Micro-LED-Displays, die Technologie von morgen, und ArrayFIX, das Partikel-Array-ACF, das ihre Einführung unterstützen kann

Micro-LED-Displays: innovative Displaytechnologie

Ab 2024 konzentrieren sich Elektronikhersteller weltweit auf eine neue Technologie namens Micro LED als nächste Generation der Displaytechnologie. Obwohl sie bereits seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung ist, findet sie nun endlich praktische Anwendung für verschiedene Zwecke, und es wird erwartet, dass sich ihre Nutzung rasch ausbreitet.

LEDs (Light Emitting Diodes), auch „Leuchtdioden“ genannt, haben sich seit der Entwicklung der weißen LEDs im Jahr 1996 als „vierte Generation der Beleuchtung“ nach Kerzen, Glühlampen und Leuchtstofflampen rasant auf der ganzen Welt verbreitet. LED-Beleuchtung zeichnet sich durch eine hohe Lichtausbeute, einen geringen Stromverbrauch und eine lange Lebensdauer aus und wird daher häufig als Ersatz für herkömmliche Glühbirnen und Leuchtstofflampen eingesetzt.

Die Micro-LED ist ein LED-Typ, bei dem die einzelnen LED-Chips extrem klein sind und eine Kantenlänge von weniger als einem Zehntel Millimeter aufweisen. Während ein herkömmlicher LED-Chip eine Kantenlänge von 1 mm oder mehr misst, ist eine kleinere Version, die sogenannte Mini-LED, etwa 100 bis 200 Mikrometer groß. Die Micro-LED ist sogar noch kleiner und misst weniger als 100 Mikrometer.

Dieser Artikel befasst sich mit dem Micro-LED-Display. Es besteht aus Micro-LEDs kleiner als 100 Mikrometer, die auf einem Flachbildschirm angeordnet sind und so ein Display bilden. Seine hohe Helligkeit und Bildqualität wecken Erwartungen an Anwendungen in großformatigen Displays wie Beschilderungen, Fernsehgeräten und tragbaren Geräten. Viele große Elektronikhersteller sind an der Entwicklung beteiligt, und einige Pionierunternehmen haben bereits Outdoor-Displays auf den Markt gebracht. Micro-LED-Displays werden beispielsweise in Direktverkaufsgeschäften von PC-Herstellern in Nordamerika installiert.

Um Farbbilder mit Micro-LEDs zu erzeugen, werden die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau mithilfe von LED-Chips erzeugt und zu einem Pixel kombiniert. Micro-LED-Displays ermöglichen eine präzise Farbdarstellung durch die präzise Steuerung der Helligkeit einzelner LEDs und die Bildwiedergabe durch die Steuerung jedes Pixels auf dem gesamten Display. Das Prinzip ähnelt der Darstellung von Sportlern auf den großen Bildschirmen in Sportarenen. Bei Micro-LED-Displays ist jedoch jede einzelne Lichtquelle deutlich kleiner als die auf dem Bildschirm einer Arena, sodass der Betrachter auch aus nächster Nähe deutlich detailreichere Bilder genießen kann.

Vorteile von Micro LED gegenüber LCD und OLED

Die Besonderheit von LED-Elementen besteht darin, dass es sich um „selbstemittierende Elemente“ handelt, die selbstständig Licht aussenden. Dadurch können Bilder erzeugt werden, die heller und leuchtender sind als bei herkömmlichen LCD-Displays und ein hohes Kontrastverhältnis aufweisen. Bei LCD-Displays wird die Rückseite des LCD mit Hintergrundbeleuchtung (weißes Licht) beleuchtet und durch Einfärben mit einem Farbfilter werden Pixel erzeugt. Daher ist der Effizienz der Umwandlung von Elektrizität in Bilder theoretisch Grenzen gesetzt. Darüber hinaus wird die durchgelassene Lichtmenge durch Ausnutzung der Eigenschaften von Flüssigkristallmolekülen angepasst. Da es jedoch nicht möglich ist, das Licht der Hintergrundbeleuchtung vollständig auszublenden, lässt sich ein Lichtleck auf dem Bildschirm nicht vermeiden (was es schwierig macht, den Bildschirm vollständig schwarz zu machen), was wiederum eine Erhöhung des Hell-Dunkel-Kontrasts erschwert. Darüber hinaus benötigen die Flüssigkristallmoleküle eine gewisse Zeit, um auf Änderungen im Steuersignal zu reagieren. Dadurch ist es schwierig, Bildern mit schnellen Bewegungen oder Sportaufnahmen zu folgen, was zu Nachbildern führt. Um dieses Problem zu beheben, wurde für LCD-Displays eine „Double-Speed-Drive-Technologie“ entwickelt, bei der vor und nach dem Frame (ein Video-Frame) ein von der Bild-Engine erstelltes Bild eingefügt wird. Dies bietet jedoch keine grundlegende Lösung für das Problem des Bildeinbrennens.

Andererseits haben LED-Displays bessere Reaktionszeiten als LCD-Displays, da jedes Pixel sofort ein- und ausgeschaltet werden kann. Da LED-Displays zudem auf Pixelbasis klar zwischen Hell und Dunkel unterscheiden können, sind sie strukturell frei von Problemen wie Lichtlecks. Da es keine Hintergrundbeleuchtung hat, ist es außerdem stromsparend. Es wird erwartet, dass es in tragbaren Geräten und AR-Smart-Brillen zum Einsatz kommt, da es wenig Strom verbraucht, lange Zeit mit einer Batterie betrieben werden kann und eine hohe Helligkeit aufweist, wodurch hochauflösende Anzeigen sogar in hellen Außenumgebungen möglich sind. Da außerdem keine Komponenten wie Hintergrundbeleuchtung, Polarisationsplatte oder Diffusor erforderlich sind, kann das Display dünner als ein LCD gestaltet werden.

Referenz: https://www.ite.or.jp/contents/keywords/1909keyword.pdf

Es gibt eine weitere Displaytechnologie namens Organic LED oder OLED, aber auch Micro-LED-Displays bieten Vorteile gegenüber OLED. OLED-Displays verwenden organische Verbindungen zur Lichtemission, wodurch sie mit der Zeit durch Sauerstoff und Licht verschleißen können. Daher wird ihre Langlebigkeit beeinträchtigt. Die LED-Chips in Micro-LED-Displays hingegen bestehen aus anorganischen Materialien. Dies verleiht ihnen eine höhere Haltbarkeit und vermeidet die bei OLED-Displays bekannten Probleme mit eingebrannten Bildern und Bildqualitätsverlust.

Um Einbrennen und Bildqualitätsverlust zu vermeiden, verringern OLED-Displays die Bildhelligkeit. Da diese Probleme bei Micro-LEDs weniger auftreten, ist eine bessere Bildqualität als bei OLED möglich.

Herausforderungen für die praktische Anwendung von Micro-LED-Displays

Micro-LED-Displays bieten aufgrund ihrer Struktur und Funktionsweise viele Vorteile und gelten daher als ideale Displaytechnologie. Einer breiten Nutzung stehen jedoch verschiedene Herausforderungen im Weg, und ab 2024 sind sie auf dem Weltmarkt kaum präsent. Um eine breite Akzeptanz zu erreichen, müssen die Kosten überwunden werden. Der Grund für diese hohen Kosten liegt in strukturellen Problemen.

• Kosten
  Als ein großer südkoreanischer Elektronikhersteller 2022 begann, Fernseher mit Micro-LED-Displays zu verkaufen, waren diese extrem teuer: 89-Zoll-Modelle kosteten rund 80.000 US-Dollar, 110-Zoll-Modelle rund 150.000 US-Dollar. Selbst im September 2024 sind die Preise für Micro-LED-Fernseher noch immer extrem hoch und liegen weit außerhalb der Preisspanne des Durchschnittsverbrauchers. Die folgenden Fertigungsherausforderungen spielen eine große Rolle bei diesen hohen Preisen.

• Herausforderungen in der Fertigung
  Zur Herstellung von Micro-LED-Displays müssen die Micro-LED-Elemente, die die Pixel bilden, dicht und lückenlos auf der Platine platziert werden. Für die Herstellung eines der bereits weit verbreiteten 4K-Displays sind über 8 Millionen Pixel erforderlich. Um dies durch die Anordnung roter, grüner und blauer LEDs für jedes Pixel zu erreichen, müssten 24 Millionen Micro-LEDs präzise angeordnet und verbunden werden. Für ein 8K-Display werden rund 100 Millionen benötigt.
  
  Ab 2024 ist ein sogenanntes „Pick-and-Place“-Verfahren die gängige Methode, um Micro-LEDs auf einem Display anzuordnen. Jeder einzelne LED-Chip wird aufgenommen, an seine Position auf der Platine gebracht und angeschlossen. Das Problem ist, dass dieser Vorgang aufgrund der großen Anzahl an Chips extrem lange dauert. Vor etwa zehn Jahren, als die Entwicklung von Micro-LED-Displays begann, hieß es, die Herstellung eines einzelnen Displays könne mehrere Monate dauern. Die Kosten der LED-Chips sind ein weiteres Problem. Würde jeder LED-Chip 1 JPY kosten, würden die Micro-LEDs für ein 4K-TV-Display 24 Millionen JPY kosten.

Um diese Herausforderungen zu meistern, arbeiten verschiedene Hersteller an der Entwicklung von Technologien wie der Anordnung mehrerer LEDs auf einem Wafer und dem Massentransfer von LED-Chips. Doch selbst mit Massentransfertechnologie dauert die Herstellung eines einzelnen 4K-Displays etwa fünf Tage. Neben der Anordnung der Mikro-LEDs auf kleinstem Raum ist zudem ein stabiler Herstellungsprozess mit geringer Fehlerquote erforderlich.

Trotz dieser Herausforderungen sind die Hoffnungen groß, dass Micro-LED-Displays die nächste Display-Generation werden, und der Wettbewerb um die Entwicklung neuer Technologien wird mit Sicherheit anhalten. Auch die Aktivitäten zur Übernahme von Technologien durch Unternehmen und Geschäftspartnerschaften sind hoch, angetrieben von den hohen Erwartungen an neue Produkte. So wird beispielsweise viel über die Übernahme eines Startups mit vielen relevanten Technologien durch ein großes nordamerikanisches IT-Unternehmen gesprochen. Micro-LED-Displays mit ansprechenden Bildern werden zweifellos noch häufiger in großen Elektronikfachgeschäften und auf großen Außenbildschirmen zu sehen sein.

Das Potenzial von ArrayFIX zur Unterstützung der Produktion von Micro-LED-Displays

Angesichts der rasanten technologischen Entwicklung kann Dexerials potenziell eine Reihe von Lösungen für innovative Micro-LED-Displays anbieten. Ein wichtiges Beispiel hierfür sind optische Folien, wie beispielsweise Antireflexfolien, die mit unserer eigenen Sputtertechnologie hergestellt werden. Sie werden bereits häufig in herkömmlichen LCD- und OLED-Displays eingesetzt. Ein weiteres Beispiel ist optisch elastisches Harz (SVR), ein optisch transparentes Harz. Darüber hinaus werden viele unserer anisotropen leitfähigen Folien (ACF) in LCD- und OLED-Displays für die elektrische Verbindung zwischen der FPC des Displays und der Leiterplatte eingesetzt. Wir gehen davon aus, dass unsere ACFs auch für Micro-LED-Displays unverzichtbar werden.

Neben FPC-Verbindungen kann unser partikelbasiertes ACF ArrayFIX maßgeblich zur Montage von Micro-LED-Chips auf der Leiterplatte beitragen. Wie bereits erwähnt, sind für die Herstellung eines Micro-LED-Displays mikroskopisch kleine LED-Chips erforderlich. Je kleiner der LED-Chip jedoch ist, desto kleiner ist die Fläche des Anschlussterminals und desto schwieriger wird die Verbindung. ArrayFIX von Dexerials wird kontinuierlich weiterentwickelt, um sich an die schrumpfende Anschlussfläche anzupassen. Wir arbeiten derzeit daran, den Durchmesser leitfähiger Partikel weiter zu reduzieren und Produkte mit dichteren Partikelanordnungen zu entwickeln.

Aus diesen Gründen freuen wir uns auf den Einsatz von ArrayFIX in Micro-LED-Displays. Die angeordneten Partikel bieten eine stabile Anzahl leitfähiger Partikel und ermöglichen so trotz kleiner Fläche eine niederohmige Verbindung. Da sich die Partikel nach der Verbindung nicht bewegen, bleibt die Isolierung trotz des geringen Elektrodenabstands erhalten und Kurzschlüsse werden vermieden.

Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass bei der Montage von Micro-LED-Chips mit ArrayFIX die vor dem Löten erforderliche Vorbehandlung der Au/Sn-Bumps an den Elektrodenanschlüssen entfällt. Während beim Löten eine Erwärmung auf ca. 240 °C in einem Reflow-Ofen erforderlich ist, ermöglicht ArrayFIX die Montage bei niedrigen Temperaturen von ca. 140 °C. Dies reduziert die Hitzeschäden an den LED-Chips.

Im Januar 2023 entwickelte Dexerials in Zusammenarbeit mit Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. innovative Prozesstechnologien für Micro-LED-Displays auf Basis der ArrayFIX-Technologie. Diese Prozesstechnologien ermöglichen die präzise Montage von LED-Chips durch Laserübertragung von ArrayFIX auf die zu montierenden Stellen. Dies kann Verbindungsfehler bei der Herstellung von Micro-LED-Displays reduzieren und die Produktion deutlich steigern.

Dexerials wird auch weiterhin zu bahnbrechenden technologischen Innovationen beitragen, die Displays der nächsten Generation hervorbringen und den Kunden so komfortablere und umfassendere visuelle Erlebnisse bieten.