با MicroLED، نسل آینده نمایشگر‌ها آشنا شوید.

تکنولوژی MicroLED برای نمایشگر‌ها دارای مزیت‌های فراوان است؛ ولی مشکلاتی در تولید آن وجود دارد که به‌خاطر آن هنوز کمپانی‌ها نتوانسته‌اند آن را در محصولات تجاری خود به کار بگیرند. در این مقاله با این تکنولوژی بیشتر آشنا خواهید شد.

اصولا تکنولوژی‌های صفحه‌های نمایش به دو دسته کلی LCDها و نمایشگر‌های خود‌نشر تقسیم می‌شوند. نمایشگر‌های خود‌نشر (Self-Emissive Display) نیز خود به تکنولوژی‌هایی همانند QLED ،OLED و MicroLED تقسیم می‌شوند.

Liquid Crystal Display
LCDها از یک لایه پشتی به عنوان منبع نور نمایشگر استفاده می‌کنند، که نور LEDهای معمولی سفید را به داخل لایه‌های نمایشگر می‌فرستد. این نور از سه لایه عبور می‌کند، ابتدا از لایه کریستال مایع عبور می‌کند که شدت نور را کم و زیاد می‌کند در واقع جهت‌گیری کریستال‌ها در زوایای مختلف این امر را ممکن می‌سازد. این لایه توسط یک لایه ماتریسی از ترانزیستور‌ها به نام (TFT (Thin Film Transistor کنترل می‌شود. لایه بعدی در واقع فیلتر‌ رنگ است که رنگ‌های قرمز، آبی و سبز را از نور پس‌زمینه تولید می‌کند. لایه آخر لایه پلاریزه کننده است؛ بدون این لایه همه چی تقریبا سفید به نظر خواهد رسید. LCDها مشکلات بسیاری دارند، به دلیل فیلتر شدن زیاد نور تا ۹۰ درصد از انرژی به هدر می‌رود و از آن‌جایی که بیش‌ترین مصرف انرژی در دستگاه های پرتابل مربوط به نمایشگر می‌باشد، نمایشگر‌ها نقش تعیین‌کننده‌ای در شارژ‌دهی باتری خواهند داشت. مشکل دیگر مربوط به تولید رنگ سیاه می باشد کریستال مایع نمی‌تواند به خوبی جلوی همه نور را بگیرد و این ناتوانی کنتراست تصاویر تولید شده را پایین می‌آورد. همچنین از زاویه دید مناسبی برخوردار نیستند. علاوه بر این هیچ‌گونه امکانی برای منعطف ساختن آن‌ها وجود ندارد. ولی برتری که امروزه این نمایشگر‌ها دارند، قیمت بسیار بسیار پایین آن‌هاست این امر باعث شده تا این نمایشگر‌ها در بسیاری از وسایل به چشم بخورند.

برای این که نوع دوم نمایشگر‌ها (نمایشگر‌های خود‌نشر) را بهتر بشناسید بهتر است کمی با تکنولوژی (LED (Light Emitting Diode آشنا شوید. LEDها همان‌طور که از اسم آن‌ها پیداست دیود‌هایی هستند که در محل پیوند P-N نور آزاد می‌کنند. الکترون‌ها به خاطر اینکه در این مکان به سطح انرژی کمتری سقوط می‌کنند انرژی خود را به صورت نور آزاد می‌کنند. LEDهای مدرن از محل پیوند P-N مسطح استفاده نمی‌کنند، بلکه ساختمانی بهینه‌تر برای نور‌دهی را به خود اختصاص داده‌اند. نوع نیمه‌هادی مورد استفاده در LEDها می تواند رنگ آن را تعیین نماید. گالیم‌نیترید (GaN) نیمه رساناییست که اگر در یک LED استفاده شود نور آبی را منتشر می‌نماید، این عمل در این ماده بازدهی بسیار بالایی دارد. در واقع آن قدر بالا می‌باشد که برای تولید LEDها با رنگ‌های دیگر نیز از این ماده استفاده می‌کنند. برای مثال LEDهای سفید از یک ماده به نام YAG استفاده می‌کنند که به خاطر خاصیت فلورسانس بخشی از نور آبی را جذب کرده و آن را به شکل نور زرد متصاعد می‌نماید، این نور زرد با باقی مانده نور، نور سفید را تشکیل می‌دهد.

Organic Light Emitting Diode
OLED به کمک LEDهایی که از مواد آلی به عنوان نیمه‌هادی استفاده می‌کنند نور تولید می‌کند. این مواد آلی می‌توانند مولکول‌های کوچک تک‌حلقه‌ای یا حتی پلی‌مر باشند. OLEDها در واقع نمایشگر نیستند و می‌توانند به صورت پیکسلی نباشند و تماما یک‌پارچه باشند، از آنها حتی به عنوان چراغ استفاده می‌کنند. اگر به تصویر زیر دقت کنید یک OLED ابتدایی از چهار لایه اصلی تشکیل شده است، لایه تحتانی که نور از آن به بیرون خواهد رفت می‌تواند شیشه یا یک ماده شفاف دیگر باشد، لایه بعدی باید یک رسانای شفاف باشد که به عنوان آند استفاده شود، لایه بعدی محل قرار گیری LEDهای ارگانیک است که با توجه به رنگی که می‌خواهیم می‌تواند خود چند لایه LED را در بر گیرد، بالاترین لایه باید یک لایه بازتاب کننده باشد و همچنین رسانا تا نقش کاتد را بر عهده گیرد، البته این لایه نیز می تواند شفاف باشد اگر بخواهیم نور از هر دو طرف قابل رویت باشد.

نمایشگر‌هایی که ما امروزه در وسایل با نام OLED می‌شناسیم در واقع عموما (AMOLED (Active-Matrix OLED هستند، که دارای یک لایه TFT برای کنترل پیکسل‌های مجزا هستند. این پنل‌ها معمولا از LEDهای جداگانه برای رنگ‌های قرمز، سبز و آبی در کنار یکدیگر استفاده می‌کنند. از دیگر تفاوت‌های آن می‌توان به یک لایه پلاریزه کننده نور بر روی نمایشگر اشاره کرد البته وظیفه این لایه با LCD متفاوت است بدون این لایه هم تصویر را می توان مشاهده کرد ولی به خاطر بازتابنده بودن پشت این نمایشگر‌ها نور‌های خارجی از روی آن بازتاب شده و در داخل تصویر نمایشگر اختلال ایجاد می‌کنند. این اختلال باعث کاهش کنتراست تصویر می‌شود که با یک لایه پلاریزه کننده بر روی سطح می‌توان از خروج این نور‌های بازتاب شده جلو‌گیری کرد.

این نمایشگر‌ها در مقایسه با LCDها مصرف بسیار کمتری دارند. از آن‌جایی که نور باید از لایه‌های کمتری عبور کند می‌توانند تا ۶۰ درصد در مصرف برق صرفه جویی کنند. همچنین دارای کنتراست بسیار بالای تصویر می‌باشند، که به علت توانایی خاموش کردن کامل یک پیکسل به وجود می‌آید. همچنین تاخیر بسیار کمی را دارا می‌باشند؛ در مقابل چند میلی‌ثانیه تاخیر در نمایشگر‌های LCD این نمایشگر‌ها می توانند تاخیر را به میکرو‌ثانیه برسانند. البته این نوع از نمایشگر‌ها مشکلاتی نیز به همراه دارند من جمله آن می توان به عمر کمتر این نمایشگر‌ها اشاره کرد و همچنین به خاطر نداشتن نور پس‌زمینه اضافی نمی‌توانند به اندازه برخی تلویزیون‌های LCD روشن شوند. و قیمتی به نسبت بالاتر دارند، به همین خاطر بیش‌تر آن‌ها را در محصولات پریمیوم مشاهده می‌کنیم.

Quantum Dot Display
(QD (Quantum Dotها در واقع ذراتی هستند در حد چند نانومتر یا چند اتم، این ذرات برای الکترون‌ها همانند چاه پتانسیل عمل می‌کنند این باعث شده تا بتوانند لقب اتم مصنوعی را نیز بگیرند. این ذرات خواص جالبی دارند، نیمه‌هادی هستند و در صورتی که در معرض جریان برق یا نور قرار بگیرند نور با طول‌موج‌های معینی را گسیل می‌کنند. این طول‌موج‌ها با شکل، نوع ماده و اندازه QDها می‌تواند تغییر کند. به خاطر راحت بودن تغییر اندازه این ذرات در فرآیند تولید، نمایشگر‌هایی که از QD استفاده می‌کنند پوشش پهنه رنگی بسیار بالاتری نسبت به بقیه نمایشگر‌ها دارند. همچنین این ذرات دارای عمر و دوام بسیار بالایی می‌باشند. اولین QDها ترکیباتی از کادمیم بودند مثل کادمیم‌سلنید CdSe، این نوع در واقع بیش‌ترین بازدهی و بیش‌ترین توانایی پوشش پهنه‌رنگی را دارد. ولی چون کادمیم یک فلز سنگین به شمار می‌رود و برای انسان مضر است، استفاده آن توسط RoHS منع شده است. پس شرکت‌ها نمی‌توانند از آن در محصولات خود استفاده کنند، از این رو از ترکیبات دارای ایندیوم همانند ایندیوم‌فسفید InP استفاده می کنند که حدود ۱۰ درصد بازدهی کمتر و پوشش پهنه رنگی کمتر دارد.

به دو طریق می‌توان از این ذرات در نمایشگر‌ها استفاده کرد. از آنجایی که این ذرات می‌توانند طول موج نور را تغییر دهند می توان از آن به عنوان یک فیلتر‌رنگی برای LCDهای معمولی استفاده کرد تا پهنه‌رنگی بیشتری را پوشش دهند، در این روش این فیلتر نمی‌تواند نزدیک LED قرار گیرد چرا که دمای بالای LEDها می‌تواند باعث کاهش عمر شدید این ذرات شود، البته محققین در حال کار بر روی گونه‌های مقاوم به دما از این ذرات هستند.

روشی که امروزه در نمایشگر‌های با این نام استفاده می‌شود، استفاده از آن به عنوان فیلتر برای رنگی کردن نور پس‌زمینه LCDها است. در این روش از LEDهای آبی به عنوان نور پس‌زمینه و از یک لایه QD به عنوان تبدیل کننده این نور به نور سبز و قرمز استفاده می‌شود. برای نور آبی نیز از همان نور پس‌زمینه استفاده می‌شود. این روش بازدهی بیشتری دارد و همچنین رنگ‌های بیش‌تر و غنی‌تری را نسبت به LCDهای معمولی می‌تواند تولید نماید. این تکنولوژی قیمتی بیشتر از LCD دارد ولی هم‌چنان از OLED ارزان‌تر می‌باشد، و هم‌چنین قادر به تولید رنگ سیاه خالص نیست. کمپانی‌ها همچنین در حال کار بر روی ادغام QDها در شیشه جلوی پنل و جلوی لایه کریستال مایع می‌باشند. این روش می تواند قیمت‌ها را کاهش دهد و هم‌چنین با بازدهی بیشتر، بهترین زاویه‌دید را فراهم سازد.

روش دیگر برای استفاده از QDها استفاده از آنها به عنوان LED می‌باشد، روش کار بسیار شبیه پنل‌های OLED خواهد بود، یک لایه نگه‌دارنده که می‌تواند شیشه باشد، بر روی آن لایه ترانزیستوری TFT برای کنترل و پس از آن لایه‌ای از QDها که بین کاتد و آند ساندویچ شده است. ضخامت آن نیز می‌تواند بسیار کم باشد تصویر زیر LED را تنها با ضخامت ۲۰۰ نانومتر نشان می‌دهد. قیمت تولید این نوع نمایشگر‌ها به دلیل استفاده تنها از یک لایه QD در میان کاتد و آند کمتر از گونه‌های دیگر می باشد. زاویه‌دید بسیار عالی، کم‌مصرف بودن حتی نسبت به OLED و توانایی دستیابی به نرخ‌های تازه‌سازی بسیار بالا از مزایای این نمایشگرها می‌باشد. هم‌اکنون این تکنولوژی در دست توسعه می‌باشد و اطلاعات زیادی از آن در دسترس نیست.

MicroLED
MicroLED‌ها در واقع همان LEDهای معمولی هستند ولی با اندازه بسیار کوچک. این LEDها بسیار روشن هستند و بازدهی بالایی دارند. تحقیقات زیادی بر روی LEDهای معمولی انجام شده و خود آن‌ها تکنولوژی بسیار پیشرفته‌ای به حساب می‌آیند. اگر از این تجربه‌ها در نمونه‌های کوچک‌تر این LEDها استفاده کرد، می‌توان پتانسیل‌های جدیدی را به نمایشگر‌ها آورد. البته چالش‌هایی نیز وجود دارد، کوچک شدن این LEDها بازدهی آن‌ها را کم می‌کند و همینطور نمی‌توان آن‌ها را همانند پنل‌های OLED تولید کرد و چالش‌های جدیدی در تولید آن‌ها وجود دارد. ولی این LEDها می توانند بیش از حد روشن شوند و پهنه‌رنگی خوبی را پوشش دهند،. عمر و دوام این مواد آن قدر بالاست که حتی بعضی از کمپانی‌های تولید کننده LEDهای معمولی تا ۲۰ سال محصول خود را ضمانت می‌کنند. هم‌چنین تاخیر بسیار کمی دارند، در مقابل OLED با تاخیرهای در حد میکرو ثانیه این نمایشگرها قادرند تا تاخیرهای نانو ثانیه‌ای به ثبت برسانند.

نمایشگرهای MicroLED از LEDهای بسیار کوچک با سه رنگ آبی، قرمز و سبز استفاده می‌کنند که کنار هم چیده شده‌اند. البته تکنیک‌هایی برای در هم آمیختن این سه وجود دارد که بعضی از کمپانی‌ها از آن استفاده می‌کنند. این LEDها را عموما بر روی یک ویفر می‌سازند، در این روش می‌توان تراکم آن‌ها را بسیار بالا برد. کمپانی به نام Ostendo توانسته با این روش به تراکم پیکسلی معادل ۵۰۰۰ پیکسل بر اینچ دست یابد!

MicroLEDها ابتدا باید بر روی یک ویفر جداگانه ساخته شوند. برای تراکم پیکسلی پایین و ابعاد بزرگ این امر به صرفه نخواهد بود. از این رو باید آن‌ها را روی یک ویفر ساخت سپس به سطح مورد استفاده انتقالشان داد. برای انتقال باید از روش برداشتن و گذاشتن توسط ربات استفاده کرد که چالش‌های جدیدی را به میان می‌آورد. ولی هم‌اکنون پیشرفت‌های بسیاری در این زمینه صورت گرفته است. برای تراکم پیکسلی بالاتر از ۱۰۰۰ پیکسل در هر اینچ می‌توان از همان ویفر LEDها به عنوان نمایشگر استفاده نمود. البته باید یک لایه کنترل‌کننده ترانزیستوری به آن اضافه شود.

قیمت تولید این نمایشگرها بسیار بالا می‌باشد و هنوز برای استفاده در تلویزیون‌های خانگی آماده نیستند چرا که فرآیند تولید بسیار زمان‌بر و سخت است. ولی برای تلفن‌های‌ همراه و ساعت‌های هوشمند می‌توان از آن‌ها استفاده نمود. البته نمایشگر‌های خیلی بزرگ می‌توانند با قیمت متعادل‌تری با MicroLedها ساخته شوند. اولین تلویزیون ساخته شده با این تکنولوژی، تلویزیون Crystal LED سونی بود که در نمایشگاه CES 2012 به نمایش گذاشته شد. این تلویزیون ۵۵ اینچی دارای ۶٫۳ میلیون MicroLED بود که با یکدیگر رزولوشن FullHD را تشکیل می‌دادند. پس از آن محصولاتی که با تکنولوژی MicroLED به نمایش گذاشته شدند تلویزیون‌هایی بالای ۱۰۰ اینچ بودند برای مثال آخرین آن‌ها تلویزیونی ۱۴۶ اینچی بود با رزولوشن ۸k که توسط سامسونگ در نمایشگاه CES 2018 معرفی شد.

نمایشگرهای MicroLED دارای کنتراست بسیار بالا به خاطر توانایی نوردهی بالا هستند. همچنین بازدهی بالایی دارند، و در عین همه اینها پوشش پهنه‌رنگی بالاتری دارند. همه و همه این مزیت‌ها، تلاش‌ها را برای رفع مشکلات این فناوری طی سال‌های اخیر چند برابر کرده است.