyszłości pojawią się telewizory o mniejszych przekątnych. Prowadzone są prace nad zastosowaniem Micro- LED w smartwatchach i dużych wyświetlaczach. W smartwatchach będą konkurować z techniką OLED.

Pierwsze wyświetlacze 2

Wyświetlacze OLED można wyginać i mocować do ściany na magnesy.

Producenci Micro-LED i wyświetlaczy

Obecnie badania nad Micro-LED koncentrują się na właściwościach i technice produkcji Micro-LED oraz nanoszeniu ich na różne podłoża w celu produkcji wyświetlaczy do rozmaitych zastosowań. Producentami podzespołów niezbędnych do produkcji Micro-LED są firmy i ośrodki badawcze zlokalizowane w USA, Europie, w Korei i na Tajwanie. Firmy w USA to: eLux (Faxconn zainwestował w tę firmę 10 mln dol.), Rohinni, Oculus (przejął firmę InfiniLED i zmierza stosować wyświetlacze w goglach VR), GLO (produkuje nanowody GaN), III-N Technology, Uniqarta, Lumiode oraz kanadyjska VueReal (opracowała wyświetlacze 4K 6000PPI). Firmy europejskie to: niemieckie Allos Semiconductors (produkuje Micro-LED GaN-Si ) i Aixtron AG, francuskie III –V Lab, Seren Photonic, Aledia, CEA-leti, brytyjska mLED, irlandzka X-Celeprint (opracowała technologię druku Micro Transfer Printing). Azjatyckie to: japońskie Sony, tajwańskie: PlayNitride (pod nazwą Pixel- LED są produkowane wyświetlacze o rozdzielczości 1500 PPI), Crystalwise Technology, ITRI, Epistar (100 μm Micro-LED do dużych wyświetlaczy), Unimicron (płytki drukowane do Micro- -LED), Mikro Mesa (wyświetlacze 50PPI i mniejszej, o dużej powierzchni – 50 cali i większej), Firma Apple, która przejęła firmę LUXVue Technology, producenta Micro-LED, kontynuuje badania w ośrodku badawczo produkcyjnym w Taoyuan na Tajwanie.

Koreańska firma Lumens koncentruje się na samochodowych przezroczystych wyświetlaczach HUD (Head-Up Display) mocowanych na szybie i dużych wyświetlaczach reklamowych (signage). Mały wyświetlacz HUD to 0,57-calowy moduł VGA (640 × 480 pikseli), który wykorzystuje chipy LED 8 μm. 100-calowy panel wyświetlacza signage wykorzystuje Micro-LED o wymiarach 300 × 100 μm. Prototypy pokazano na wystawie CES 2018 r.

Tajwańskie Laboratorium Badań Systemów Elektronicznych i Optoelektronicznych (EOSRL, część tajwańskiego ITRI) opracowuje wyświetlacze o przekątnej 60–100 cali i używa chipów Micro-LED o rozmiarach 70–80 μm. EOSRL przewiduje, że produkcja seryjna nastąpi w 2018 r. Przed masową produkcją wyświetlaczy Micro-LED jest jeszcze wiele problemów technologicznych do rozwiązania i opracowanie standardów dla materiałów półprzewodnikowych i urządzeń produkcyjnych. Przewiduje się, że pierwsze urządzenia z Micro-LED pojawią do 2020 r.

Producenci Micro-LED i wyświetlaczy 2

Struktura matrycy wyświetlacza Micro-LED o rozdzielczości 2540 dpi opracowanego przez firmę Leti i instytut CEA Tech.

Cinema LED – kinowy ekran

Cinema LED – kinowy ekran

W kinie Arena Cinemas Sihlcity w Zurychu został zainstalowany pierwszy w Europie ekran kinowy LED, stworzony przez firmę Samsung. Kinowy ekran jest podświetlony przez niemal 9 milionów diod LED zawartych w modułach. Technika LED oferuje 10-krotnie większy poziom jasności obrazu w porównaniu z konwencjonalnymi rozwiązaniami, osiągając 500 nt. Ponadto ekran Cinema LED w porównaniu z tradycyjnymi projektorami charakteryzuje się zdecydowanie mniejszym zużyciem energii. Dzięki technice High Dynamic Range (HDR) oraz rozdzielczości 4K ekran Samsung Cinema LED Display zapewnia niespotykaną do tej pory w salach kinowych jakość obrazu, a współpraca Samsung Audio Lab i Harman Professional Solutions pozwala osiągać doskonały, naturalnie brzmiący dźwięk. Dzięki pokaźnym rozmiarom (10,24 × 5,4 m) ekran Samsung Cinema LED jest w stanie wyświetlać filmy w rozdzielczości 4K (4096 × 2160 pikseli), a zastosowana technika High Dynamic Range (HDR) gwarantuje niespotykaną dotąd jakość obrazu, który imponuje dynamiką i precyzją. Funkcja ta pozwala uzyskać głębię kolorów i duży kontrast nawet w bardzo jasnych lub ciemnych scenach. Ponadto publiczność kinowa może cieszyć się naturalnie brzmiącym dźwiękiem dzięki wykorzystaniu techniki stworzonej we współpracy z laboratorium audio Samsunga ze specjalistami z Harman Professional Solutions.

2018-02-06
Justat Jerzy

Kontakt z redakcją

Zapisz się do newslettera

© 2018 InfoMarket