Was ist eine MicroLED?

Optische und photonische Technologien entwickeln sich in Display-Anwendungen rasant weiter. OLED-TVs sind derzeit der größte kommerzielle Markt, aber MicroLEDs gelten aufgrund besserer Reaktionszeiten, niedrigerem Stromverbrauch, höherer Energieeffizienz und höherer Auflösung als die nächste Generation von LED-Displays. 

MicroLEDs (μLEDs) sind Geräte in Mikrometergröße, die aus III-V-Verbindungen – Elementen in der dritten und fünften Spalte des Periodensystems – wie Indiumgalliumnitrid (InGaN) und Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP) hergestellt werden. MicroLEDs sind kleine, flache, quadratische Lichtquellen, die in Arrays mit sehr hohem Kontrast integriert werden können. Jede LED in einem MicroLED-Display fungiert als Pixel (entweder rot, grün oder blau) und kann in MicroLED-TVs und anderen Technologien eingesetzt werden, die moderne Displays erfordern.

MicroLEDs funktionieren anders als LCD-basierte Displays. Herkömmliche LCD-Systeme nutzen eine LED-Hintergrundbeleuchtung und eine Flüssigkristallschicht, die Bilder erzeugt, indem bestimmte Teile des Lichts blockiert werden. Im Gegensatz dazu sind sowohl MicroLED- als auch OLED-Displays viel einfacher, da sie nicht auf LCDs angewiesen sind. Stattdessen strahlt jede LED ihr eigenes Licht aus und erzeugt das Bild aus jedem einzelnen Pixel. 

Im Idealfall wäre das epitaktische Wachstum oder das Wachstum der LEDs direkt auf der Rückwandplatine über monolithische Integration der beste Herstellungsweg für MicroLEDs. In diesem Bereich entwickeln Unternehmen momentan Prototypenstrategien, aber die derzeitigen Kosten für die Durchführung dieser Methoden sind zu teuer, um wirtschaftlich umsetzbar zu sein.

Heute werden MicroLEDs häufiger mit der Pick-and-Place-Transfermethode hergestellt. Bei diesem Ansatz werden die roten, grünen und blauen LEDs direkt auf einem Wafer gefertigt und dann einzeln auf die Rückwandplatine übertragen, die ein Substrat und die elektronischen Teile enthält, die zur Regelung des Lichts benötigt werden. Der Massenübertragungsprozess muss schnell, präzise und zuverlässig sein, um sicherzustellen, dass alle LEDs ordnungsgemäß auf der Rückwandplatine ausgerichtet sind.

Trotz der Herausforderungen in der Großserienfertigung entwickeln LG, Sony und Samsung große, hochwertige MicroLED-TVs. Dennoch müssen viele Problemstellungen in Bezug auf Design und Skalierung angegangen werden, bevor sie den Durchschnittsverbraucher*innen zur Verfügung stehen. Derzeit sind diese TVs aufgrund des zeitaufwändigen und kostspieligen Pick-and-Place-Herstellungsprozesses sehr teuer.

Die MicroLED-Technologie ist noch nicht ausgereift, und Designer*innen können im Herstellungsprozess viele verschiedene Herstellungsmethoden für Halbleiter einsetzen. Einige wichtige Überlegungen für Entwickler*innen im Bereich des MicroLED-Designs sind:

• Inkohärente Emission auf makroskopischer Ebene in großen Pixel-Arrays. Um dies zu vermeiden, können Designer*innen andere optische Elemente wie Filter, Objektive, Farbkonvertierungsebenen, Streustrukturen, Polarisatoren und Gitter nutzen, um die Farbdefinition des Displays zu verbessern.
• Strengere Toleranzanforderungen bei kleineren LED-Größen. Die Toleranz für Maßänderungen und Fehlausrichtung wird bei kleinen LEDs enger, insbesondere bei höheren Pixeldichten.
• Defekte und Mängel im Atommaßstab an den Kanten einer LED, die die interne Effizienz des Geräts beeinträchtigen können.
• Erhöhte Nachfrage nach äußerst kompakten, energieeffizienten und komplexen TFT-Treibern (Thin Film Transistor), die kleiner werdende Subpixelgrößen aufnehmen. Subpixel enthalten die RGB-Elemente, die für die Farbgebung in Displays erforderlich sind, sodass TFTs jedes Pixel schnell und präzise steuern müssen.
• Vermeidung von Mängeln, die in jeder Produktionsphase auftreten können. Selbst bei Herstellungsprozessen können noch tote Pixel erzeugt werden, die berücksichtigt werden müssen.

OLED-Displays und OLED-Technologie sind in den letzten Jahren zum Goldstandard geworden, aber wie unterscheiden sie sich von MicroLEDs? Es gibt viele verschiedene Metriken für die Messung der OLED-, MicroLED-, LCD- und Mini-LED-Leistung. Insgesamt sorgt die einfachere Struktur der MicroLED-Technologie für ein hochwertigeres Bild, da sie ein höheres Kontrastverhältnis und eine schnellere Reaktionszeit aufweist. MicroLED-Displays können ebenso flexibel gestaltet werden wie OLED-Displays.

MicroLEDs heben sich von anderen LED-Technologien durch Folgendes ab:

• Kleinere und hellere Pixel mit verbessertem Farbumfang. MicroLEDs haben eine Leuchtdichte von mehr als 100.000 Nits im Vergleich zu 500–1.000 Nits bei OLEDs und 3.000 Nits bei LCDs. Einige MicroLED-Displays können eine Leuchtdichte von mehr als 250.000 Nits erreichen. Eine höhere Leuchtdichte führt nicht zu Effizienzabfall, Alterung oder nachteiligen thermischen Effekten.
• Verbesserungen der theoretischen externen Quanteneffizienz (EQE) von etwa 10 % gegenüber OLEDs
• Längere Lebensdauer, da anorganische Materialien im Vergleich zu organischen Werkstoffen langlebige LEDs erzeugen
• Beständigkeit gegen Oxidation und andere Umwelteinflüsse
• Ein größerer Betriebstemperaturbereich (-100 bis 120 °C)
• Bessere Sichtbarkeit bei Sonnenlicht und mehr Blickwinkel
• Schnelle Antwortzeiten in der Größenordnung von Nanosekunden im Vergleich zu Mikrosekunden oder Millisekunden
• Das Potenzial (in blauen LEDs), die Anregungsquelle für die Quantenpunkte in QLED-TVs zu werden

Obwohl sie nicht kommerziell ausgereift sind, hat die zusätzliche Leistungssteigerung gegenüber anderen LED-Technologien – insbesondere in Bezug auf Helligkeit, Flexibilität, Bildqualität und Langlebigkeit – MicroLEDs für eine Reihe fortschrittlicher Display-Technologien geöffnet. Einige wichtige Beispiele für den Einsatz von MicroLEDs sind:

• Tragbare Technologien wie Smartwatches und Fitnessarmbänder
• MicroLED-TVs
• Augmented/Virtual Reality (AR/VR)-Brillen und -Headsets
• Head-Up Displays (HUDs) in der Automobil- und Luftfahrtindustrie
• Zentrale Clusteranzeigen
• Kfz-Scheinwerfer
• Lichtbasierte Hochgeschwindigkeitskommunikation
• Flexible und dehnbare Displays

Techniker*innen können die vielen Herausforderungen beim Design von MicroLEDs meistern, indem sie zunächst Simulationsmethoden verwenden, um das Verhalten der LEDs oder des Displays zu visualisieren. Ansys bietet eine Reihe von Tools zur Simulation der Leistung von MicroLEDs vor der physikalischen Fertigung:

Ansys Lumerical STACK-Solver: Simuliert die verschiedenen Werkstoffschichten in MicroLEDs, um zu zeigen, wie Licht reflektiert, gebrochen und durch sie übertragen wird. Der STACK-Solver berechnet auch die emittierte Leistung und Leistungsdichte von LEDs.

Ansys Lumerical FDTD-Solver: Simuliert Fernfeld-Emissionsmuster und Extraktionseffizienz von LEDs. Der FDTD-Solver berechnet auch die spektrale Intensität in konoskopischen Koordinaten zur Verwendung mit Ansys Speos Designtools.

Ansys Lumerical CHARGE- und Ansys Lumerical MQW-Solver: Simulieren die Strom-Spannungs-Kurve (I-V), das spontane Emissionsleistungsspektrum und die interne Quanteneffizienz von LEDs.

Ansys Speos-Software: Führt Simulationen auf Systemebene mit spektralen Intensitätsdaten von Lumerical Suite-Solvern durch und fungiert als virtuelles photometrisches Labor. Sie ermöglicht Techniker*innen, den gesamten Farbumfang zu untersuchen und radiometrische Tests durchzuführen.

Erfahren Sie, wie Sie die Designherausforderungen der MicroLED-Technologie vor dem komplexen Fertigungsprozess meistern können, indem Sie sich an unser technisches Team wenden.

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