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                        Mini-LED顯示與Micro-LED 顯示淺析

                        作者:時間:2019-07-01來源:電子產品世界收藏

                          林偉瀚,楊梅慧(康佳集團股份有限公司, 廣東 深圳 518053)

                        本文引用地址:http://www.xinfa15808.cn/article/201907/402145.htm

                          摘要:液晶面板顯示因技術成熟、性價比高目前仍占顯示行業主導地位。Micro-LED由于其優秀顯示特性已經成為目前技術的熱點,Mini-LED則是其過渡產品。對比了、、Mini-LED和特性。Micro-LED在亮度、色彩、大尺寸可變性等方面性能優異。而Mini-LED結合8K及QD技術將達到畫質,并且可靠性和成本占優勢。

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                          0 引言

                          目前LED背光的LCD在市場上仍然占據主導位置。雖然有OLED新技術的產生,但液晶電視由于其細膩的解析度以及成熟的生產技術和普眾的價格,目前以及以后幾年也仍然會是主流。作為被動式發光的顯示器件,其光源利用效率及主觀畫質很難提升。目前手機、電視行業迅速發展的OLED面板技術已經擁有諸多技術優勢,如省電、輕薄、可彎曲等特點,但是其弱點也是非常明顯的,如燒屏、壽命短等問題。只不過由于手機的壽命較短,用戶換機時間一般在兩年以內,影響較??;而電視用的大尺寸OLED面板面積大、使用壽命往往達10年,影響就較為明顯。同時,隨著第三代顯示的需求推動和技術發展,Micro-LED由于其優異的電流飽和密度 [1] 、更高的量子效率以及高可靠性,已經成為目前技術的熱點,在顯示,VLC通訊 [2][3] 等方面被廣泛研究。由于Micro-LED的技術門檻高,產品應時而生,結合現有的8K及QD技術,有破壁OLED的趨勢。如今隨著市場需求驅動以及技術迭代,顯示技術已經由畫質與內容的二代技術逐漸過渡到第三代。行業內眾多廠家如三星、蘋果、友達等已加大對三代顯示技術的研發和投入。

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                          1 LCD\OLED\Mini-LED\對比

                          LED chip 從現有的mm級別,縮小到十分之一的100mm級別為Mini-LED,縮小到百分之一的10mm級別為Micro-LED。也有人用是使用SMT工藝還是使用巨量轉移工藝作為Mini-LED與Micro-LED顯示的區別。Mini-LED\Micro-LED與OLED均屬于主動型自發光顯示,光的利用率高。而LCD則是被動型發光顯示,面板本身不發光,需要背光源提供光源。因LCD面板透過率只有3%-8%,光源利用率低,亮度比較難做上去。面板的穿透率取決于開口率,影響因素包括像素之間的遮光罩、電極與彩色濾光板的穿透比例。因RGB 4K分辨率的玻璃的像素點數量是FHD面板像素點的4倍,每個像素點對應一套遮光罩和TFT及電容\CF膜,到達4K、8K之后,每個像素點對應的開口率成倍減小,因此高解析度的LCD顯示亮度更難做上去。各顯示技術的性能對比如下表1.如表中顯示,OLED、Mini-LED\Micro-LED在亮度、對比度等畫質方面優于LCD,但OLED在殘影、壽命、解析度等方面較差。Mini-LED RGB性能優異,但在尺寸上受限,PPI到達值低,觀看距離要求較高。而Mini-LED +LCD解決了上述缺點。

                          2 Micro-LED顯示

                          Micro-LED按彩色化技術分有RGB三色LED芯片、藍光單色芯片加RG量子點材料混光、藍綠光芯片加R量子點/KSF粉混光等3個方向,如圖1。后面2種方案熒光粉無法做薄,存在應力,無法做到微小尺寸 [4] ,而鎘化物也存在穩定性和壽命問題 [5] ,故目前出來的大多數顯示產品采用RGB三色LED芯片方案。此種方案的發光光譜如圖2。

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                          Micro-LED RGB三色芯片方案因為材料類別統一為半導體Ш-V族材料,響應性能優異,為ns級別,材料性能穩定,可靠性高,發光效率好,顏色純度高、可透明。這些優異性能在高亮高色域需求的顯示產品上占盡優勢,如大屏顯示,AR/VR產品、抬頭顯示(HUD)、控制指揮中心屏幕等應用。其高響應速率在光通信行業也得到應用。但在技術上,RGB三色芯片的電壓壓差產生的熱量及功率耗損需要解決。目前已經研發出共陰方案的驅動芯片如聚積的5759,問題得到了較大改善。同時,Micro-LED RGB屬于電流型驅動,由于RGB三種芯片的發光效率不一致,為了得到目標色溫6000 K-10000 K,三種芯片的電流大小不一樣,紅光R芯片要求的電流較大,電源的電流均勻性需要特殊設計。為保證電流穩定性及電源設計可靠性,目前普遍使用PWM控制電流脈寬來調節各芯片平均電流大小的形式來實現混光。最優方案是使用CMOS的AM矩陣驅動TFT基板,目前在驅動材料方面仍在優化。目前已有2~8英寸的AM基板驅動的Micro-LED顯示產品,如龍達的車載顯示,Plessey的單片硅基氮化鎵(GaN-on-Si)微型LED與Jasper Display Corp的eSP70硅基板技術的晶圓級鍵合樣品等。但中大尺寸還未有樣品展出。

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                          Micro-LED具有優異性能,目前桎梏其發展的主要點是巨量轉移的工藝問題。巨量轉移技術主要分類為拾取放置技術、微印章轉移技術(μTP ) [6] 、流體組裝技術、激光轉印技術、滾輪轉印技術等幾種,不同轉移公司其發展的轉移技術會有所不同 ,最主要的原因是不同應用產品所適合的轉移技術也會有所不同。巨量轉移涉及到襯底剝離、轉移、鍵合,工藝精度要求高,設備需要定制,目前還未出現可以實現批量的設備。按照計算,4K顯示需要轉移24,883,200顆芯片,8K顯示則需要轉移一億顆芯片,如此巨量的數字燈板制程中的轉移速率需要幾百K每小時以上。目前常規SMT設備速率是每小時幾十K,經過改進后用于Mini-LED轉移的設備速率可以達到150K每小時左右,離真正的巨量轉移還有一段距離。除了轉移問題,由于每臺顯示產品使用的LED芯片巨量數字,對于芯片的良率、均勻性也提出了很大的考驗。目前常規芯片按2.5 nm步長分bin,要做到Micro-LED顯示,其芯片分bin步長要做到1 nm以內。因目前wafer端很難達到這個級別,部分應用端也采用了軟硬件矯正的方式來提高畫面均勻性。

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                          由于Micro-LED巨量轉移技術還未達到可批量水平,技術門檻相對較低的Mini-LED顯示得到了較快的發展。像素pitch值在0.9 mm以上的可歸類為小間距顯示范疇,像素pitch值在0.9 mm以下轉移用pick-up方式的歸類為Mini-LED,目前能做到的最小像素間距在0.49 mm。Micro-LED需要使用光刻技術的驅動基板,而Mini-LED可以使用光刻技術的驅動基板,也可以使用BT板,甚至高精密玻纖板,因此不受面板廠的基板綁定,Mini-LED顯示產品得到蓬勃發展。目前索尼、三星及國內一些廠家均展出了Mini-LED RGB顯示產品,2019年開始可實現批量。

                          如表1所示,Mini-LED RGB顯示擁有與Micro-LED顯示相同的優異性能,只是在尺寸及PPI上面受到限制。由于PPI做不高,Mini-LED RGB只能應用在大尺寸顯示如指揮中心大屏、墻幕顯示及大尺寸電視等,如三星的The Wall。為了打破這個限制,結合現在的其他技術熱點,出現了Mini-LED背光加液晶玻璃的顯示產品,如圖4.康佳2019年1月CES展出的65英寸Mini-LED電視,結合量子點技術及背光巨量分區技術,其畫面的色彩飽和度和動態對比度與OLED不相上下,分辨率甚至可做到8K,成本比OLED低但可靠性和壽命高。目前其他電視機廠已經相繼展出一些類似產品。從產品創新層面看,對比度、色域、響應時間、功耗等一直都是屏幕創新的幾個核心戰場,所以高端中大尺寸產品支持WCG與高對比度為未來重要產品差異化,也是中大尺寸產品下一個關鍵技術創新。由于OLED應用于大尺寸還不成熟,而Mini LED BLU為最佳解決方案。蘋果近期亦放出消息將在其MacBook、iPad和iMac 2020年的產品上使用Mini-LED背光。各廠家對此均進行了較大研發投入。Mini-LED +LCD的形式由于可以做到OLED的性能并且做到高PPI高解析度,且技術成熟成本低,有望在2019年實現批量。

                          4 結論

                          Micro-LED和Mini-LED顯示產品性能優異、應用領域廣、市場需求驅動旺盛。以上各要素將驅動其技術的發展及市場的熱度。Micro-LED顯示如下驅動要素部分需要攻克,如具備可量產工藝技術、低成本的大規模生產、集成性強、技術、資源以及資本的整合等。高速和高良率巨量轉移、鍵合及顏色均勻性問題是急需解決的難題。因此Micro-LED顯示在近期還無法形成主流顯示技術。但其過渡產品Mini-LED顯示結合8K技術及5G通訊技術,在技術及工藝上均得以實現,產品性能優異,將會成為近兩年各廠家大力角逐的方向。

                          參考文獻

                          [1]Chao Tian,Shu- xu Guo,Jing- qiu Liang, et al.Effects of unit size on current density andilluminance of micro- LED- array[J].Opto-electronics Letters,2017,13(2):84-89.

                          [2]MOHAMED SUFYAN ISLIM,RICARDO X.FERREIRA,XIANGYU HE,etc.Towards 10 Gb/sorthogonal frequency division multiplexing-based visible light communication using a GaN violetmicro-LED[J].Photonics Research,2017,5(2):A35-A43.

                          [3]田朋飛,顧而丹,劉冉,等.氮化鎵基Micro-LED的研究現狀[J].光源與照明,2018,1:1-4.

                          [4]李繼軍,聶曉夢,李根生,等.平板顯示技術比較及研究進展[J].中國光學,2018,11(5):706.

                          [5]梅芳,何錫文,李娟,等.水溶性CdSe/CdS核殼納米粒子制備的影響因素及其對CdSe/CdS光譜特性的影響[J].化學學報,2006,64(22):2265-2270.

                          [6]邰建鵬,郭偉玲.Micro LED 顯示技術研究進展[J].照明工程學報,2019,30(1):18-24.

                          作者簡介:

                          林偉瀚,男,(1984-),2007年畢業于華南理工大學光信息科學與技術&工商管理雙專業,工學學士。

                          在康佳集團從事12年的平板電視及背光模組研發工作,現任康佳集團多媒體研發中心副總經理,兼任工業設計與顯示設計中心總經理。 為國內首批電視顯示相關光電技術專業人才,12年來一直致力于行業新型顯示技術的開發研究工作,是康佳集團新型顯示技術的領軍人物。

                          參與的重大項目有:

                          1、主導完成康佳從CCFL、LCD、LED到OLED及Micro LED各代顯示技術的攻關工作;

                          2、作為主導單位帶頭人完成行業《曲面液晶電視通用標準》的制定;

                          3、2018年深圳市科學技術獎,作為第八完成人的項目《支持下一代互聯網的智能終端系統研發與產業化》獲得深圳市科技進步二等獎;

                          4、作為模組技術負責人參與深圳市工業和信息化局的《基于“輕打擾,懸浮式”智能交互及個性化內容定制電視操作系統》項目;

                          5、作為光電技術負責人參與國家工信部的《基于人工智能技術的新型數字家庭示范項目》項目,獲得國家工信部的公示認定;

                          6、作為模組技術負責人參與深圳市工業和信息化局的《基于AVS2.0高集成度國產TVSoC芯片的4K電視研發及產業化》項目。

                          個人獲得榮譽有:

                          “康佳之翼”大獎——康佳集團技術類研發最高獎項;個人榮獲中國電子視像行業“2018年度彩虹獎”(技術最高獎)

                          擁有8項發明專利、11項實用新型專利。

                          楊梅慧,女,碩士,高級工程師,研究方向:電視技術

                          本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第7期第65頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處




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