Mikro-LED-Displays Berechtigte Euphorie?

Mikro-LEDs für die nächste Display-Generation in Riesenformaten wird bei Marktforschern nicht nur positiv wahrgenommen.
Die Marktprognosen für Mikro-LEDs gehen auseinander. Die Technik hat viel Potenzial, ist aber in der Herstellung schwer zu beherrschen.

Mikro-LEDs gelten als Technik für die nächste Display-Generation. Vorführmuster in Riesenformaten erregen bereits großes Interesse. Bis zu einer kostengünstigen Massenproduktion sind aber noch hohe Hürden zu nehmen. Die Marktforscher sind sich uneins.

Häufig werden solche Diagramme präsentiert: horizontal die Zeit, vertikal die ökonomische Relevanz verschiedener Techniken. Die Kurven verlaufen wie aufeinander folgende Berge: zunächst ein Anstieg, für eine gewisse Zeit ein Maximum, dann wieder Abfall, während bereits eine neue Kurve ansteigt. So auch bei den Displays. Nachdem die Bildröhre nach Jahrzehnten guter Dienste ausgemustert ist und auch die Plasma-Displays schon fast verschwunden sind, dominieren heute die LCDs bei allen anspruchsvolleren Anwendungen mit Aktiv-Matrix-Ansteuerung. Konkurrenz bekommen haben sie von den OLEDs. Bei Kleingeräten wie Smartphones ist diese Konkurrenz sehr stark, bei Fernsehgeräten nur gering und bei Laptops so gut wie nicht vorhanden. Noch eher am Anfang stehen Displays auf der Basis von Quantenpunkten – zunächst in der LCD-Hinterleuchtung, irgendwann später vielleicht einmal direkt als Pixel.

Jetzt kommt mit Mikro-LEDs eine neue Technik auf und wird in manchen Kreisen bereits als Nachfolge aller anderen gehandelt (Bild 1). Die Zahl der Veröffentlichungen und Patentanmeldungen ist von 2012 bis 2017 jährlich um 53 % gestiegen und die öffentlich einsehbare Information zu der Technik ist massiv gewachsen. In diesem jungen Entwicklungsstadium mit der ihr eigenen Euphorie muss man aber die nüchterne Frage stellen: Wie stehen die Chancen wirklich?

Große Vorteile und große Hürden

Zunächst einmal eine Begriffsklärung: Es handelt sich um LEDs aus anorganischen III-V-Halbleitern in Form von mikroskopischen Chips, die auf ein meist großflächiges Substrat montiert sind. Da sie im Gegensatz zu den LCDs keine Licht absorbierenden Farbfilter und Polarisatoren brauchen, erreichen sie einen sehr hohen elektrisch-optischen Wandlungswirkungsgrad. Auch die weiteren Eigenschaften sind bestechend:

  • Extrem hell und sehr hoher Kontrast
  • Großer Farbraum
  • Sehr kurze Ansprechzeit (ns)
  • Breiter Sichtwinkel
  • Höhere Lebensdauer als organische Halbleiter
  • Kaum Abfall der Helligkeit über die Lebensdauer
  • Kein Einbrennen
  • Fast beliebig große Flächen
  • Modularer Aufbau

Doch ihre Markteinführung auf breiter Basis verläuft überaus zäh. Eine Serienproduktion läuft aktuell in sehr kleinem Maßstab an und die Herstellungskosten sind im Moment noch sehr hoch. Wie schnell die in den nächsten Jahren sinken können, davon wird in hohem Maße abhängen, ob sich die Technik auf breiterer Ebene durchsetzen wird.

Mikro-LED-Displays sind keine Abwandlung der LED-Groß-Displays, wie sie schon seit Jahren in Außenanwendungen im Einsatz sind. Auf den ersten Blick mögen einige Ähnlichkeiten bestehen, in den Details sind sie aber in vieler Hinsicht deutlich anders. Erste Muster waren bereits um 2000 von Hongxing Jiang und Jingyu Lin an der Texas Tech University (Lubbock, USA) präsentiert worden, zunächst passiv angesteuert. Ab etwa 2011 kamen Aktiv-Matrix-Versionen, anfangs mit 640 × 480 Pixeln, Chipgröße 12 µm, Zwischenraum 15 µm auf einem ca. 13 × 17 mm² großen CMOS-Substrat. Danach folgten immer größere Exemplare.

Anders als bei LCDs und OLEDs ist der Füllfaktor der aktiven Elemente sehr klein, nur etwa 1 %. Die weiten Flächen zwischen den einzelnen Chips sind tiefschwarz eingefärbt, dadurch ergibt sich ein sehr hoher Kontrast – bis zu 106:1. Die enge optische Bandbreite der LEDs von etwa 20 nm bringt hohe Farbreinheit und einen sehr großen Farbraum, typisch 140 % des NTSC- Bereichs. Als anorganische Halbleiter erreichen sie eine weitaus längere Lebensdauer als OLEDs. Sie sind unempfindlich gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit, eine aufwändige Verkapselung ist nicht nötig.

Beeindruckende Vorführmuster

Aufsehen erregte 2012 ein Demonstrator von Sony mit 55 Zoll (1,40 m) Diagonale in HD-Auflösung (1920 x 1080 Pixel, 6,22 Mio. LEDs), zunächst »CLEDIS« (Crystal LED Integrated Structure) oder auch »Canvas« genannt, später »Crystal LED«. Wesentliches Merkmal: Das Display ist aus vielen einzelnen »Kacheln« zusammengesetzt. Andere folgten: Samsung zeigte 2018 auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas einen Demonstrator mit 146 Zoll (3,71 m) Diagonale (Bild 2).

Bilder: 3

Beeindruckende Vorführmuster, Bilder 2-4

Beeindruckende Vorführmuster, Bilder 2-4

Bei Blick aus kurzer Entfernung bei geringer Helligkeit waren die Ritzen zwischen den einzelnen Modulen noch erkennbar, bei nachfolgenden Versionen mittlerweile kaum noch. Derzeit läuft ein Wettrennen zwischen den drei Marktführern Samsung, LG und Sony, die sich gegenseitig mit immer größeren Formaten zu überbieten versuchen. Daneben sind auch noch einige kleinere Firmen aktiv, hauptsächlich in China, aber auch einige in Europa und den USA.

Weitere wichtige Messen neben der CES sind die Internationale Funkausstellung (IFA) in Berlin und die ISE (Integrated Systems Europe) in Amsterdam. LG zeigte auf der IFA 2018 eine 173-Zoll-Version (4,40 m) mit 4 K Auflösung (3840 x 2160), Samsung konterte auf der CES 2019 mit »The Wall« und 219 Zoll (5,56 m) sowie 8 K Auflösung (7680 × 4320). Den derzeitigen Rekord dürfte Sony halten mit 783 Zoll (19,2 x 5,4 Meter, Auflösung 16 K, 15.360 x 3840 Pixel), eine Einzelanfertigung für die Firma Shiseido in Yokohama (Bild 3).

Allen Displays gemeinsam ist, dass sie aus vielen Einzelmodulen bestehen, die aneinandergereiht werden. Hier immer noch weitere anzubauen, ist technisch nicht allzu schwierig. Bei Sony misst ein solcher Block 403 x 453 x 100 mm und wiegt 10 kg (Bild 4). Auf der Vorderseite sind 320 x 360 x 3 LEDs im Raster von 1,26 mm angeordnet, ein Subpixel misst 30 x 30 µm². Die Software geeignet auszulegen, dass sie das Bildsignal entsprechend aufteilt, ist kein großes Problem. Bei all diesen Beispielen handelt es sich um einzelne Vorführstücke. Eine Serienproduktion gibt es für sie noch nicht.