Qu'est-ce qu'une MicroLED ?

Les technologies d'optique et de photonique évoluent rapidement dans les applications d'affichage. Les téléviseurs OLED dominent actuellement le marché, mais les microLED sont considérées comme la prochaine génération d'écrans LED, grâce à des temps de réponse plus rapides, une consommation électrique réduite, un meilleur rendement énergétique et une résolution plus élevée. 

Les microLED (μLED) sont des dispositifs de l'ordre du micromètre fabriqués à partir de composés III-V – des éléments situés dans les troisième et cinquième colonnes du tableau périodique - tels que le nitrure d'indium et de gallium (InGaN) ou le phosphure d'aluminium, de gallium et d'indium (AlGaInP). Les microLED sont de petites sources lumineuses planes et carrées pouvant être agencées en matrices à très fort contraste. Chaque LED d'un écran microLED agit comme un pixel (rouge, vert ou bleu) et peut être utilisée dans les téléviseurs microLED ou d'autres technologies nécessitant des affichages avancés.

Les microLED fonctionnent différemment par rapport aux écrans LCD. Les systèmes LCD traditionnels utilisent un rétroéclairage LED et une couche de cristaux liquides qui génère l'image en bloquant certaines parties de la lumière. À l'inverse, les écrans microLED et OLED sont beaucoup plus simples, car ils ne reposent pas sur une structure LCD. Chaque LED émet sa propre lumière, ce qui permet de créer l'image pixel par pixel. 

Dans un scénario idéal, la croissance épitaxiale, ou croissance directe des LED sur le support arrière par intégration monolithique, serait la méthode de fabrication la plus adaptée pour les microLED. Il s'agit toutefois d'un domaine encore en développement : les entreprises élaborent des stratégies expérimentales, mais les coûts actuels rendent l'exploitation commerciale peu viable.

Aujourd'hui, les microLED sont le plus souvent fabriquées par une méthode de transfert dite « pick-and-place ». Cette approche consiste à fabriquer les LED rouges, vertes et bleues directement sur une plaquette, puis à les transférer une par une vers le backplane, qui contient le substrat et les composants électroniques nécessaires au contrôle de la lumière. Le processus de transfert de masse doit être rapide, précis et fiable pour garantir un alignement parfait de toutes les LED sur le support.

Malgré les défis liés à la fabrication à grande échelle, LG, Sony et Samsung développent actuellement des téléviseurs microLED haut de gamme de grande taille. Toutefois, de nombreux défis liés à la conception et à l'industrialisation doivent encore être relevés avant que cette technologie ne devienne accessible au grand public. Pour l'instant, ces téléviseurs restent très coûteux en raison du processus de fabrication pick-and-place, à la fois chronophage et onéreux.

La technologie microLED n'est pas encore arrivée à maturité. Ainsi, les concepteurs disposent de nombreuses méthodes de fabrication de semi-conducteurs pouvant être utilisées dans le processus de production. Voici quelques éléments clés à prendre en compte dans la conception des microLED :

• Une émission incohérente au niveau macroscopique dans les matrices de grands pixels. Pour y remédier et ainsi améliorer la définition des couleurs de l'affichage, les concepteurs peuvent intégrer d'autres éléments optiques comme des filtres, des lentilles, des couches de conversion de couleur, des structures diffusantes, des polariseurs ou encore des réseaux optiques.
• Des exigences de tolérance plus strictes à mesure que la taille des LED diminue. Les tolérances liées aux variations dimensionnelles et aux défauts d'alignement deviennent de plus en plus critiques pour les petites LED, en particulier lorsque la densité de pixels augmente.
• Les défauts à l'échelle atomique et les imperfections présentes sur les bords d'une LED peuvent réduire l'efficacité interne de l'appareil.
• La demande croissante en circuits de commande à transistors en couches minces (TFT) compacts, économes en énergie et de plus en plus complexes, afin de s'adapter à la réduction de la taille des sous-pixels. Les sous-pixels contiennent les éléments RVB nécessaires à la création des couleurs à l'écran, et les TFT doivent pouvoir contrôler chaque pixel de manière rapide et précise.
• L'évitement des défauts pouvant survenir à toutes les étapes de la production. Même avec des processus de fabrication avancés, des pixels morts peuvent encore apparaître et doivent être pris en compte.

Les écrans OLED et la technologie OLED sont devenus la référence ces dernières années, mais comment se positionnent-ils face aux microLED ? Il existe de nombreux critères permettant d'évaluer les performances des technologies OLED, microLED, LCD et mini-LED. De manière générale, la structure plus simple de la technologie microLED permet d'obtenir une image de meilleure qualité, grâce à un meilleur taux de contraste et un temps de réponse plus rapide. Les écrans microLED peuvent également être conçus de manière flexible, à l'image des écrans OLED.

Les microLED se distinguent des autres technologies LED par les aspects suivants :

• Des pixels plus petits et plus lumineux, ainsi qu'un spectre colorimétrique élargi. Les microLED peuvent atteindre une luminance supérieure à 100 000 nits, contre 500 à 1 000 nits pour les OLED et environ 3 000 nits pour les LCD. Certains écrans microLED peuvent même dépasser 250 000 nits, sans perte d'efficacité, vieillissement prématuré ou effets thermiques indésirables
• Une amélioration théorique d'environ 10 % du rendement quantique externe (EQE) par rapport aux OLED
• Une durée de vie plus longue, les matériaux inorganiques des microLED étant plus stables que les matériaux organiques
• Une résistance à l'oxydation et aux agressions environnementales
• Une plage de température de fonctionnement plus large (de -100 à 120 °C)
• Une meilleure lisibilité en plein soleil et des angles de vision plus larges
• Des temps de réponse ultra-rapides de l'ordre de la nanoseconde, contre des microsecondes voire millisecondes pour d'autres technologies
• Dans le cas des LED bleues, la capacité à servir de source d'excitation pour les boîtes quantiques utilisées dans les téléviseurs QLED

Bien qu'elles ne soient pas encore arrivées à maturité commerciale, les performances supérieures des microLED par rapport aux autres technologies LED, notamment en termes de luminosité, de flexibilité, de qualité d'image et de longévité, ouvrent la voie à de nombreuses technologies d'affichage avancées. Parmi les principales applications des microLED, on peut citer :

• Les objets connectés portables, comme les montres intelligentes et les bracelets de fitness
• Les téléviseurs microLED
• Les lunettes et casques de réalité augmentée/virtuelle (AR/VR)
• Les affichages tête haute (HUD) dans les secteurs automobile et aéronautique
• Les écrans de tableau de bord central
• Les phares automobiles
• Les communications optiques à haute vitesse
• Les écrans flexibles et extensibles

Les ingénieurs peuvent surmonter les nombreux défis liés à la conception des microLED en recourant initialement à la simulation afin de visualiser le comportement de la LED ou de l'affichage. Ansys propose un éventail d'outils permettant de simuler les performances des microLED en amont du processus de production :

Le solveur Ansys Lumerical STACK simule les différentes couches de matériaux constituant les microLED pour analyser la réflexion, la réfraction et la transmission de la lumière à travers ces couches. Le solveur STACK calcule également la puissance émise et la densité de puissance des LED.

Le solveur Ansys Lumerical FDTD simule les diagrammes de rayonnement en champ lointain et le rendement d'extraction des LED. Le solveur FDTD calcule également l'intensité spectrale dans un système de coordonnées conoscopiques, compatible avec les outils de conception optique Ansys Speos.

Les solveurs Ansys Lumerical CHARGE et Ansys Lumerical MQW simulent la courbe courant-tension (I-V), le spectre de l'émission spontanée et le rendement quantique interne des LED.

Le logiciel Ansys Speos réalise des simulations à l'échelle du système en utilisant les données d'intensité spectrale issues des solveurs de la suite Lumerical et agit comme un laboratoire photométrique virtuel. Il permet aux ingénieurs d'analyser l'ensemble du spectre colorimétrique et de réaliser des tests radiométriques.

Découvrez comment surmonter les défis de conception liés à la technologie microLED avant d'engager un processus de fabrication complexe en contactant notre équipe technique.

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