Типы, виды и недостатки led-подсветки экранов

Какая полярность светодиодов

Если диод не светится, значит ток не двигается по прямой. А следствием этого является то, что при производстве диода не были учтены катод и анод. Полярность светодиодов практически не подлежит визуальному определению. Выявить ее можно при помощи мультимера, технической документации и простого монтажа по схеме.

P-n переход подключают к источнику постоянного напряжения в зависимости от полярности выводов. Внутри контактов под действием напряжения начинают двигаться свободные отрицательно заряженные электроны и дырки с положительным зарядом. Эти частицы двигаются в направлении к полюсам, которые их притягивают.

В p-n переходе заряды создают рекомбинацию, электроны же перемещаются из зоны проводимости в зону валентности, преодолевая уровень Ферми. Следовательно, часть энергии выходит с выделением волн света разного спектра и яркости.

Будущее за microLED?

Если сравнить самые популярные технологии производства дисплеев, то microLED смотрится явным лидером, не уступая конкурентам ни по одному из параметров. Теоретически, сравнительная таблица выглядела бы так:

Возможно, уже совсем скоро microLED-экраны начнут вытеснять другие виды, так как они обладают всеми преимуществами OLED, а также большей яркостью, лучшей цветовой гаммой, более долгим жизненным циклом и модульностью. Благодаря последнему преимуществу Apple уже сейчас рассматривает возможность использования microLED-дисплеев в iPhone и Apple Watch. И уже через несколько лет такими дисплеями могут быть оснащены как небольшие фитнес-трекеры, так и залы кинотеатров.

Материалы по теме:

• Смартфоны без SIM-карт: когда это случится и каковы плюсы
• Что общего между Nokia и футболом или краткая история компании Carl Zeiss

Органические светодиоды — OLED

Основная статья: OLED

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов (2 года) непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, OLED-телевизорах, для создания приборов ночного видения.

Историческая справка

Исторически изобретателями светодиодов считаются физики Г. Раунд, О. Лосев и Н. Холоньяк, которые по-своему дополняли технологию в 1907, 1927 и 1962 годах, соответственно:

1. Г. Раунд исследовал излучение света твердотельным диодом и открыл электролюминесценцию.
2. О. В. Лосев в ходе экспериментов открыл электролюминесценцию полупроводникового перехода и запатентовал «световое реле».
3. Н. Холоньяк считается изобретателем первого светодиода, применяемого на практике.

Светодиод Холоньяка светился в красном диапазоне. Его последователи и разработчики дальнейших лет разработали жёлтый, синий и зелёный светодиоды. Первый элемент высокой яркости для применения в волоконно-оптических линиях был разработал в 1976 году. Синий светодиод  LED был сконструирован в начале 1990-х трио японских исследователей: Накамура, Амано и Акасаки.

В нынешнем мире светодиоды встречаются повсеместно:

• в наружном и внутреннем освещении светодиодными лампами и лентами;
• как индикаторы для буквенно-цифровых табло;
• в рекламной технике: бегущих строках, уличных экранах, стендах и т.п;
• в светофорах и уличном освещении;
• в дорожных знаках со светодиодным оснащением;
• в USB-устройствах и игрушках;
• в подсветке дисплеев телевизоров, мобильных устройств.

Получение светодиода определенного цвета

Для получения светодиода того или иного цвета используется три технологии – покрытие люминофором, использование RGB светодиодов и применение разных полупроводниковых материалов.

Покрытие люминофором

Люминофором называется вещество, которое может преобразовать поглощаемую энергию в свет. Получение светодиодов путем нанесения люминофора на поверхность имеет свои преимущества:

• простота конструкции;
• низкая стоимость производства;
• экономия.

К недостаткам относятся:

• снижение светоотдачи из-за потери световой энергии;
• влияние на цветовую температуру;
• быстрее стареет при эксплуатации.

Люминофор используется в белых светодиодах. С помощью люминофорного покрытия создаются диоды с различной цветовой температурой.

RGB-технология

Смешивание цветов по RGB технологии также помогает получить светодиоды различного спектра (обычно используются для белого). На матрице устанавливаются 3 монокристалла, каждый из них дает свой спектр RGB. Путем конструирования оптической системы цвета смешиваются и дают нужный оттенок.

Преимущества:

• возможность поочередного включения того или иного цвета вручную или автоматически;
• можно вызывать разные оттенки, меняющиеся по времени;
• создание эффектных осветительных конструкций для рекламы и дизайна.

Недостатки:

• неравномерность светового пятна;
• неравномерность нагрева и отвода тепла.

Отрицательные качества вызваны расположением кристаллов полупроводника на поверхности. Из-за этого качественно организовать RGB модель сложно.

Применение различных примесей и полупроводников

Работа светодиода напрямую зависит от материала, из которого он выполнен. Использование полупроводников с различной шириной запрещенной зоны можно добиться нужного света от диода. От ширины запрещенной зоны зависит длина волны.

Для получения приборов в инфракрасном и красном цветовом спектре используются твердые растворы на основе арсенида галлия. Оранжевые, желтые и зеленые цвета получаются при помощи фосфида галлия. Синие, фиолетовые и ультрафиолетовые изготавливаются на основе нитрида галлия.

LED телевизор – это LCD телевизор?

Несмотря на использование другой аббревиатуры, телевизор со светодиодной подсветкой – это просто ещё один тип ЖК-телевизора. Фактически правильным будет название «ЖК-телевизор с LED-подсветкой», но в нём слишком много слов для обычного разговора, так что люди просто употребляют термин LED телевизор, что и приводит к путанице.

Оба типа ТВ используют жидкокристаллическую панель (LCD) для управления прохождением света на экран. Эти панели, как правило, состоят из двух листов поляризационного материала с находящимся меж ними жидкокристаллическим раствором.

Так что, когда электрический ток проходит через жидкость, он заставляет кристаллы ориентироваться таким образом, что свет может (или не может) проходить через неё. Представьте себе каждый кристалл в виде затвора, который либо позволяет свету проходит через него или блокирует поток.

Далее. Поскольку оба типа телевизора используют ЖК-технологию, интересно, наверное, будет узнать, чем отличается LED от LCD. Ответ – подсветка. Изображение на панели подобно слайду, который мы рассматриваем в диаскопе на просвет. Так вот, обычные ЖК-телевизоры в обеспечение подсветки используют люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL), в то время как LED телевизоры используют для освещения экрана решётку из меньших, но более эффективных светодиодов (LED), что даёт ряд преимуществ.

Отличие LED от LCD и преимущества светодиодной подсветки

LED/LCD телевизоры несут в себе ряд преимуществ по сравнению с обычными ЖК-телевизорами с ламповой подсветкой. Главное отличие LED от LCD в том, что светодиоды значительно меньше, чем лампы CCFL, а это означает, что LED телевизоры могут быть сделаны гораздо более тонкими. В наши дни большинство телевизоров имеют толщину менее 3 см, за счёт того, что LED-подсветка добавляет очень мало глубины к профилю корпуса.

Светодиоды потребляют меньше энергии, чем их ламповые коллеги CCFL, но наиболее важное различие между ними состоит всё-таки в возможности создания так называемого локального затемнения – селективной подсветки, что позволяет чёрный цвет сделать более глубоким и улучшить картинку в целом. Проблема с CCFL-подсветкой заключается в том, что люминесцентные лампы освещают весь экран равномерно, так что разработчики не имеют возможности изменять интенсивность подсветки в различных частях экрана

Даже если нужно показать один белый пиксель на полностью чёрном экране, свет сзади должен излучаться на полной яркости

Проблема с CCFL-подсветкой заключается в том, что люминесцентные лампы освещают весь экран равномерно, так что разработчики не имеют возможности изменять интенсивность подсветки в различных частях экрана. Даже если нужно показать один белый пиксель на полностью чёрном экране, свет сзади должен излучаться на полной яркости.

LED телевизоры предлагают решить эту проблему с помощью локального затемнения. Идея этого метода заключается в контроле яркости светодиодов, вследствие чего они могут не излучать максимально яркий поток всё время, они могут быть приглушены или полностью отключены.

Это делает уровень чёрного и контрастность изображения намного лучше. Представьте космическую сцену. У нас большое пространство чёрного, разбавленное маленькими яркими точками (звёздами) и, к примеру, один яркий объект (возможно, планета или космический корабль) в середине экрана.

Для съёмки это чрезвычайно трудное изображение, но ещё труднее отобразить его, потому что ЖК-панели не так уж здорово справляются с блокировкой светового потока, поступающего от подсветки. Вот где может пригодиться локальное затемнение. С помощью этой функции телевизор может отключить весь ненужный свет и использовать его только в местах расположения звёзд и звездолёта, обеспечив последним красивую подсветку на фоне мертвенно-чёрного космического пространства.

Тем не менее, следует отметить, что не все LED телевизоры оснащены локальным затемнением. Вообще говоря, LED телевизоры бывают двух видов: с подсветкой по ободу экрана и полномассивные. И только полный массив может локально затемнить подсветку достаточно хорошо, солидно конкурируя в этом с плазменными телевизорами.

В последнее время некоторые производители разработали телевизоры с краевой подсветкой, обладающие функционалом локального затемнения (серии Samsung UND8000, LG LW5600), но из-за особенностей их проектирования они, как правило, не могут разумно «выключать» различные части экрана, (т.е. так, как это делают телевизоры с полномассивной подсветкой). Поэтому при покупке ЖК-телевизора, прежде чем вытащить кошелёк, убедитесь, что вы точно знаете, какой тип подсветки у вашего предполагаемого гаджета.

Проблемы microLED

Как уже было сказано выше, microLED-панель состоит из миллионов маленьких светодиодов. Почему же раньше не могли додуматься до того, чтобы просто уменьшить светодиоды? Потому что при уменьшении размера элемента снижается и количество производимого им света. И нужно либо повышать рабочую мощность, что приведёт к большему энергопотреблению и нагреву элементов, либо увеличивать КПД. Также необходимо уменьшать саму микросхему, чтобы уменьшить шаг между пикселями. Все эти проблемы уже практически решены крупными производителями. Однако есть и другой момент. Производители говорят, что microLED-панели должны быть дешевле, чем OLED. Но существующие способы сборки дисплеев microLED этому противоречат.

Например, метод перевёрнутой микросхемы позволяет изготавливать светодиоды на сапфировой подложке, в то время как матрица транзисторов и припои наносятся на кремниевые пластины с использованием традиционных процессов изготовления и металлизации. Технология массового переноса используется для одновременного подбора и размещения нескольких тысяч светодиодов с эпитаксиальной пластины на подложку (в роли которой может выступать стеклянная пластина, полимерная пленка или печатная плата). С кремниевой подложкой светодиоды соединяются с помощью печей оплавления. Такой метод используется для изготовления microLED-дисплеев для гарнитур виртуальной реальности. Недостатки метода перевёрнутой микросхемы включают стоимость, ограниченный размер пикселя, ограниченную точность размещения и необходимость охлаждения для предотвращения деформации и разрушения дисплея из-за несоответствия температуры между светодиодами и кремнием.

Почему microLED превосходит все существующие технологии?

Если же говорить о microLED-дисплеях, то сразу стоить сказать, что они состоят из неорганических светодиодов, которые, тем не менее, могут самостоятельно излучать свет. В теории это означает, что такие экраны могут предложить пользователю идеальный чёрный цвет, отличную цветовую гамму, почти идеальные углы обзора, низкое энергопотребление и при этом иметь высокую яркость (примерно в 30 раз выше, чем у OLED-панелей), стойкость к выгоранию, тонкий корпус, и всё это за меньшую цену. Фактически технология microLED сохраняет все преимущества OLED, но при этом устраняет большую часть недостатков органических светодиодов. Грубо говоря, на бумаге дисплеи microLED по всем возможным параметрам превосходят или не уступают всем существующим на рынке конкурентам. Кроме того маленькие microLED-панели можно объединять в большие экраны. Такая модульность позволит пользователям подбирать размер телевизора непосредственно под свои нужды. Также это развязывает руки производителям, потому что они будут не ограничены в рамках прямоугольников диагональю 50-90 дюймов, а смогут создавать телевизоры любых форм. А самое важное, что эта технология — не просто выдумки учёных, а уже реальность.

В начале 2020 года Samsung представила microLED-телевизор The Wall Luxury, дисплей которого может быть от 73 дюймов до 292 дюймов (а это почти семь с половиной метров) в диагонали. В панели используются микроскопические светодиоды, размеры которых не превышают нескольких микрон, при этом каждый пиксель состоит из трёх таких светодиодов и способен излучать свет самостоятельно. Кстати, именно в размерах может скрываться первый недостаток данной технологии. Так как размеры светодиодов в microLED намного меньше, чем в современных LED-экранах, для производства одной панели требуется больше элементов, точность их установки и настройки должна быть выше и так далее. Всё это может привести к большим затратам на производство. Остаётся дождаться официальных цен на The Wall Luxury, чтобы сравнить, однако, как сообщил ведущий презентации, цена будет «соответствовать современным технологиям, которые в нем использованы». Например, экран Sony Crystal LED с размерами 16×9 футов (приблизительно 5×3 метра) и разрешением 4К, по слухам, будет стоить около 880 тысяч долларов. Правда, обычным потребителям эти цифры пока ничего не скажут.

Технологию microLED придумали давно

Неорганическая полупроводниковая технология microLED была разработана ещё в 2000 году в Университете штата Канзас (Kansas State University). Она была реализована на основе полупроводников из нитрида индия-галия (indium gallium nitride). При этом в первые годы после изобретения microLED не получалось добиться активного управления диодами, то есть они могли только включаться и выключаться. Лишь в 2011 году появились экраны, способные отображать движущиеся изображения. Первый рабочий прототип microLED-экрана был показан Sony в 2012 году. С тех пор более 130 компаний включились в исследование и разработку новой технологии. Samsung, Sony, LG, InfiniLED, приобретенная Oculus для разработки microLED-дисплеев для VR- и AR-гарнитур, LuxVue, купленная Apple для разработки дисплеев для часов, мониторов и других устройств, а также многие другие компании. И в отличие от всяческих маркетинговых названий и аббревиатур, которыми производители снабжают свои телевизоры в последние годы, microLED — действительно уникальная технология, а не вариация существующих.

Принцип работы и устройство световых диодов

Диод, излучающий свет, состоит из подложки и кристалла. Подложка может быть любой формы, самая распространенная квадратная. На корпус накладывается рефлектор и линза. Кристалл укладывается на рефлектор. Свет излучается во время прохождения электротока через p-n-переход кристалла.

Для присоединения к сети имеются два (или больше) выводов (анодов и катодов), некоторые из них соединены с кристаллом. Линза чаще всего изготовлена из прозрачного полимера, основное предназначение – определить направленность луча и угол рассеивания.

Причина свечения кристалла –
рекомбинация электронов и дырок на p-n-переходе, образованном двумя
полупроводниками с различной проводимостью. Перемещение частиц обеспечивают
примеси (доноры и акцепторы)

Важно, чтобы у кристалла не было дефектов,
препятствующих излучению видимого светового луча. Для обеспечения таких
характеристик на практике кристалл производится многослойным

Чтобы получить свечение белого цвета,
необходимо:

• смешать
  цвета по технологии RGB;
• нанести
  на кристалл, излучающий ультрафиолет, люминофор, создающий красный, зеленый и
  голубой цвет;
• нанести
  на голубой диод зеленый и красный люминофор.

Каждый из этих методов обладает плюсами
и минусами. RGB позволяет получать различные температуры цвета и менять ток,
проходящий по диодам, для изменения оттенка. Наличие в корпусе нескольких
кристаллов дает возможность увеличить силу и поток света. Недостаток — не
одинаковый оттенок цвета по краям и в середине, что приводит к перегреву и
неравномерности старения.

Использование люминофора позволяет
снизить стоимость светодиодов, не теряя качества белого цвета. Но светоотдача
ниже, сложно люминофор нанести равномерно, поэтому температура света
определяется не точно. Основной недостаток заключается в том, что люминофор
стареет быстрее, чем кристалл.

По конструкции светодиоды делятся на:

• DIP;
• SMD;
• мощные;
• филаментные;
• COB;
• OLED;
• волоконные.

DIP-светодиоды нужны для изготовления световых индикаторов. Диаметр корпуса 3 или 5 мм, в корпус установлен кристалл и провод, соединяющий его с анодом, и рассеиватель. Для присоединения к сети на корпусе 2 вывода – катод и анод.

Мощные диоды создают интенсивный световой
поток при токе до 1,4 А. Кристалл выделяет много тепла, поэтому устанавливается
на радиатор из алюминия, одновременно выполняющий функции отражателя. Для
обеспечения требуемого уровня электротока в схему включается специальный ограничивающий
драйвер, одновременно стабилизирующий напряжение.

Светодиодные лампы filament пользуются популярностью у дизайнеров благодаря внешнему сходству с лампами накаливания. Корпус из обычного или сапфирового стекла толщиной до 1,5 мм, покрытого люминофором, 28 полупроводников соединены последовательно и установлены на подложку. Основное преимущество – угол рассеивания света до 360 градусов.

COB-светодиод
(или Chip-On-Board) относится к группе самых современных. На подложку
из алюминия (или стекла) размещается большое количество кристаллов и
покрывается люминофором. COB светит равномерно по всей площади линзы. Эти
светящиеся диоды используются при производстве планшетов, ноутбуков и
телевизоров. Работают они так же, как DIP.

Светодиоды OLED, применяемые при производстве миниатюрных смартфонов, планшетов, телевизоров, состоят из:

• подложки
  (пластик, стекло, фольга);
• прослойки
  из полимера;
• органического
  вещества, проводящего ток;
• анода
  из олова и оксида индия;
• катода
  из алюминия.

Принцип действия аналогичен SMD, но
поток света и угол свечения больше, органика служит дольше, чем обычный
полупроводник. К достоинствам можно отнести так же низкую себестоимость, угол
свечения до 270 градусов, минимальные размеры.

Волоконные диоды производятся из нитей терефталата
полиэтилена, обработанных специальным раствором и полимером, покрытых тонким
слоем суспензии литий-алюминиевого фторида. Для бытового применения
производятся кабели в трубках ПВД как для подсветки, так для освещения.