Attualmente, molti smartphone di fascia alta sono dotati di display AMOLED. Sebbene il termine AMOLED venga spesso menzionato, ne comprendete davvero la relazione con l'OLED? Perché i produttori di smartphone si affrettano ad acquisire pannelli OLED? Gli smartphone e i dispositivi VR riusciranno a far sì che l'OLED diventi la tecnologia di visualizzazione dominante?
Con queste domande in mente, diamo un'occhiata più approfondita alla tecnologia OLED.
Struttura OLED e principio di emissione della luce
Il diodo organico a emissione di luce (OLED) è una tecnologia di visualizzazione originariamente sviluppata e brevettata da Kodak. Questa tecnologia utilizza materiali polimerici organici come semiconduttori nei diodi a emissione di luce. Questi polimeri possono essere naturali o prodotti sinteticamente, di grandi o piccole dimensioni molecolari. Le proteine e il DNA sono esempi di polimeri organici.
La struttura base dell'OLED ricorda un sandwich, costituito da uno strato di ITO (ossido di indio e stagno) collegato all'elettrodo positivo, combinato con un catodo metallico. La struttura a strati include uno strato di trasporto delle lacune, uno strato emissivo e uno strato di trasporto degli elettroni.
Sotto l'influenza di un campo elettrico, le lacune generate dall'anodo e gli elettroni generati dal catodo si muovono rispettivamente verso lo strato di trasporto delle lacune e quello degli elettroni, e vengono iniettati nello strato emissivo. Quando elettroni e lacune si incontrano nello strato emissivo, si formano eccitoni, che eccitano le molecole emettitrici di luce producendo luce visibile.
Quando la tensione applicata raggiunge un livello appropriato, le lacune dell'anodo si combinano con gli elettroni del catodo nello strato emissivo, producendo luce. A seconda della formulazione del materiale, viene emessa luce rossa, verde o blu, che forma immagini a colori basate sul principio di miscelazione dei colori RGB.
OLED contro LCD
I display OLED sono autoemissivi, ovvero ogni pixel emette luce propria. Al contrario, gli LCD non emettono luce e richiedono una fonte di retroilluminazione sotto il pannello.
Un modulo LCD (LCM) è costituito dal pannello LCD e dall'unità di retroilluminazione. Il pannello LCD include tipicamente polarizzatori, substrati in vetro, filtri colorati, elettrodi trasparenti, TFT e cristalli liquidi. L'unità di retroilluminazione include sorgenti luminose, piastre guida luce, pellicole ottiche e componenti strutturali.
Classificazione e caratteristiche OLED
In base al metodo di pilotaggio, i display OLED possono essere suddivisi in:
- PMOLED (OLED a matrice passiva)
- AMOLED (OLED a matrice attiva)
PMOLED
Il PMOLED utilizza una matrice formata da catodi e anodi, illuminando i pixel tramite un metodo di scansione. Ogni pixel funziona in modalità impulso, emettendo momentaneamente un'elevata luminosità.
vantaggi: Processo di produzione semplice, costi inferiori
svantaggi: Non adatto a display di grandi dimensioni o ad alta risoluzione
AMOLED
Gli schermi AMOLED utilizzano TFT indipendenti per controllare ogni pixel. Ogni pixel può emettere luce in modo continuo e indipendente.
vantaggi: Bassa tensione di pilotaggio, maggiore durata dei componenti luminosi
svantaggi: Processo di produzione complesso, controllo dei costi difficile
Gli schermi AMOLED occupano la stragrande maggioranza del mercato OLED e rappresentano la direzione di sviluppo principale. Nel mercato odierno, quando si parla di "display OLED", si intende generalmente AMOLED.
Principali vantaggi della tecnologia OLED
- Struttura ultrasottile, circa un terzo dello spessore degli LCD
- Componenti allo stato solido con elevata resistenza agli urti
- Ampi angoli di visione con minima variazione di colore
- Tempi di risposta più rapidi rispetto agli LCD (fino a 1000 volte più rapidi nei primi televisori OLED come l'XEL-1 da 11 pollici di Sony lanciato nel 2007)
- Eccellenti prestazioni a bassa temperatura (funzionante anche al di sotto di -75°C se i circuiti sono intatti)
- Maggiore efficienza energetica rispetto agli LCD
- Può essere fabbricato su vari substrati, compresi materiali flessibili
Sebbene i primi display OLED avessero una durata limitata, i significativi miglioramenti degli ultimi anni ne hanno consentito un'ampia adozione nei telefoni cellulari. Tuttavia, i pannelli OLED rimangono più costosi degli LCD e sono ancora necessari ulteriori progressi nella produzione di massa.
Processo di produzione AMOLED
Poiché AMOLED domina il mercato OLED, ci concentriamo sul suo processo produttivo:
Processo backplane → Processo frontplane → Assemblaggio del modulo
Processo del backplane
Il primo passo nella produzione sia di AMOLED che di TFT-LCD è la fabbricazione del backplane TFT.
Gli OLED sono dispositivi a corrente controllata e richiedono una corrente altamente stabile, che dipende dalla mobilità dei portatori di carica. Pertanto, il silicio policristallino a bassa temperatura (LTPS) è il film sottile semiconduttore più adatto per i TFT OLED. La maggior parte dei pannelli AMOLED utilizza substrati in LTPS, mentre gli LCD utilizzano comunemente silicio amorfo (a-Si) per ragioni di costo e di processo produttivo.
Differenze principali tra l'utilizzo del TFT in LCD e OLED:
- I pixel LCD richiedono solo un TFT, mentre i pixel OLED ne richiedono almeno quattro.
- I TFT OLED richiedono una precisione di produzione molto più elevata, con conseguenti rendimenti inferiori.
Il processo del backplane prevede la deposizione di pellicole, la fotolitografia e l'incisione per formare strutture LTPS, con precisione a livello di micron e requisiti di uniformità estremamente elevati.
L'attrezzatura principale include:
- Sistemi di fotolitografia
- Macchine per incisione a umido e a secco
- incisori ICP
- Sistemi PVD e CVD
- Sistemi di cristallizzazione laser
- Macchine per l'impianto ionico
- Apparecchiature per ricottura termica rapida
Processo Frontplane
Il processo del frontplane è la fase più critica nella produzione degli AMOLED.
Dopo la pulizia e l'asciugatura, il substrato LTPS-TFT viene trasferito in un ambiente di azoto per il raffreddamento e capovolto in modo che il lato del film sia rivolto verso il basso. Il substrato viene quindi posto in una camera ad alto vuoto (circa 5×10⁻⁵ MPa) per l'evaporazione degli strati funzionali e degli strati emissivi.
Dopo la deposizione, il pannello viene sottoposto a ispezione funzionale e visiva, al fissaggio del polarizzatore e quindi all'assemblaggio del modulo.
L'attrezzatura principale include:
- Sistemi di trasferimento del substrato
- Attrezzature per la pulizia
- Macchine per l'evaporazione
- Macchine tensionatrici
- Sistemi di invecchiamento e stagionatura
Il fulcro della produzione di AMOLED risiede nell'evaporazione sotto vuoto , in cui materiali organici ed elettrodi metallici vengono depositati sul substrato LTPS. Questo processo richiede apparecchiature estremamente specializzate.
Attualmente, Canon Tokki (una sussidiaria di Canon) è ampiamente riconosciuta come leader mondiale nelle apparecchiature di evaporazione OLED e detiene un quasi monopolio negli strumenti di produzione di massa su larga scala.
Processo di assemblaggio del modulo
La fase finale prevede l'assemblaggio del pannello AMOLED in un modulo utilizzabile.
Rispetto ai moduli LCD, i moduli AMOLED sono più semplici perché non richiedono unità di retroilluminazione o filtri colorati.
I passaggi di base includono:
- Taglio, pulizia e asciugatura dei pannelli
- Allegato ACF
- Legame COG, FOG e TAB
- Test elettrici
- Rivestimento protettivo e polimerizzazione
- Assemblaggio finale e imballaggio
L'attrezzatura principale include:
- Macchine per la pulizia
- Macchine da taglio
- Macchine per incollaggio ACF
- Apparecchiature di collegamento COG/FOG/OLB
- Sistemi di test di invecchiamento
- Sistemi di ispezione AOI
Sfide tecniche e applicative dell'OLED
L'OLED è ampiamente considerato il futuro della tecnologia dei display. Tuttavia, i pannelli OLED di grandi dimensioni, in particolare quelli che utilizzano la tecnologia TFT a ossido, devono affrontare sfide significative in termini di resa, costi e scalabilità.
Gli ostacoli principali includono:
- Fabbricazione di pannelli di grandi dimensioni
- Uniformità di deposizione del materiale organico
- Affidabilità dell'incapsulamento
Sfide dei pannelli OLED di grandi dimensioni
I processi LTPS presentano difficoltà oltre le linee di produzione Gen 5.5 a causa delle limitazioni dell'evaporazione orizzontale RGB mediante maschere metalliche sottili (FMM). Con l'aumentare delle dimensioni dei pannelli, la gravità causa il cedimento delle maschere, con conseguente miscelazione dei colori e riduzione della risoluzione.
Considerazioni sulla tecnologia TFT a ossido
Le strutture TFT in ossido più comuni includono:
- Complanare
- Strato di arresto dell'incisione (ESL)
- Incisione del canale posteriore (BCE)
Sebbene le strutture coplanari siano più semplici, presentano problemi di affidabilità. Le strutture BCE ed ESL offrono prestazioni e resa migliori, con ESL che garantisce la massima affidabilità a scapito della complessità del processo.
I TFT in ossido sono sensibili alla luce e al calore, causando variazioni della tensione di soglia, che complicano la stabilità e l'uniformità del processo.
Sfide relative al colore e alla deposizione degli OLED
I display OLED utilizzano subpixel RGB depositati tramite evaporazione sotto vuoto. Mantenere una luminosità e un bilanciamento del colore uniformi diventa sempre più difficile con l'aumentare delle dimensioni del pannello. I materiali OLED blu hanno una durata di vita più breve, richiedendo una compensazione che può distorcere la precisione del colore.
Display OLED curvi e bianchi
Le strutture OLED tandem hanno permesso di realizzare OLED bianchi ad alta efficienza, adatti per l'illuminazione e i display. Tuttavia, gli OLED bianchi sono in ritardo rispetto agli OLED RGB in termini di gamma cromatica e purezza e richiedono oltre dieci strati di film sottile, il che richiede un'uniformità di spessore estremamente elevata.
Prospettive future e tecnologie di visualizzazione concorrenti
OLED, MicroLED e QLED sono considerate tecnologie di visualizzazione di nuova generazione. Tutte e tre utilizzano subpixel RGB autoemissivi e possono teoricamente raggiungere un'efficienza luminosa fino al 95%.
Dal punto di vista produttivo, queste tecnologie condividono circa il 70% delle loro attrezzature e dei loro processi, rendendo la competizione meno "vincente" rispetto alle passate battaglie tra LCD e plasma.
Confronto tecnologico
- SIETE: Ecosistema maturo, flessibile, ma con durata e stabilità limitate
- LED: Materiali inorganici con eccellente longevità, ma difficili da produrre su larga scala
- MicroLED: Massima efficienza e potenziale di luminosità, ma processi di trasferimento di massa e di assemblaggio estremamente impegnativi
I MicroLED offrono un'efficienza energetica e una densità di luminosità superiori, richiedendo solo circa il 10% dell'area emissiva rispetto agli OLED per ottenere la stessa luminosità.
In definitiva, il futuro vincitore tra OLED, MicroLED e QLED non sarà determinato unicamente dalle prestazioni, ma dalla fattibilità ingegneristica, dalla resa produttiva, dall'efficienza dei costi e dall'affidabilità a lungo termine in condizioni di produzione su larga scala.
Nonostante i suoi limiti, l'OLED soddisfa già i requisiti pratici dell'elettronica di consumo e continua a essere una forza dominante nell'attuale settore dei display.
