La tecnologia microLED per i display del futuro

La tecnologia microLED per i display del futuro

Dopo uno sviluppo durato oltre quindici anni, l'innovativa tecnologia basata sui microLED sembra avere già raggiunto il grado di maturità necessario per competere, e probabilmente superare, la qualità delle immagini oggi disponibile sui più moderni display LED o LCD. Scopriamo in questo articolo in cosa consiste questa tecnologia e quali sono i suoi vantaggi e le sfide da affrontare.

Introduzione

Una delle più recenti tecnologie che si è affacciata nel mondo dell'optoelettronica è sicuramente la tecnologia microLED, nota anche con i termini micro-LED, mLED e µLED. Nata nel 2000 per opera dei professori Hongxing Jiang e Jingyu Lin della Texas Technique University, la tecnologia microLED offre delle caratteristiche tecniche in grado di superare gli attuali standard di riferimento, basati sulle tecnologie QLED, OLED e LCD. Le principali aziende mondiali operanti nel settore dei display e dei sistemi di entertainment hanno da subito guardato con interesse (e supportato) lo sviluppo di questa innovativa tecnologia, realizzando e presentando in questi ultimi anni diversi tipi di prototipi. Nel corso dell'ISE (Integrated Systems Europe), il più importante evento mondiale dedicato al settore Audio e Video tenutosi ad Amsterdam nel febbraio 2019, ha destato particolare stupore la presentazione di quello che possiamo considerare il primo prodotto consumer basato sulla tecnologia microLED. Prodotto da un colosso coreano del settore hi-tech, "The Wall" è un televisore modulare con risoluzione 8k e dimensioni dello schermo fino a 292 pollici. Altre primarie aziende del settore stanno sviluppando display microLED di vario formato, compresi i tagli più piccoli destinati al settore degli smartwatch. Da un punto di vista storico, i display sono stati inizialmente prodotti basandosi sulla tecnologia CRT (Cathod Ray Tube), la stessa utilizzata dai primi televisori in bianco e nero e, successivamente, a colori. Un primo sostanziale cambiamento è avvenuto all'inizio del terzo millennio, con l'introduzione di due nuove tecnologie: LCD (Liquid Crystal Display) e plasma. La prima, in particolare, si impose per le sue caratteristiche di efficienza energetica, portabilità e versatilità. La tecnologia LCD ha subito nel corso degli anni continui e sostanziali miglioramenti, volti essenzialmente a migliorare i tempi di risposta (i primi display soffrivano di tempi di latenza troppo elevati per alcune applicazioni) e ad aumentare la saturazione dei colori. La successiva tecnologia LED, con le sue varianti OLED e QLED, ha ulteriormente innalzato le qualità dei display, grazie alla proprietà di essere auto-emittente (self-emitting) e quindi non richiedere alcuna retroilluminazione, elevato contrasto, ampio angolo di visuale e tempi di risposta molto ridotti. Come vedremo più in dettaglio nei prossimi paragrafi, i display microLED hanno caratteristiche del tutto simili a quelle dei display OLED, con una differenza sostanziale: la dimensione dei LED, che risulta essere inferiore a 100 µm. In base a un recente studio di ricerca, il mercato dei display microLED, a livello globale, è stimato in forte crescita: dagli attuali 0,6 miliardi di dollari si prevede raggiunga i 20,5 miliardi di dollari nel 2025 con una crescita anno su anno pari all'80%. Il motivo principale è legato alla crescente domanda di display sempre più luminosi ed efficienti dal punto di vista energetico, con applicazioni che includono smartphone, smartwatch, televisori, computer portatili e dispositivi per la realtà aumentata (AR) e la realtà virtuale (VR).

La tecnologia microLED

Ad alto livello, la struttura di un display microLED è ben sintetizzata dal disegno di Figura 1, in cui le sue dimensioni sono confrontate con quelle di un "normale" display realizzato con tecnologia LED. Nella struttura microLED i LED hanno dimensioni piccolissime, dell'ordine di qualche micrometro. I microLED sono più piccoli di un granello di sabbia, con un rapporto 1:100 rispetto alle dimensioni dei LED oggi utilizzati nei comuni display. I LED, di tipo RGB, vengono depositati sul substrato utilizzando particolari tecniche di fabbricazione, con la possibilità di realizzare display di varie dimensioni. Si tenga inoltre presente che, a differenza degli OLED, i microLED utilizzano materiale inorganico.

Figura 1: tipica struttura di un display microLED

In modo del tutto simile agli OLED, i microLED utilizzano un principio di auto-emissione in grado di assicurare un elevato contrasto, elevata velocità e un ampio angolo visivo. A differenza degli OLED, i microLED sono tuttavia più efficienti dal punto di vista energetico, offrono un livello di luminosità superiore (anche in condizioni di intensa luminosità ambientale) e hanno una durata stimata maggiore. Si tratta quindi di caratteristiche molto importanti, che li rendono la soluzione ideale anche per i dispositivi indossabili, dove piccole dimensioni dello schermo e basso assorbimento di potenza sono requisiti imprescindibili. L'elevata luminosità è un punto di forza della tecnologia microLED. Mentre un display OLED è in grado di fornire una luminosità pari a circa 1000 Nits (cd/m2), i microLED possono arrivare a centinaia di migliaia di Nits a parità di potenza assorbita. Per comprendere meglio le differenze tra le tecnologie LCD (non emittente) e le più recenti OLED e microLED (entrambe auto-emittenti), possiamo esaminare le rispettive tecniche costruttive. In Figura 2 è rappresentata la tipica struttura di un display realizzato con tecnologia LED.

Figura 2: struttura di un display LED

La luce, generata dalla retroilluminazione a led, attraversa una matrice di cristalli liquidi (ognuno operante come un singolo deviatore di luce) e un insieme di filtri per il colore, determinando l'accensione dei singoli pixel. La tipica struttura di un display di tipo emittente (come l'OLED) è invece visualizzata in Figura 3: ciascun pixel è equiparabile a una piccola sorgente di luce, la cui luminosità può essere controllata individualmente.

Figura 3: struttura di un display OLED

Il processo che porta alla realizzazione di un display microLED è rappresentato in Figura 4. Partendo da tre wafer epitassiali, uno per ogni colore fondamentale, si procede con la fase di singolarizzazione, in cui i singoli componenti microscopici del led vengono separati. Successivamente, si procede al loro posizionamento sul substrato, in modo ordinato, eseguendo i collegamenti con la matrice di transistor adibita al loro pilotaggio (tipicamente si tratta di un layer TFT).

Figura 4: schema costruttivo di un layer microLED

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