نمایشگرهای مینی‌ال‌ای‌دی، میکرو‌ال‌ای‌دی و اولد: تحلیل جامع و چشم‌انداز آینده

فهرست مطالب

• 1. مقدمه
• 2. مروری بر فناوری‌های نمایشگر
  • 2.1 نمایشگرهای کریستال مایع (LCD)
  • 2.2 نمایشگرهای دیود نورافشان آلی (OLED)
  • 2.3 فناوری مینی‌ال‌ای‌دی (mLED)
  • 2.4 فناوری میکرو‌ال‌ای‌دی (μLED)
• 3. تحلیل معیارهای عملکرد
  • 3.1 مصرف انرژی
  • 3.2 نسبت کنتراست محیطی (ACR)
  • 3.3 زمان پاسخ تصویر متحرک (MPRT)
  • 3.4 محدوده دینامیکی و HDR
• 4. مقایسه فنی
  • 4.1 خواص مواد
  • 4.2 ساختارهای قطعات
  • 4.3 چالش‌های تولید
• 5. نتایج و داده‌های آزمایشگاهی
• 6. چشم‌اندازها و کاربردهای آینده
• 7. منابع

1. مقدمه

فناوری نمایشگر از روزهای اولیه لوله‌های پرتو کاتدی (CRT) تا نمایشگرهای صفحه‌تخت مدرن، پیشرفت چشمگیری داشته است. در حال حاضر، نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) و دیود نورافشان آلی (OLED) بر این عرصه تسلط دارند که هر یک مزایا و محدودیت‌های متمایزی دارند. اخیراً، فناوری‌های مینی‌ال‌ای‌دی (mLED) و میکرو‌ال‌ای‌دی (μLED) به عنوان جایگزین‌های امیدوارکننده ظهور کرده‌اند که عملکرد بهبودیافته‌ای در زمینه‌هایی مانند محدوده دینامیکی، روشنایی و طول عمر ارائه می‌دهند. این مرور، تحلیلی جامع از این فناوری‌ها ارائه می‌دهد و خواص مواد، ساختار قطعات و عملکرد کلی آن‌ها را برای تعیین پتانسیل آن‌ها در کاربردهای آینده نمایشگر ارزیابی می‌کند.

2. مروری بر فناوری‌های نمایشگر

2.1 نمایشگرهای کریستال مایع (LCD)

نمایشگرهای LCD که در اواخر دهه ۱۹۶۰ و اوایل دهه ۱۹۷۰ اختراع شدند، با جایگزینی CRTها به فناوری غالب نمایشگر تبدیل شدند. آن‌ها با مدولاسیون نور از واحد نور پس‌زمینه (BLU) با استفاده از کریستال‌های مایع کار می‌کنند. در حالی که از نظر هزینه مؤثر و قادر به ارائه وضوح بالا هستند، LCDها غیرتابشی هستند و به یک BLU نیاز دارند که ضخامت را افزایش داده و انعطاف‌پذیری را محدود می‌کند.

2.2 نمایشگرهای دیود نورافشان آلی (OLED)

نمایشگرهای OLED تابشی هستند، به این معنی که هر پیکسل نور خود را تولید می‌کند. این امر امکان دستیابی به سطوح سیاه کامل، پروفایل نازک و قالب‌های انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کند. پس از دهه‌ها توسعه، OLEDها اکنون در گوشی‌های هوشمند تاشو و تلویزیون‌های رده بالا استفاده می‌شوند. با این حال، مسائلی مانند سوختگی تصویر (Burn-in) و طول عمر محدود همچنان چالش‌هایی باقی مانده‌اند.

2.3 فناوری مینی‌ال‌ای‌دی (mLED)

مینی‌ال‌ای‌دی‌ها، ال‌ای‌دی‌های غیرآلی با اندازه‌ای معمولاً بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ میکرومتر هستند. آن‌ها عمدتاً به عنوان نور پس‌زمینه با قابلیت تاریکی محلی برای LCDها استفاده می‌شوند که نسبت کنتراست را به طور قابل توجهی افزایش داده و عملکرد محدوده دینامیکی بالا (HDR) را ممکن می‌سازند. آن‌ها روشنایی بالا و طول عمر طولانی ارائه می‌دهند اما با چالش‌هایی در تولید انبوه و هزینه مواجه هستند.

2.4 فناوری میکرو‌ال‌ای‌دی (μLED)

میکرو‌ال‌ای‌دی‌ها حتی کوچکتر هستند، معمولاً کمتر از ۱۰۰ میکرومتر، و می‌توانند به عنوان پیکسل‌های تابشی مجزا عمل کنند. آن‌ها روشنایی فوق‌العاده بالا، بازده انرژی عالی و طول عمر برتر را نوید می‌دهند. کاربردهای کلیدی شامل نمایشگرهای شفاف و صفحه‌های قابل خواندن در نور خورشید است. موانع اصلی، بازده انتقال انبوه و تعمیر نقص در حین تولید است.

3. تحلیل معیارهای عملکرد

3.1 مصرف انرژی

بازده انرژی به ویژه برای دستگاه‌های همراه حیاتی است. OLEDها برای محتوای تاریک کارآمد هستند اما به دلیل ماهیت تابشی خود، می‌توانند با تصاویر روشن و سفید تمام‌صفحه انرژی بیشتری مصرف کنند. LCDهای دارای نور پس‌زمینه mLED می‌توانند به دلیل تاریکی محلی، کارآمدتر از LCDهای دارای نور لبه‌ای سنتی باشند. μLEDها به دلیل بازده کوانتومی خارجی بالا و ماهیت غیرآلی خود، از نظر تئوری کارآمدترین از نظر مصرف انرژی هستند.

فرمول کلیدی (مدل ساده شده توان): مصرف انرژی $P$ یک نمایشگر را می‌توان به صورت $P = \sum_{i=1}^{N} (V_{i} \cdot I_{i})$ مدل کرد، که در آن $V_i$ و $I_i$ به ترتیب ولتاژ و جریان برای هر پیکسل یا ناحیه نور پس‌زمینه $i$ هستند و $N$ تعداد کل است. برای LCDهای mLED با تاریکی محلی، صرفه‌جویی در انرژی $\Delta P$ در مقایسه با نور پس‌زمینه کاملاً روشن می‌تواند قابل توجه باشد: $\Delta P \approx P_{full} \cdot (1 - \overline{L_{dim}})$، که در آن $\overline{L_{dim}}$ میانگین فاکتور تاریکی در نواحی است.

3.2 نسبت کنتراست محیطی (ACR)

ACR عملکرد یک نمایشگر را تحت نور محیط اندازه‌گیری می‌کند. این نسبت به صورت $(L_{on} + L_{reflect}) / (L_{off} + L_{reflect})$ تعریف می‌شود، که در آن $L_{on}$ و $L_{off}$ به ترتیب روشنایی صفحه در حالت روشن و خاموش هستند و $L_{reflect}$ نور محیط منعکس شده است. فناوری‌های تابشی مانند OLED و μLED ذاتاً حالت تاریک برتری دارند ($L_{off} \approx 0$)، که منجر به ACR بالاتر در محیط‌های روشن در مقایسه با LCDها می‌شود که از نشت نور و انعکاس رنج می‌برند.

3.3 زمان پاسخ تصویر متحرک (MPRT)

MPRT برای کاهش تاری حرکتی در محتوای سریع‌الحرکت حیاتی است. OLED و μLED، به عنوان فناوری‌های خودتابش با زمان پاسخ در محدوده میکروثانیه، مزیت قابل توجهی نسبت به LCDها دارند که پاسخ آن‌ها توسط سوئیچینگ کریستال مایع (در محدوده میلی‌ثانیه) محدود شده است. MPRT برای یک نمایشگر ضربه‌ای ایده‌آل (مانند OLED) پایین‌تر است که منجر به حرکت واضح‌تر می‌شود.

3.4 محدوده دینامیکی و HDR

محدوده دینامیکی بالا (HDR) هم به روشنایی اوج بالا و هم سیاهی عمیق نیاز دارد. LCDهای دارای نور پس‌زمینه mLED این امر را از طریق تاریکی محلی محقق می‌سازند و به نواحی خاص اجازه می‌دهند کاملاً خاموش شوند. OLEDها سیاهی کامل را در هر پیکسل محقق می‌سازند. μLEDها هر دو ویژگی روشنایی اوج بالا (از نظر تئوری بیش از ۱,۰۰۰,۰۰۰ نیت) و سیاهی کامل را ترکیب می‌کنند و پتانسیل نهایی HDR را ارائه می‌دهند.

4. مقایسه فنی

4.1 خواص مواد

OLEDها از مواد نیمه‌هادی آلی استفاده می‌کنند که در برابر تخریب ناشی از اکسیژن، رطوبت و تنش الکتریکی آسیب‌پذیر هستند و منجر به سوختگی تصویر می‌شوند. mLEDها و μLEDها از مواد نیمه‌هادی غیرآلی III-V (مانند GaN) استفاده می‌کنند که بسیار پایدارتر هستند و طول عمری بیش از ۱۰۰,۰۰۰ ساعت با افت بازده حداقلی در جریان‌های بالا ارائه می‌دهند.

4.2 ساختارهای قطعات

پیکسل‌های OLED معمولاً ساختارهای تابش از پایین یا تابش از بالا با چندین لایه آلی هستند. mLEDهای مورد استفاده برای نور پس‌زمینه در یک آرایه دو بعدی پشت پنل LCD چیده می‌شوند. نمایشگرهای μLED به یک آرایه یکپارچه یا انتقال‌انبوه از ال‌ای‌دی‌های میکروسکوپی نیاز دارند که هر کدام مدار درایو مجزا (بک‌پلین ماتریس فعال TFT) دارند و چالش‌های یکپارچه‌سازی قابل توجهی ایجاد می‌کنند.

4.3 چالش‌های تولید

"انتقال انبوه" میلیون‌ها μLED میکروسکوپی از ویفر رشد به یک زیرلایه نمایشگر با بازده تقریباً کامل، گلوگاه اصلی است. تکنیک‌هایی مانند Pick-and-Place، انتقال با استامپ الاستومری و خود-اسمبلی سیالی در حال توسعه هستند. تعمیر نقص برای μLEDها نیز کار ساده‌ای نیست، زیرا زیرپیکسل‌های معیوب مجزا باید شناسایی شده و به صورت الکترونیکی جایگزین یا جبران شوند.

5. نتایج و داده‌های آزمایشگاهی

این مرور به داده‌های آزمایشگاهی اشاره می‌کند که نشان می‌دهد LCDهای دارای نور پس‌زمینه mLED می‌توانند با چندین هزار ناحیه تاریکی محلی، نسبت کنتراست بیش از ۱,۰۰۰,۰۰۰:۱ را محقق کنند و با سطح سیاه درک شده OLED در یک اتاق تاریک رقابت کنند. برای μLEDها، نمایشگرهای نمونه اولیه فاصله پیکسل کمتر از ۱۰ میکرومتر را نشان داده‌اند که برای کاربردهای فوق‌با وضوح مانند AR/VR مناسب است. اندازه‌گیری‌های بازده نشان می‌دهد که بازده کوانتومی خارجی (EQE) μLED می‌تواند برای طول‌موج‌های سبز و آبی از ۵۰٪ فراتر رود که به طور قابل توجهی بالاتر از OLEDها است. یک نمودار کلیدی در این زمینه، که اغلب از گزارش‌های Yole Développement یا DSCC استناد می‌شود، مبادله بین هزینه نمایشگر و چگالی پیکسل را برای فناوری‌های مختلف ترسیم می‌کند و نشان می‌دهد که μLEDها در حال حاضر در ربع عملکرد بالا و هزینه بالا قرار دارند.

6. چشم‌اندازها و کاربردهای آینده

کوتاه‌مدت (۱-۵ سال): LCDهای دارای نور پس‌زمینه mLED به کسب سهم بازار در تلویزیون‌ها و مانیتورهای پریمیوم ادامه خواهند داد و یک راه‌حل مقرون‌به‌صرفه HDR ارائه می‌دهند. OLED بر بازار گوشی‌های هوشمند انعطاف‌پذیر/تاشو و تلویزیون‌های رده بالا تسلط خواهد داشت.

میان‌مدت (۵-۱۰ سال): فناوری μLED تجاری‌سازی را در کاربردهای خاص و با ارزش بالا که هزینه اهمیت کمتری دارد آغاز خواهد کرد: نمایشگرهای عمومی بزرگ‌مقیاس، ساعت‌های هوشمند لوکس و نمایشگرهای سر بالا (HUD) خودرو. رویکردهای ترکیبی، مانند استفاده از μLEDها به عنوان منبع نور برای تبدیل رنگ LCD یا در ترکیب با لایه‌های QD (نقطه کوانتومی)، ممکن است ظهور کنند.

بلندمدت (۱۰+ سال): چشم‌انداز، نمایشگرهای μLED تمام‌رنگ و با وضوح بالا برای الکترونیک مصرفی جریان اصلی - گوشی‌های هوشمند، عینک‌های AR/VR و تلویزیون‌ها است. این امر به پیشرفت‌هایی در انتقال انبوه، تبدیل رنگ (با استفاده از μLEDهای آبی/فرابنفش با QDها یا فسفرها) و الگوریتم‌های تحمل نقص بستگی دارد. هدف نهایی، نمایشگری است که سیاهی کامل و انعطاف‌پذیری OLED را با روشنایی، طول عمر و بازده ال‌ای‌دی‌های غیرآلی ترکیب می‌کند.

7. منابع

1. Huang, Y., Hsiang, E.-L., Deng, M.-Y. & Wu, S.-T. Mini-LED, Micro-LED and OLED displays: present status and future perspectives. Light Sci Appl 9, 105 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0341-9
2. Wu, S.-T. & Yang, D.-K. Fundamentals of Liquid Crystal Devices. (Wiley, 2014).
3. Forrest, S. R. The path to ubiquitous and low-cost organic electronic appliances on plastic. Nature 428, 911–918 (2004).
4. Day, J. et al. Full-scale self-emissive blue and green microdisplays based on GaN micro-LED arrays. Proc. SPIE 10124, 101240V (2017).
5. Yole Développement. MicroLED Displays 2023. (2023). [Market Report]
6. Zhu, R., Luo, Z., Chen, H., Dong, Y. & Wu, S.-T. Realizing Rec. 2020 color gamut with quantum dot displays. Opt. Express 23, 23680–23693 (2015).
7. International Committee for Display Metrology (ICDM). Information Display Measurements Standard (IDMS). (Society for Information Display, 2012).