OLED-микродисплеи: как развивается технология и где ее применяют
Об экспертах:
Александр Нуриев — заместитель начальника отделения средств визуализации ЦНИИ «Циклон»,
Сергей Стахарный — главный конструктор средств визуализации ЦНИИ «Циклон».
Как устроено производство OLED-микродисплеев
OLED-дисплеи (Organic Light Emitting Diode — органические светодиоды, которые самостоятельно испускают свет при прохождении через них электрического тока) создаются в несколько этапов с помощью напыления органических слоев на кремниевые пластины.
На производстве используют два варианта пластин. Для создания тестовых светодиодов берут чистые (пустые) кремниевые, а для конечной продукции — микродисплеев — кремниевые пластины с кристаллами (чипами) с активно-матричной схемой управления. Активная матрица на органических светодиодах (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode, AMOLED) — технология создания дисплеев, в которой используются органические светодиоды в качестве светоизлучающих элементов и активная матрица из транзисторов для управления ими.
Александр Нуриев:
«Раньше мы использовали импортные пластины, которые изготавливались на крупнейшей фабрике в Тайване, но постоянно сталкивались с проблемой кооперации, к тому же страдало качество пластин. Недавно мы завершили разработку по созданию продукции такого высокотехнологичного уровня: теперь активно-матричную схему управления на пластинах диаметром 200 мм производит предприятие АО «Микрон» в Зеленограде. На нашей фабрике удалось разработать продукцию с лучшими параметрами и характеристиками. Стоимость одной пластины — около полумиллиона рублей».
Чистота процесса
Прежде чем зайти в производственный цех, необходимо надеть защитный костюм и пройти процесс «обеспыливания» в воздушном шлюзе перед входом. Весь процесс создания OLED-микродисплеев происходит в чистых производственных помещениях. Пыль — основной враг будущих микродисплеев. Одна крохотная частица, налипшая на пластину, во время процесса напыления органического слоя может привести к короткому замыканию или потере герметичных свойств пленки. Попадание пыли скажется и на качестве цветопередачи, и на сроке службы микродисплея — он быстро выйдет из строя. Поэтому до начала процесса производства пластины хранятся отдельно — в вакуумных шлюзах с постоянной откачкой воздуха, где они не подвержены внешним воздействиям кислорода и влаги, которая может абсорбироваться на поверхности.
Автоматизация
Основная работа на производстве выполняется с помощью машин, но работают они под присмотром оператора-технолога. Все команды отдаются с помощью пульта управления. Все процессы производства происходят в вакууме, даже простое перемещение: из камеры в камеру пластины переносит робот-манипулятор. Пересчет каждой пластины, контроль толщины до единицы нанометров и остальные тесты также совершаются автоматически.
Этапы изготовления дисплея
В напылительном рецепте (уникальном составе органического слоя) для каждой пластины прописана последовательность нанесения. В соответствии с ним робот-манипулятор забирает кремниевую пластину и направляет ее на разные этапы.
Очистка. В первую очередь пластина отправляется на плазменную очистку поверхности, чтобы с нее сняли все загрязнения.
Первый слой — органическая структура, необходимая для корректировки спектра излучения. Здесь используются органические электролюминесцентные материалы, с помощью которых получается органический светодиод. Проверяются электрооптические свойства и вольтамперные характеристики (зависимость электрического напряжения от силы тока в электрической цепи или ее отдельных элементах), которые на выходе влияют на качество изображения.
Напыление. Качество OLED-микродисплея зависит не только от органики, но также и от следующего этапа — напыления металла, которое дает токопроводность. Это электрический контакт, который соединяет всю органическую структуру и закрывает светодиод.
Герметизация. После того как создается органическая структура и наносится полупрозрачный электрод, идет многоступенчатая герметизация, которая очень важна для самого OLEDа. Кислород и влага настолько губительны, что, если достать в атмосферу только что напыленную структуру, она будет жить фактически часы или даже минуты.
Тесты. Перед следующим этапом OLED-микродисплей тестируют и проверяют, не было ли ошибок при изготовлении. Готовые дисплеи проверяют на зондовой станции. Чтобы никакая микровибрация не мешала тесту, оборудование помещено на массивную гранитную платформу. Здесь в первую очередь проверяются координаты цветности, яркость, светотехнические параметры органической структуры, которая получилась после процесса нанесения и герметизации.
Сборка. После того как пластина прошла этап герметизации OLED-структуры, ее можно доставать из вакуума, не боясь, что она быстро деградирует. Тогда начинается сборка дисплея, приклеивается стекло: либо обычное дисплейное стекло с противоотражающими покрытиями, либо стекло с цветными фильтрами, если требуется полноцветное изображение. Приклейка стекла нужна для того, чтобы тонкопленочная герметизация, сформированная с помощью напыления, не нарушилась. То есть стекло выполняет не только оптические функции, но и повышает защитно-механические свойства.
Разделение на светоизлучающие матрицы. Когда стекло приклеено, пластины с органическим напылением разрезают на части. Для этого размечают реперные точки, которые отвечают за выравнивание, и собственно точки реза. Дальше машина сама выстраивает карту. Пластина устанавливается на пяльце, чтобы во время резки кристаллы не разлетались, и распиливается. Во время процесса резки подается вода — иначе лезвие практически сразу разрушится. Вращаясь, дисковая пила постепенно пропиливает «сэндвич» из кремния со стеклом.
Создание дисплея. Полноценными дисплеями разделенные светоизлучающие матрицы становятся на этом этапе, когда их устанавливают на интерфейсные платы, с которых выводятся все сигналы. Фактически это адаптер, с помощью которого сигнал управления и само видеоизображение поступают в кремниевый чип.
Характеристики OLED-микродисплеев
Микродисплей — это дисплей с разрешением 1280 на 1024 пикселя, при этом диагональ составляет всего лишь 2 сантиметра, то есть получается 12 микрон в пиксель — это в 20 раз тоньше, чем человеческий волос. Каждый пиксель состоит из трех субпикселей для того, чтобы получилось полноцветное изображение. Размеры этих субпикселей — 3 на 11 микрон.
Где применяются OLED-микродисплеи
Уровень детализации, который достигается в OLED-микродисплеях, важен не только для смартфонов, ноутбуков, но и для профессиональной техники, например, приборов технического зрения в инфракрасном диапазоне: наблюдения, прицельной техники, систем безопасности. Добавьте сюда промышленное тепловидение, IT-сферу, промышленный контроль и даже ЖКХ.
Еще одна большая сфера применения — VR и дополненная реальность. Использовать дисплеи в этом случае можно не только в развлекательных целях, а, например, при сборке сложного технологического оборудования, либо контроля процессов в помещении, где нежелательно присутствие человека. Такие системы уже сейчас тестируются в «Ростехе» и «Росатоме».
Конкурентоспособность и будущее произведенного продукта
На выходе OLED-микродисплей стоит порядка ₽100–120 тыс. Это дешевле, чем у европейских производителей, и чуть дороже, чем у китайских.
Сергей Стахарный:
«Результат, который мы получили в рамках нашей последней работы, это не только технология производства микродисплеев. Это еще и научно-технологический задел для масштабирования этих технологий. Ведь сейчас фактически OLED-дисплеи замещают жидкокристаллические LCD-дисплеи. Во всех флагманских смартфонах сейчас уже стоят OLED-дисплеи. Постепенно ими будут замещаться дисплеи и в планшетах, ноутбуках, телевизорах и мониторах.
При поддержке Министерства промышленности и торговли мы планируем разработать серию бюджетных микродисплеев для широкого применения. Сейчас на техническом уровне мы прорабатываем совместный проект с российским производителем активных матриц под мало-, средне- и крупноформатные дисплеи. Оцениваем возможность масштабирования этой технологии на больший размер подложки. Здесь нужно задумываться и о техпереоснащении. Надо расширять производственные линии, а для этого требуется поддержка наших институтов развития».