【干货】解析Micro-LED display彩色化的3大主要技术手段

Micro-LED display的彩色化是一个重要的研究方向。在当今追求彩色化以及其高分辨率高对比率的严峻趋势下,世界上各大公司与研究机构提出多种解决方式并在不断拓展中,本文将对主要的几种Micro-LED彩色化实现方法进行讨论,包括RGB三色LED法、UV/蓝光LED+发光介质法、光学透镜合成法。

  一、 RGB三色LED法 

RGB-LED全彩显示显示原理主要是基于三原色(红、绿、蓝)调色基本原理。众所周知,RGB三原色经过一定的配比可以合成自然界中绝大部分色彩。同理,对红色-、绿色-、蓝色-LED,施以不同的电流即可控制其亮度值,从而实现三原色的组合,达到全彩色显示的效果,这是目前LED大屏幕所普遍采用的方法[1]。

在RGB彩色化显示方法中,每个像素都包含三个RGB三色LED。一般采用键合或者倒装的方式将三色LED的P和N电极与电路基板连接,具体布局与连接方式如图1所示[2]。

之后,使用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制(PWM)电流驱动,PWM电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。例如一个8位PWM全彩LED驱动芯片,可以实现单色LED的28=256种调光效果,那么对于一个含有三色LED的像素理论上可以实现256*256*256=16,777,216种调光效果,即16,777,216种颜色显示。具体的全彩化显示的驱动原理如图2所示[2]。

但是事实上由于驱动芯片实际输出电流会和理论电流有误差,单个像素中的每个LED都有一定的半波宽(半峰宽越窄,LED的显色性越好)和光衰现象,继而产生LED像素全彩显示的偏差问题。


图1 RGB全彩色显示的单像素布局示意图


图2 RGB全彩色显示驱动原理示意图

  二、 UV/蓝光LED+发光介质法 

UV LED(紫外LED)或蓝光LED+发光介质的方法可以用来实现全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 则需激发红绿蓝三色发光介质以实现RGB三色配比; 如使用蓝光micro-LED则需要再搭配红色和绿色发光介质即可,以此类推。该项技术在2009年由香港科技大学刘纪美教授与刘召军教授申请专利并已获得授权(专利号:US 13/466,660, US 14/098,103)。

发光介质一般可分为荧光粉与量子点(QD: Quantum Dots)。纳米材料荧光粉可在蓝光或紫外光LED的激发下发出特定波长的光,光色由荧光粉材料决定且简单易用,这使得荧光粉涂覆方法广泛应用于LED照明,并可作为一种传统的micro-LED彩色化方法。

荧光粉涂覆一般在micro-LED与驱动电路集成之后,再通过旋涂或点胶的方法涂覆于样品表面。图3则是一种荧光粉涂覆方法的应用,其中(a)图显示一个像素单元中包含红绿蓝4个子像素,图(b)则显示了micro-LED点亮后的彩色效果[3]。

该方式直观易懂却存在不足之处,其一荧光粉涂层将会吸收部分能量,降低了转化率;其二则是荧光粉颗粒的尺寸较大,约为1-10微米,随着micro-LED 像素尺寸不断减小,荧光粉涂覆变的愈加不均匀且影响显示质量。而这让量子点技术有了大放异彩的机会。


(a)                                 (b)

图3  荧光粉彩色化micro-LED的像素设计及显示效果

量子点,又可称为纳米晶,是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1~10nm之间,可适用于更小尺寸的micro-display。量子点也具有电致发光与光致放光的效果,受激后可以发射荧光,发光颜色由材料和尺寸决定,因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长。

当量子点粒径越小,发光颜色越偏蓝色;当量子点越大,发光颜色越偏红色。量子点的化学成分多样,发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区。而且具有高能力的吸光-发光效率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性,因此拥有很高的色彩纯度与饱和度。且结构简单,薄型化,可卷曲,非常适用于micro-display的应用[4]。

目前常采用旋转涂布、雾状喷涂技术来开发量子点技术,即使用喷雾器和气流控制来喷涂出均匀且尺寸可控的量子点,装置与原理示意图如图4所示[5]。将其涂覆在UV/蓝光LED上,使其受激发出RGB三色光,再通过色彩配比实现全彩色化,如图5所示[5]。

但是上述技术存在的主要问题为各颜色均匀性与各颜色之间的相互影响,所以解决红绿蓝三色分离与各色均匀性成为量子点发光二极管运用于微显示器的重要难题之一。

此外,当前量子点技术还不够成熟,还存在着材料稳定性不好、对散热要求高、且需要密封、寿命短等缺点。这极大了限制了其应用范围,但随着技术的进步和成熟,我们期待量子点将有机会扮演更重要的角色。


图4 (a)高精度雾化喷涂系统(Aerosol jet technology)及其(b)原理图。


图5 利用高精度喷涂技术制作红、绿、蓝三原色阵列示意图

  三、 光学透镜合成法 

透镜光学合成法是指通过光学棱镜(Trichroic Prism)将RGB三色micro-LED合成全彩色显示。具体方法是是将三个红、绿、蓝三色的micro-LED阵列分别封装在三块封装板上,并连接一块控制板与一个三色棱镜。

之后可通过驱动面板来传输图片信号,调整三色micro-LED阵列的亮度以实现彩色化,并加上光学投影镜头实现微投影。整个系统的实物图与原理图如图6所示,显示效果如图7所示[6]。


图6棱镜光学合成法的a), b) 实物图,c) 原理示意图


图7棱镜光学合成法的显示效果



 

作者:
刘召军 彭灯 张珂 (中山大学)
郭浩中 佘庆威 (台湾交通大学)

参考文献:
[1]    W. C. Chong, et al, SID 13 Digest, 44(1):838-841.
[2]    D. Peng, et al, IEEE J. Display Technol., Vol. 12, Issue 7, pp. 742-746, 2016.
[3]    Z. J. Liu, et al, SID 11 Digest, 42(1): 1215-1218.
[4]    K, J. Chen, et al, SPIE Opto, 2013, 8641(1):115-125.
[5]    H. V. Han, H. C. Kuo, et. al, OSA, 23(25):32504-32515, 2015.
[6]    Z. J. Liu, W. C. Chong, et al, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.25, no.23, 2013.



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