Die große Wirkung von MicroLEDs

MicroLEDs sind im Wesentlichen Halbleiterbauelemente, die aus winzigen Leuchtdioden (LEDs) mit Durchmessern von 5 μm bis 100 μm bestehen, wodurch sie ungefähr die gleiche Größe haben wie kleine Staubpartikel oder feine Sandkörner.

Das Aufkommen von MicroLEDs

Im unaufhörlichen Trubel der modernen Welt hat der technologische Fortschritt dazu geführt, dass Geräte kontinuierlich kleiner, schneller und effizienter werden. Denken Sie an die Revolution in der Welt der Displays. Mit der Miniaturisierung von Displaytechnologien von Flüssigkristallen bis hin zu OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) haben Displays seit den Zeiten der sperrigen Kathodenstrahlröhren einen langen Weg zurückgelegt, und jede neue Generation verfügt über kompaktere, hellere und höher auflösende Bildschirme. In den letzten Jahren haben sich MicroLEDs zu einem mächtigen Kandidaten entwickelt, der erhebliche Verbesserungen in den Bereichen Helligkeit, Farbumfang, Kontrast, Reaktionszeit, Lebensdauer, und Energieeffizienz verspricht. Von unseren Lieblings-Gadgets und Displays in unseren Autos bis hin zu Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzwerken – MicroLEDs brillieren in einer Vielzahl von Anwendungen.

Gestalterische Herausforderungen bei der Miniaturisierung

Bei MicroLED-Anwendungen ist kleiner nicht nur praktischer, sondern auch energieeffizienter und noch kostengünstiger, sobald die Fertigung Skaleneffekte ermöglicht. Die Miniaturisierung ist jedoch mit eigenen Herausforderungen verbunden. Der Prozess der Herstellung solch winziger emittierender Strukturen führt zu Unvollkommenheiten auf atomarer Ebene, meist an den Rändern der LED, wo Strom nicht in Licht umgewandelt wird und somit der interne Wirkungsgrad sinkt. Je kleiner die MicroLED wird, desto größer ist das Verhältnis des Umfangs zur Oberfläche und desto schwieriger ist es, einen hohen internen Wirkungsgrad zu erzielen. 

Lichtextraktion und -formung sind weitere wichtige Herausforderungen. Wenn Sie eine LED verkleinern, sinkt auch die Toleranz für Veränderungen der Bemaßung und Fehlausrichtungen. Gleichzeitig wird es schwieriger, Licht effizient aus dem Gerät zu extrahieren und dabei unbeabsichtigte Signal- oder Energieübertragungen zwischen benachbarten Pixeln zu steuern und zu vermeiden. Diese Herausforderungen werden mit zunehmender Pixeldichte noch größer.

Zusätzlich zur Auslegung des MicroLED-Pixels im nano- oder mikro-Maß müssen Designer die inkohärente Emission und Interaktion großer Arrays dieser Pixel auf makroskopischer Geräteebene berücksichtigen. Je nach Anwendungsfall gibt es in der Regel weitere integrierte Ebenen und optische Elemente wie Objektive, Filter, Farbkonvertierungsebenen, Streuungsstrukturen, Gitter und Polarisatoren zur Unterstützung der Farbdefinition, Strahlverbesserung und Strahlformung. Die Kombination geeigneter Solver in nahtlosen Arbeitsabläufen für die genaue Modellierung dieser Bausteine und ihrer Interaktionen ist eine entscheidende Herausforderung für Ingenieure auf Systemebene.

Betrachten Sie nun die erstaunliche Anzahl von MicroLEDs, die für hochauflösende Bildschirme erforderlich sind – und stellen Sie sich die schwierige Aufgabe vor, Millionen winziger Sandkörner auf Mikrometer genau zu platzieren. Viele Hersteller haben stark in effiziente und skalierbare Massenübertragungsprozesse investiert, um Millionen von MicroLED-Matrizen von Donor-Wafern zu lösen, sie an Transferstempeln zu befestigen und sie dann präzise platziert auf dem Displaysubstrat freizugeben. Mithilfe von Massenübertragungsprozessen und -ausrüstung werden Millionen dieser MicroLEDs auf die Display-Rückwandplatine übertragen und zu Arrays zusammengesetzt, um die Subpixel innerhalb eines Displays zu bilden. Die MicroLEDs werden dann über Metallverbindungen mit der aktiven, komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Rückwandplatine (CMOS-Rückwandplatine) mit den zugehörigen Schaltkreisen und Ansteuerschaltungen elektrisch verbunden. Angesichts der schrumpfenden Subpixelgrößen ist die Lösung des Problems der Entwicklung äußerst kompakter, energieeffizienter und komplexer TFT-Treiber, die jedes Pixel präzise und schnell einzeln steuern können, eine große und dringende Herausforderung.

Fehler können in jeder Phase während des Produktionszyklus einer MicroLED auftreten. Betrachten wir ein 4K-Display mit mehr als acht Millionen Pixeln. Selbst wenn ein Fertigungsprozess zu 99,99% fehlerfrei ist, kann das Display mehr als 1.000 tote Pixel aufweisen. Die Erkennung und Reparatur von Mängeln in dieser Größenordnung kann sehr schwierig sein. Daher sind Methoden und Technologien zur Behebung von Mängeln und zum Erzielen hoher Fehlerfreiheitsquoten äußerst interessant.  

Die wichtigsten Vorteile der MicroLED-Technologie

Die MicroLED-Technologie bietet mehrere wesentliche Vorteile:

Hohe Luminanz: Die Luminanz in emissiven Objekten wie OLEDs kann gesteigert werden, indem der Eingangsstrom bis zu einem bestimmten Punkt erhöht wird. Danach leidet das Gerät unter einem Effizienzüberschlag und schneller Alterung und erfordert möglicherweise ein sorgfältiges thermales Management. MicroLEDs können große Stromdichten tolerieren und eine viel höhere Luminanz mit hoher Effizienz bei gleichbleibend schlankerem Profil erzielen.

Kurze Reaktionszeiten: Halbleitermaterialien, die in MicroLEDs verwendet werden, weisen schnelle elektrische und optische Reaktionseigenschaften auf, was im Vergleich zu den organischen Materialien in OLEDs zu schnelleren Pixelreaktionszeiten führt.

Unabhängige Pixelsteuerung: Jedes Pixel in einem MicroLED-Display kann individuell gesteuert werden, um seinen Ein- und Ausschaltzustand direkt zu beeinflussen, während OLEDs auf organische Materialien angewiesen sind, um Licht abzugeben oder aufzunehmen.

Stabilität und Robustheit: MicroLEDs bestehen aus Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid (GaN) mit überlegener Stabilität, wodurch komplexe Kapselungsmethoden überflüssig werden. Während OLEDs bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gut funktionieren, beschleunigen hohe Temperaturen ihre Alterung erheblich. Das thermale Management stellt auch bei LCDs eine Herausforderung dar, da es die Effizienz des Displays beeinträchtigt, während kalte Temperaturen zu einer verzögerten Leistung führen können. Die robuste zugrunde liegende LED-Technologie verschafft MicroLEDs eine überlegene Luminanz und Lebensdauer für Anwendungen mit anspruchsvollen Bedingungen wie vorhandener Luftfeuchtigkeit oder einem breiten Betriebstemperaturbereich.

Was sind Anwendungen von MicroLEDs?

Die oben genannten Vorteile verleihen MicroLEDs in bestimmten Anwendungen unvergleichliche Vorteile:

Head-up-Displays (HUDs) und Displays für zentrale Kombiinstrumente: Die hohe Luminanz von MicroLEDs ist entscheidend für die Fahrersicherheit, wenn sie in HUDs und zentralen Kombiinstrumenten in Autos und Flugzeugen eingesetzt werden. Die Lesbarkeit im Sonnenlicht wird verbessert, sodass wichtige Informationen unter verschiedenen Lichtverhältnissen immer sichtbar bleiben.

Scheinwerfer in der Fahrzeugbeleuchtung: In Kombination mit ihrer hohen Luminanz ermöglicht die Fähigkeit der MicroLEDs, Lichtsegmente auf Pixelebene selektiv zu steuern, eine präzise Echtzeit-Steuerung der Lichtverteilung und -intensität in Scheinwerferanwendungen der Automobilindustrie. Die MicroLED-Technologie hat das Potenzial, die derzeitigen Mikrospiegel der DLP-Technologie in Beleuchtungssystemen zu ersetzen und die Anzahl der steuerbaren Lichtsegmente in einem Scheinwerfer über das hinaus zu erhöhen, was bisher durch DLP möglich war. Diese hohe Pixelanzahl ermöglicht ein blendfreies Fernlicht für ein besseres Fahrerlebnis.  

Unterhaltungselektronik: Ihre hohe Luminanz und der geringe Platzbedarf verleihen MicroLEDs einen entscheidenden Vorteil in Anwendungen, bei denen Informationen in einem kleinen Bereich angezeigt werden müssen, während gleichzeitig viel Umgebungslicht vorhanden ist, zum Beispiel bei Smartwatches und Augmented-Reality-Displays, was das Benutzererlebnis verbessert.

Die Möglichkeit, jedes Pixel direkt zu steuern, in Kombination mit ihren schnellen Reaktionszeiten ist besonders nützlich, wenn es darum geht, Bewegungsunschärfe und Geisterartefakte in Anwendungen zu reduzieren, die ein flüssiges Rendering von Bewegung erfordern und schnelle Inhalte wie Spiel-, Sport- und Actioninhalte sowie AR/VR umfassen.

Lichtbasierte Hochgeschwindigkeitskommunikation: Die Optimierung von MicroLEDs für schnellere Schaltzeiten öffnet die Tür für den Einsatz in lichtbasierten Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsanwendungen wie beschleunigtem Computing.

Flexible und dehnbare Displays: Die Stabilität und Robustheit von MicroLEDs machen sie zu einem ernsthaften Kandidaten für flexible und dehnbare Displays, wodurch komplexe Kapselungsmethoden überflüssig werden.

Die anspruchsvolle und vielversprechende Zukunft von MicroLEDs

Obwohl einige Unternehmen wie Sony, Samsung und Konka MicroLED-Videowände verkaufen und weitere Unternehmen verschiedene MicroLED-basierte Prototypen wie Luxusfernsehgeräte und transparente und flexible Displays in unterschiedlichen Größen vorstellen, sind die MicroLEDs noch nicht stark verbreitet. Eines der Hindernisse für den Zutritt zum Markt ist die bewährte und kosteneffiziente OLED-Technologie. OLEDs profitieren bereits seit mehreren Jahrzehnten von erheblichen Investitionen in Materialien, Geräte und Produktionsentwicklung, was sie zu einem hartnäckigen Konkurrenten bei TV- und Smartphone-Anwendungen gemacht hat.

 Während die Differenzierung gegenüber OLEDs in einigen Anwendungen äußerst schwierig sein kann, sind andere Anwendungen, in denen die hohen Anforderungen an hohe Helligkeit, hohe Auflösung, Dichte, Reaktionszeit, Stromverbrauch und Robustheit unter extremen Bedingungen bestehen, vorteilhaft für MicroLEDs und wahrscheinlich förderlich für die breite Verbreitung dieser Technologie.

"Es gibt erhebliches Potenzial für MicroLEDs in der Unterhaltungselektronik", so Jose Pozo, Chief Technology Officer (CTO) von Optica. "Die Technologieführer haben wissentlich einen Präzedenzfall für die fortlaufenden Erwartungen der 'nächsten Generation' geschaffen. Bedenken Sie, wie jede neue Version eines Smartphones die neuesten Weiterentwicklungen und ein besseres Erlebnis bietet. Diese Einstellung gilt nun für jede neue Technologie, die auf den Markt kommt. Während Wearable-Technologie und Augmented und Virtual Reality noch recht neue Felder sind, bieten MicroLEDs Eigenschaften, die sie für die kontinuierliche Produktentwicklung sehr attraktiv machen." Optica wurde 1916 gegründet und ist eine führende Organisation für Wissenschaftler, Ingenieure, Geschäftsleute, Studierende und andere, die sich für die optische Industrie interessieren. Optica ist der Förderung von Gewinnung, Anwendung, Archivierung und Verbreitung von Wissen im Bereich der Optik gewidmet.

Außerdem werden laufend Investitionen in die Forschung und Entwicklung neuer Materialien und Verfahren getätigt, die den Stand der OLED-Technologie weiter voranbringen. Jedes Jahr treten neue Display-Hersteller, Startups, Erstausrüster (OEMs) und Ausrüstungshersteller auf dem Markt für MicroLEDs auf, und die großen Akteure der Technologiebranche investieren weiterhin Milliarden in die Entwicklung von MicroLEDs. Dies ist ein vielversprechender Hinweis darauf, dass diese neue Displaytechnologie einen fruchtbaren Boden mit beträchtlichem Investitions- und Wachstumspotenzial darstellt.

Zusätzliche Ressourcen

Weitere Informationen zu den Simulationsfunktionen von Ansys Optik für die Entwicklung von MicroLEDs finden Sie in unserer Anwendungsgalerie. Beispiel: Multiphysik-Design für MicroLEDs.