Ученые и инженеры продолжают удивлять мир все новыми и новыми типами источников света. Филаментные светодиодные лампы, OLED… Какие-то из них «пошли в народ», какие-то просто заняли свою нишу на рынке. На исходе 2010-х годов наиболее перспективной для систем освещения стала считаться технология MicroLED. О том, что дает данная технология и почему уменьшение светодиодов до микроскопического размера позволит создать светильники принципиально новой конструкции, и пойдет речь в статье.
Название MicroLED в разное время относилось к разным типам светодиодов. Например, когда-то так называли светодиоды в корпусе диаметром менее 3 мм, затем миниатюрные светодиоды в гирляндах типа «нить», у которых корпус представлял собой каплевидную заливку синтетической смолой. Но все указанные типы светодиодов принципиально не отличались от обычных, просто у них был более компактный корпус.
В современном понимании MicroLED — это светодиоды микроскопического размера. То есть такие, которые нельзя рассмотреть невооруженным глазом. Речь идет о светодиодах без корпуса, линейные размеры которых не превышают 100 мкм.
Технология MicroLED первоначально была разработана в начале 2010-х годов для телевизоров, компьютерных дисплеев и экранов портативной техники. Основным мотивом стало то обстоятельство, что производство телевизоров и дисплеев на основе OLED в силу большой сложности и дороговизны реализации этой технологии сосредоточилось в руках 2–3 глобальных компаний. Тем, кто не попал в число лидеров, пришлось работать над созданием альтернативных технологий, одной из которых и стала MicroLED. В числе компаний, которые занимаются технологией MicroLED, есть и такие лидеры рынка светодиодов как Epistar и Leyard.
Замечательным свойством MicroLED является то, что, деление изображения на экране телевизора или дисплея на отдельные точки совершенно незаметно. Впрочем, тем же преимуществом обладает и OLED. А вот в чем MicroLED превосходит OLED, так это в яркости (примерно в 30 раз) и стабильности цветопередачи (у OLED-телевизоров со временем цветопередача ухудшается). Поскольку светоотдача у MicroLED, являющихся неорганическими светодиодами, выше, чем у OLED, энергопотребление дисплеев на основе MicroLED заметно меньше, что важно для мобильной электроники. И, как предполагается, в будущем, при развертывании крупносерийного производства, MicroLED-дисплеи смогут стать дешевле OLED-дисплеев того же размера.
Ресечинговое агентство Marketsandmarkets.com прогнозирует, что к 2025 г. объем рынка продуктов и решений на основе технологии Microled достигнет 20,5 млрд долл.
Скачкообразный рост интереса к MicroLED произошел в середине 2019 г., когда компания Apple объявила, что перейдет на данную технологию сначала в часах Apple Watch (по прогнозам, это должно произойти в 2020 г.), а затем и в других своих продуктах, имеющих дисплеи.
Годом ранее произошло другое событие, не привлекшее столько внимания, тем не менее связанное с другим «локомотивом» мира высоких технологий. Американская компания EOI, поставляющая габаритные огни и стоп-сигналы для автомобилей Tesla, анонсировала разработку новых продуктов на основе технологии MicroLED.
В ноябре 2019 г. ведущий немецкий производитель автомобильной светотехники Hella представил опытный образец цифровых автомобильных фар, в каждой из которых установлено более 30 000 светодиодов MicroLED, каждый из которых управляется индивидуально. Как ожидается, коммерческое использование новых фар начнется в 2022 г.
Производство MicroLED
Большинство применений MicroLED требует управления отдельными светодиодами. Исходя из этого, на данный момент известно две технологии изготовления MicroLED.
Первая из них предусматривает выращивание миниатюрных кристаллов GaN на подложке из сапфира. Затем светодиоды отделяются от сапфировой подложки и наносятся на подложку, где уже сформирована матрица из тонкопленочных транзисторов. Причем подложка, на которую наносятся светодиоды, может быть гибкой. Проблема заключается в том, что нужно точно совместить кристаллы и тонкопленочные транзисторы.
С учетом того, что количество пикселей в современном телевизоре исчисляется десятками миллионов, осуществить такое совмещение довольно проблематично.
Другая технология отлажена куда лучше и, возможно, именно она будет применена в ожидаемых часах от Apple. Сначала на кристалле полупроводника создается структура из транзисторов, осуществляющих коммутацию светодиодов. А потом на этом кристалле, как на подложке, выращиваются миниатюрные светодиоды. Недостатками являются ограниченные размеры кристалла — не более 5x5 см, а также невозможность изготовления гибких дисплеев. Но для нужд светотехники, в частности, для создания прожекторов и автомобильных фар, данные недостатки не являются критичными.
Офисное освещение
Применение обычных светодиодов без какой-либо оптической системы в офисных светильниках, как правило, вызывает сильный дискомфорт. Яркие светящиеся точки раздражают зрение и являются источником бликов на компьютерных дисплеях. Чтобы избавиться от данного эффекта, поверх светодиодов устанавливают молочный рассеиватель, создающий иллюзию равномерно светящейся пластины. В таком рассеивателе потери светового потока составляют около 30 %.
А теперь представим себе офисный светильник в виде пластины, равномерно покрытой светодиодами типа MicroLED. Поскольку глаз воспринимает массив таких светодиодов как единое целое, ощущение равномерно светящейся пластины создается без использования рассеивателя. Визуальный комфорт будет на том же уровне, но уже без 30 % потерь светового потока, то есть при меньшей потребляемой электроэнергии. Для производства таких светильников не нужно будет совмещать отдельные кристаллы и пленочные транзисторы, так что продукция может быть очень дешевой.
В офисах сейчас внедряется биодинамическое (другое название — антропоцентрическое) освещение. Белый свет нужной цветовой температуры получается путем смешивания излучения от светодиодов холодного белого и теплого белого оттенков с помощью рассеивателя. Но светильник можно сделать в форме пластины, на которой чередуются светодиоды MicroLED с теплым и холодным оттенками. Поскольку отдельные светодиоды не различаются глазом, смешение излучений произойдет без какой-либо оптической системы. Это также повысит энергоэффективность освещения.
Прожектора и автомобильные фары
Матрицу из светодиодов MicroLED можно рассматривать как источник света с изменяемой формой. Установив такую матрицу в прожектор, мы можем менять форму светового пятна, управляя пикселями.
Ранее прожектора с управляемой формой светового пятна уже существовали, но регулировка осуществлялась механическим способом. Или менялись параметры оптической системы, или же свет пропускался через заслонку с вырезанной в ней геометрической фигурой. Теперь же появилась возможность регулировать форму пятна, просто включая и выключая отдельные пиксели в матрице. Это очень удобно для музеев, выставочных залов и элитных бутиков. Можно обеспечить освещение точно в границах картины или же точно по форме скульптуры либо образцов товара. А при смене экспозиции — быстро перенастроить освещение. Прожектора на MicroLED открывают новые возможности перед осветителями при использовании в театрах и на концертных площадках.
Благодаря MicroLED кривая силы света у фар может автоматически изменяться в широких пределах в зависимости от текущей ситуации на дороге (пример — уже упоминавшиеся цифровые фары Hella). Такие «умные» фары смогут более сильно осветить наиболее проблемные участки на дороге, одновременно избежав ослепления водителей встречных машин. Создание такой системы на основе оптомеханических устройств было бы невозможно из-за необходимости мгновенного изменения параметров фар, но MicroLED сделали смелые замыслы реальностью.
Гибкие светильники
Размещение массива светодиодов микроскопического размера на гибкой подложке позволит создавать светильники, которые можно гнуть, сворачивать в трубочку и т. п. Правда, все это уже реализовано на основе технологии OLED, но органические светодиоды чувствительны к влаге и высоким температурам. А на основе MicroLED можно будет, наконец-то, серийно производить светящуюся одежду, пригодную для стирки, в том числе и в стиральной машине.
Выводы
Технология MicroLED будет внедряться в освещение, скорее всего, начиная с цифровых прожекторов и автомобильных фар. Развитие технологии переноса светодиодов с одной подложки на другую позволит со временем перейти к внедрению MicroLED в офисном освещении, а также откроет простор для фантазии дизайнеров благодаря светильникам на гибкой и текстильной основе.
MicroLED — с одной стороны, это закономерный этап развития технологии полупроводниковых источников света, а с другой, это вызов, полностью переворачивающий все, наработанные за прошедшие десятки лет, технологии сборки светодиодов, технологии построения светильников и даже систем освещения в целом.
Переход от достаточно грубой (можно обычным пинцетом ставить чип в корпус современного светодиода) технологии сборки чипов размером от 1 мм до 150 мкм к размерам чипа в 50, 10 и даже 2 мкм приведет в ближайшие 2-3 года к появлению рулонных, аддитивных и гибридных технологий сборки светящихся поверхностей. Массовое производство медианосителей неизбежно опустит цену, а перепроизводство вытолкнет MicroLED-панели с рынка медиа на рынок освещения. Причем возможен и более негативный для нынешних производителей светильников (прежде всего внутреннего освещения) сценарий, когда этот рынок будет захвачен производителями экранов-панелей, предлагающих на стену экран — имитацию окна с пейзажем, а на потолок голубое небо или ночные звезды!
Мнение специалиста:
Евгений Долин,
независимый эксперт по светодиодным технологиям, в 2010–2019 гг. — глава «Национальной ассоциации производителей светодиодов и систем на их основе».
