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Nov 18, 2023

El futuro son los MicroLED, dada la larga gestación de las tecnologías de visualización

Ha habido numerosos informes recientemente sobre la adopción de MicroLED por parte de Apple,

Ha habido numerosos informes recientemente sobre la adopción de MicroLED por parte de Apple, y recientemente hubo noticias de Samsung y LG, en colaboración con el gobierno coreano, que buscaban LED inorgánicos (ILED) como el medio para recuperar la posición principal de la empresa en la industria de las pantallas. . Por lo tanto, tenemos una interesante confluencia de eventos que señala una carrera para ofrecer la próxima generación de tecnologías de visualización y, lo que es más importante, poseer los medios de producción.

Por lo tanto, pensé que sería bueno intentar obtener una perspectiva histórica para tratar de encontrar otra forma de analizar el camino futuro de las tecnologías de visualización. Muchos datos provienen de las páginas de Display Daily, demasiados para mencionarlos, pero también he agregado algunas referencias a continuación, todas las cuales son bastante legibles y relevantes. Espero que encuentres algo aquí que te ayude con tus ideas. Y gracias al jefe por dejarme intentarlo. Cúlpalo si todo sale mal.

Nada pretende ser definitivo, sino más bien una descripción general. Comienza con una perspectiva histórica de los OLED, cómo EE. UU. perdió la industria de las pantallas después de los CRT y la parte que creo que es más relevante, el camino de los MicroLED hacia un futuro ubicuo. .

Desde su descubrimiento hace casi un siglo, la electroluminiscencia ha pasado de ser una mera curiosidad científica a una tecnología poderosa y versátil. Inicialmente confinado a nichos de mercado como equipos industriales, militares y médicos:

En las primeras etapas de la tecnología electroluminiscente, las pantallas electroluminiscentes de película delgada (TFEL) y los LED inorgánicos dominaban el mercado. Las pantallas TFEL se utilizaron principalmente en aplicaciones especializadas, como equipos militares y médicos, mientras que los LED inorgánicos encontraron su lugar en varios dispositivos industriales y comerciales. Sin embargo, las limitaciones para lograr eficiencias suficientes para aplicaciones a todo color y reducir el costo de los TFEL obstaculizaron su adopción generalizada. Las pantallas TFEL quedaron relegadas a nichos de mercado, centrándose principalmente en aplicaciones militares, médicas y automotrices.

Con el tiempo, se han logrado avances significativos en varios aspectos de la tecnología OLED. Se han logrado mejoras en la inyección de portadores, métodos de dopaje, desarrollo de fósforo, diseño de dispositivos y procesos de encapsulación. La eficiencia de los OLED ha alcanzado niveles impresionantes, acercándose al 20%. Los OLED han demostrado su potencial en dispositivos impresos por inyección de tinta, paneles de área grande a todo color, pantallas flexibles y pantallas de matriz activa (AM) de alta resolución.

La tecnología OLED fue descubierta por primera vez a principios de la década de 1960 por André Bernanose y sus compañeros de trabajo en la Universidad de Nancy en Francia. Observaron electroluminiscencia en materiales orgánicos. Sin embargo, no fue hasta 1987 cuando Ching W. Tang y Steven Van Slyke de Eastman Kodak demostraron el primer dispositivo OLED práctico. Esto marcó un hito importante en el desarrollo de la tecnología OLED.

Los primeros materiales OLED tenían una vida útil limitada, especialmente para el componente de color azul, que se degradaba más rápido que el rojo y el verde. Los investigadores y las empresas tuvieron que desarrollar materiales más estables y mejores técnicas de encapsulación para prolongar la vida útil de los OLED.

La producción comercial de paneles OLED comenzó con paneles OLED monocromáticos de matriz pasiva de molécula pequeña a fines de la década de 1990. Pioneer Corp. y Tohoku Pioneer Corp. lideraron el camino al producir paneles OLED para sistemas de audio para automóviles. El desarrollo continuó y culminó con la creación de Sony de la primera pantalla AM de moléculas pequeñas a todo color del mundo en 2001. La tecnología OLED avanzó aún más con la introducción de una pantalla de prueba de concepto basada en polímeros de Toshiba Matsushita Display y el desarrollo de un prototipo impulsado por transistores de película delgada (TFT) super-a-Si de IBM.

Si bien la tecnología OLED es muy prometedora, existen desafíos técnicos que superar para la producción a gran escala. Cuestiones como la vida útil del dispositivo, los patrones de color, la diafonía y las tasas de rendimiento siguen siendo áreas de atención. Sin embargo, los expertos creen que la tecnología OLED, con sus ventajas inherentes, tiene un futuro brillante y el potencial de reemplazar gradualmente a las pantallas LCD como la tecnología dominante de pantalla plana (FPD). Es crucial abordar estos desafíos para garantizar la transición exitosa de los avances de la investigación a los productos comerciales.

Los OLED ofrecen varias ventajas sobre las tecnologías de visualización tradicionales como los LCD, como relaciones de contraste más altas, ángulos de visión más amplios, frecuencias de actualización más rápidas, factores de forma más delgados y flexibles y menor consumo de energía. Estas ventajas hicieron de los OLED una opción atractiva para diversas aplicaciones, incluidos dispositivos móviles, televisores y tecnología portátil.

La fabricación de OLED, particularmente a gran escala, planteó desafíos importantes. Los primeros procesos de fabricación eran costosos y producían bajos volúmenes de producción. Con el tiempo, las técnicas de fabricación, como la deposición al vacío y la impresión por inyección de tinta, se refinaron y mejoraron, lo que condujo a reducciones de costos y mayores volúmenes de producción.

Los OLED eran inicialmente caros en comparación con los LCD. Sin embargo, a medida que los procesos de fabricación se volvieron más eficientes y se lograron economías de escala, el costo de los OLED disminuyó, haciéndolos más competitivos con otras tecnologías de visualización.

En los últimos años, la tecnología OLED ha experimentado avances significativos, incluido el desarrollo de pantallas OLED flexibles y plegables, que han dado lugar a productos innovadores como teléfonos inteligentes plegables y televisores enrollables. Estos avances se vieron facilitados por la investigación continua de materiales orgánicos adecuados y las mejoras en las arquitecturas de los dispositivos.

La historia del tubo de rayos catódicos (CRT) está estrechamente ligada al desarrollo de los monitores de televisión y de computadora. Esta tecnología ha evolucionado durante varias décadas, con investigadores y empresas superando numerosos desafíos para hacer que los CRT sean comercialmente viables.

Invención y desarrollo temprano: el físico alemán Karl Ferdinand Braun inventó el primer CRT, conocido como el "Tubo de Braun", en 1897. Este primer dispositivo mostraba imágenes al desviar un haz de electrones hacia una pantalla fosforescente, que producía luz visible cuando era golpeada por los electrones. .

Avances y desafíos: uno de los avances significativos en la tecnología CRT fue el desarrollo del iconoscopio por Vladimir Zworykin en 1929. Este tubo de cámara mejoró enormemente la calidad de imagen y marcó el comienzo de la era de la televisión electrónica. Sin embargo, los CRT enfrentaron varios desafíos, como el tamaño, el peso, el consumo de energía y los costos de fabricación, que debían abordarse para lograr el éxito comercial.

Adopción comercial y avances: los primeros televisores CRT disponibles comercialmente aparecieron en la década de 1940 y su adopción continuó durante las décadas siguientes. A medida que avanzaba la tecnología, los CRT también se utilizaron en monitores de computadora, lo que proporcionó una opción de visualización de alta calidad para las primeras computadoras. Sin embargo, el surgimiento de tecnologías de visualización alternativas, como LCD y OLED, condujo a una disminución en la popularidad de los CRT.

El fracaso de EE. UU. para capitalizar su liderazgo en CRT y la transición a tecnologías de visualización más nuevas como LCD, PDP y OLED puede atribuirse a una combinación de factores, incluido un cambio de enfoque, competencia de empresas asiáticas, ventajas en costos de fabricación, falta de previsión y esfuerzos de investigación fragmentados.

En los primeros días del desarrollo de la pantalla de cristal líquido (LCD) y el panel de pantalla de plasma (PDP), varias empresas y países desempeñaron un papel importante en la promoción y el avance de estas tecnologías. Japón estuvo a la vanguardia del desarrollo tanto de LCD como de PDP, con empresas líderes en electrónica como Sharp, Toshiba e Hitachi muy involucradas en la investigación y comercialización de LCD. Mientras tanto, otras empresas japonesas como Fujitsu, NEC y Panasonic fueron fundamentales en el desarrollo de PDP.

Sharp Corporation, una empresa japonesa, fue una de las primeras innovadoras en tecnología LCD. En 1973, Sharp produjo la primera pantalla LCD comercialmente viable, que se utilizó en calculadoras y relojes digitales. Continuaron desarrollando la tecnología LCD a lo largo de las décadas de 1980 y 1990, y finalmente produjeron los primeros paneles TFT LCD a todo color, que se utilizaron ampliamente en computadoras portátiles y pantallas de televisión.

Otra empresa electrónica japonesa, Toshiba, también participó en el desarrollo temprano de LCD. Se concentraron en producir paneles LCD de tamaño pequeño y mediano para computadoras portátiles, teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos portátiles. Hitachi, otra empresa japonesa, contribuyó a la investigación y el desarrollo de LCD en los primeros días, centrándose en mejorar la calidad de imagen y las tasas de actualización. También fabricaron paneles LCD para una variedad de aplicaciones, incluidos televisores y monitores de computadora.

Fujitsu, una empresa multinacional japonesa, fue pionera en el desarrollo de PDP. Comenzaron su investigación en la década de 1960 e introdujeron el primer PDP comercial en 1989. Fujitsu continuó desarrollando la tecnología PDP durante la década de 1990, centrándose en mejorar la calidad de imagen, la reproducción del color y la eficiencia energética. NEC, otra empresa japonesa de electrónica, fue una de las primeras en participar en el mercado de PDP. Invirtieron en investigación y desarrollo de tecnología PDP e introdujeron su primer producto PDP a principios de la década de 1990. Panasonic, una corporación multinacional japonesa, también participó en el desarrollo inicial de PDP. Presentaron su primer producto PDP en 1997 y continuaron invirtiendo en tecnología PDP hasta principios de la década de 2000, cuando el enfoque se desplazó hacia las tecnologías LCD y OLED.

Si bien las empresas estadounidenses lideraron inicialmente el desarrollo de los CRT, eventualmente cambiaron su enfoque a otras áreas, como las computadoras y el desarrollo de software. Como resultado, las empresas estadounidenses no invirtieron tanto en investigación y desarrollo de tecnología de visualización, lo que permitió que otros países, especialmente Japón y más tarde Corea del Sur, tomaran la iniciativa en el desarrollo de LCD y PDP.

Las empresas asiáticas, en particular las de Japón, fueron más ágiles y rápidas a la hora de invertir y adoptar nuevas tecnologías de visualización. Hicieron una gran inversión en infraestructura de investigación, desarrollo y fabricación para LCD y PDP. Estas empresas pudieron crear productos de alta calidad y de costos competitivos, lo que dificultó que las empresas estadounidenses compitieran en el mercado.

Los países asiáticos, en particular Japón y Corea del Sur, tenían costos de fabricación más bajos, lo que les permitió producir LCD y PDP a un costo más bajo que sus contrapartes estadounidenses. Esta ventaja de costos les permitió dominar el mercado, lo que dificultaba la competencia para las empresas estadounidenses.

Las empresas estadounidenses pueden haber subestimado el potencial de los LCD, PDP y OLED para reemplazar a los CRT en el mercado. Cuando se dieron cuenta del potencial de estas nuevas tecnologías, las empresas asiáticas ya habían establecido un liderazgo significativo en investigación, desarrollo y participación de mercado.

Si bien EE. UU. tuvo algunos esfuerzos de investigación notables en tecnologías de visualización, a menudo estaban fragmentados y repartidos entre diferentes instituciones y empresas. Esto dificultó que EE. UU. consolidara y coordinara los esfuerzos para desarrollar y comercializar nuevas tecnologías de visualización de manera eficaz. Solo tiene que ver el esfuerzo que las empresas coreanas están poniendo en la fabricación de pantallas para darse cuenta de la cantidad de compromiso que se requiere de todas las partes interesadas.

Tal vez eso explique lo que está haciendo Apple. En primer lugar, podemos comenzar reconociendo que la fabricación de MicroLED es una industria de semiconductores. En segundo lugar, Apple se deshizo de Intel cómodamente cuando se pasó a sus propios procesadores Mx. Convertirse en un fabricante de pantallas no va a ser una exageración para Apple. Si algo va a acelerar el volumen de producción de MicroLED para todos los factores de forma de pantalla, será Apple. Dado eso, no es exagerado pensar que asumir que el desarrollo de MicroLED va a recibir una aceleración en el interés y el despliegue. El futuro son los MicroLED y el futuro está cada vez más cerca.

MicroLED es un tipo de tecnología de visualización, una evolución de la tecnología LED existente. Ha sido un tema importante en la investigación científica durante más de dos décadas, y ya en 2023, el volumen de trabajos de investigación que se publicarán sobre el dispositivo superará el año anterior y continuará una serie de 4 a 5 años de aumento de la producción científica. . Con razón, los MicroLED ofrecen varios beneficios sobre las pantallas tradicionales: son más eficientes, usan menos energía, son más brillantes y duran más que las pantallas de cristal líquido y OLED.

Sin embargo, los MicroLED son más pequeños que sus predecesores, con tamaños de píxeles a menudo inferiores a 100 o incluso 50 micrómetros. Este tamaño pequeño presenta desafíos sustanciales cuando se trata de organizar estos LED en una pantalla utilizable. Para construir una pantalla MicroLED de alta calidad, estos pequeños LED deben integrarse o ensamblarse de manera precisa. Este proceso de integración se considera actualmente como el mayor obstáculo en el desarrollo de pantallas MicroLED de alto rendimiento.

Hay tres aspectos clave de la tecnología de integración en la fabricación de MicroLED:

Desde una perspectiva de fabricación, existen tres métodos para integrar pantallas MicroLED:

Esta sección describe el proceso de "Integración de transferencia" para MicroLED, que es crucial para la producción de pantallas de alta definición a gran escala, como un televisor 4K de 55 pulgadas. Dada la gran cantidad de troqueles de LED necesarios para una pantalla de este tipo, este proceso también se conoce como "transferencia de masa".

El proceso de integración de transferencia utiliza varias técnicas que dependen de diferentes mecanismos físicos. Los métodos han sido desarrollados por empresas e institutos de investigación líderes en todo el mundo. Éstas incluyen:

En general, el proceso de integración de la transferencia implica tres pasos técnicos: liberación del sustrato, recogida y colocación e interconexión eléctrica.

En la fase de liberación del sustrato, los MicroLED, que generalmente crecen en sustratos de silicio, zafiro o GaAs, deben liberarse o eliminarse. Este paso es necesario porque el sustrato es grueso y puede crear problemas con la interconexión eléctrica y la gestión térmica una vez que se transfieren los MicroLED.

La técnica de liberación del sustrato depende de las propiedades físicas y químicas del material utilizado. Las técnicas de liberación comunes para diferentes sustratos se muestran en la Figura 2 (que no se proporciona en el texto).

En general, los sustratos pueden liberarse física o químicamente:

Cada una de estas técnicas tiene sus propias ventajas y limitaciones, y su elección depende de los requisitos específicos del proceso de producción de MicroLED.

El proceso de liberación de sustrato para MicroLED es un paso vital en el proceso de integración de transferencia. La técnica específica utilizada para la liberación del sustrato varía según las propiedades del material del sustrato.

Para sustratos hechos de silicio o GaAs, las técnicas de pulido mecánico y grabado químico húmedo son más adecuadas. Sin embargo, la molienda mecánica puede causar un impacto mecánico significativo en los MicroLED, lo que requiere que se adhieran firmemente a un sustrato temporal, lo que puede complicar los pasos de transferencia posteriores. Por lo tanto, el proceso de rectificado mecánico se utiliza principalmente para transferir el sustrato de los LED de estructura vertical. Dawson et al. usó una solución de KOH para grabar el silicio en un proceso llamado grabado anisotrópico para lograr la liberación del sustrato.

Después de la liberación del sustrato, el siguiente paso crucial en la integración de la transferencia de MicroLED es la selección y colocación de los MicroLED. Este proceso debe ser rápido y preciso para lograr pantallas rentables y de alta resolución. Dos métodos han demostrado un rendimiento excepcional en este sentido: el método de estampado de elastómero y la liberación selectiva por láser.

Esta técnica fue desarrollada por el grupo de Rogers, que investigó cómo controlar la fuerza de adhesión entre un sello y una película de forma reversible. Esencialmente, encontraron que la tasa de liberación de energía de la interfaz de sello-película es proporcional a la velocidad de pelado. Usaron esto para controlar la fuerza de adhesión entre el sello y las membranas LED para permitir la impresión por transferencia de una matriz MicroLED. En 2009, Park et al. usó un sello plano de polidimetilsiloxano (PDMS) para transferir una matriz MicroLED basada en AlInGaP a un sustrato de poliuretano y vidrio, creando una pantalla flexible y semitransparente.

Para mejorar el rendimiento de la transferencia y la repetibilidad, los investigadores crearon un sello PDMS microestructurado en 2010, que tenía una ventana de reversibilidad más clara. Sin embargo, el proceso involucra una capa de mejora de la adhesión en los sustratos receptores, lo que puede afectar la gestión térmica y la eficiencia luminosa debido a sus malas conductividades térmicas y al cambio en el índice de refracción. Para mitigar estos problemas,

Esta técnica se inspiró en la transferencia directa inducida por láser. En este método, un láser irradia selectivamente la parte posterior de un sustrato donante transparente. La energía del láser es absorbida por una capa de liberación dinámica (DRL), una capa de sacrificio de polímero ubicada entre el sustrato y la película que se va a transferir. Esta absorción conduce a la ablación parcial del DRL, generando una fuerza repulsiva que provoca la delaminación entre la membrana de la microestructura y el donante, lo que permite la transferencia de troqueles a un sustrato receptor. Saeidpourazar et al. refinó aún más esta técnica mediante el uso de un sello PDMS como DRL, aprovechando el hecho de que los sellos PDMS son transparentes a los láseres infrarrojos, que se utilizan para facilitar la transferencia de MicroLED.

Mientras tanto, se ha sugerido una tecnología de transferencia habilitada por láser masivamente paralela que utiliza un láser UV en matriz. Cuando el DRL se extirpa parcialmente, se forma una ampolla en el DRL. El blister en expansión, combinado con la fuerza gravitacional, permite la transferencia de matrices MicroLED a un sustrato receptor a través de un espacio de 10 a 300 micrómetros.

Después de ensamblar los MicroLED, deben interconectarse para permitir la conducción direccionable de las pantallas MicroLED. Este proceso de interconexión generalmente implica la formación de una malla metálica mediante el uso de patrones fotolitográficos y deposición de metal. Para la conducción direccionable por matriz, los electrodos p de cada MicroLED se conectan en filas o columnas, y los electrodos n se conectan en la orientación opuesta.

El primer paso del proceso es fabricar los cables de la columna y cubrirlos con una película dieléctrica antes de transferir las matrices MicroLED al sustrato receptor. A continuación, se abren vías a través de las capas dieléctricas para la conexión de MicroLED y los cables de la columna mediante fotolitografía estándar y técnicas de grabado de iones reactivos. La malla de electrodos se puede lograr luego con un patrón y deposición de metal.

Sin embargo, este método solo permite la interconexión de matriz pasiva de los MicroLED. Para lograr la conducción de matriz activa de las pantallas MicroLED, los MicroLED deben transferirse directamente a sustratos con conjuntos de circuitos micro-CMOS o unidades de microcircuitos integrados (micro-IC), que impulsan el MicroLED y pueden integrarse mediante impresión por transferencia. Las conexiones eléctricas entre los MicroLED y los micro-IC se logran mediante fotolitografía y procesos de deposición de metal, y cada MicroLED puede controlarse mediante su circuito micro-CMOS correspondiente en un subpíxel integrado.

Si bien la introducción de circuitos CMOS en subpíxeles puede reducir la resolución, el modo de conducción de matriz activa puede aumentar significativamente el brillo de la pantalla MicroLED y reducir la diafonía de píxeles.

La integración de transferencia es un método muy eficaz para integrar la mayoría de los microdispositivos inorgánicos y sus matrices, como MicroLED, microsensores y micro-CMOS. Este método es especialmente útil para las pantallas MicroLED y se considera esencial para las pantallas MicroLED futuristas de panel plano de área grande debido a su capacidad para expandir la matriz MicroLED a través de múltiples procesos de impresión. También permite pantallas a todo color con gamas de colores más amplias y mayor eficiencia, y se adapta bien a las pantallas flexibles.

Sin embargo, los desafíos que enfrenta la integración de la transferencia incluyen un alto costo debido al rendimiento limitado de la transferencia de masa y la necesidad de reparación y redundancia, y la dificultad para diseñar circuitos de conducción debido a las diferentes corrientes operativas requeridas por MicroLED con diferentes longitudes de onda de luz. A pesar de estos desafíos, con equipos avanzados y tecnología innovadora, se espera lograr avances futuros en alta resolución, alto rendimiento y bajo costo.

Las pantallas MicroLED integran MicroLED con circuitos CMOS de matriz activa para controlar cada píxel LED individualmente. Existen diferentes técnicas para lograr esta integración, cada una con sus ventajas y desafíos:

A medida que atravesamos el panorama prometedor de la tecnología MicroLED, se deben abordar varios desafíos críticos para desbloquear su potencial para la producción en masa y la adopción generalizada en los sistemas de visualización. Un tema central gira en torno a los materiales, las técnicas y los procesos de integración que podrían hacer que la fabricación sea más eficiente y rentable.

En primer lugar, los materiales específicos utilizados para los LED y los circuitos del controlador juegan un papel fundamental. La investigación indica la promesa de epitaxia heterogénea de gran tamaño para la creación de pantallas monolíticas a todo color a gran escala. El uso potencial de materiales 2D que se pueden preparar en masa también surge como una frontera prometedora para la fabricación de transistores controladores. Además, los puntos cuánticos compuestos (QD), como los QD de ZnS, InP y perovskita, se están considerando como materiales de conversión de color cuando se integran con MicroLED basados ​​en GaN.

También son esenciales métodos robustos para el aseguramiento de la calidad y las pruebas. Aunque no se discutió explícitamente, la coordinación requerida de múltiples técnicas de integración implica una necesidad inherente de controles de calidad completos y efectivos. Garantizar la producción consistente y confiable de MicroLED es fundamental para la viabilidad comercial.

El tema de la gestión del calor y la eficiencia energética también es integral. La integración del crecimiento es una técnica prometedora en este sentido, que potencialmente permite pantallas MicroLED más compactas con alta eficiencia y bajo consumo de energía. Sin embargo, las técnicas más específicas para gestionar la disipación de calor dentro de estos sistemas compactos y densos en energía siguen siendo objeto de investigación en curso.

La escalabilidad y la rentabilidad plantean otro obstáculo importante. El avance de la integración de transferencia, notable por su capacidad para fabricar pantallas planas de área grande, ofrece el potencial de aumentar el rendimiento y reducir los costos. Esto sugiere un camino prometedor hacia la comercialización más amplia de pantallas MicroLED. Se espera que las pantallas futuras requieran actualizaciones en múltiples aspectos, incluidos materiales y procesos, todo lo cual puede afectar la escalabilidad y el costo.

Con respecto a la confiabilidad a largo plazo y los modos de falla, la necesidad de múltiples procesos de integración sugiere un enfoque subyacente en estas áreas. La durabilidad y longevidad de las pantallas MicroLED ante el uso continuo y la falla potencial de los componentes es crucial para la confianza del consumidor y la aceptación de la industria.

Una mirada hacia el futuro ve la aparición de pantallas inteligentes. Al integrar diversos dispositivos y componentes, como guías de ondas ópticas, fotodetectores, sensores, actuadores, circuitos lógicos y analógicos, dispositivos de radiofrecuencia y recolectores de energía, las pantallas MicroLED podrían encontrar aplicaciones más amplias. El objetivo es crear sistemas versátiles y funcionales que se extiendan más allá de las funciones de visualización tradicionales, prometiendo nuevas y emocionantes posibilidades en la comunicación de luz visible, el Internet de las cosas (IoT) y la fabricación biomédica y micro-nano. Todas estas áreas serían de gran valor para Apple y podrían incorporarse a iPhones y relojes inteligentes.

Como tal, la evolución de la tecnología MicroLED no se trata solo de mejorar la tecnología de visualización, sino también de cómo se integra con otras tecnologías, conduciendo hacia un futuro de sistemas más sofisticados e inteligentes.