Micro LED显示的发展现状与技术挑战

Micro LED技术被认为是消费电子领域下一个世代的显示技术。尽管市场上已经有很多公司推出了基于Micro LED显示技术的样机以及应用示范,然而Micro LED显示技术远没有达到成熟的程度。通常,Micro LED是以发光LED芯片尺寸来定义。一般来说,我们将尺寸小于50μm的LED芯片称为Micro LED。

近日,TCL电子研发中心光学系统工程师季洪雷博士团队在《液晶与显示》(ESCI、核心期刊)发表了题为“Micro LED显示的发展现状与技术挑战”的综述文章。

文章从Micro LED显示技术的历史、定义及技术挑战进行了综述,重点总结了Micro LED在工程领域的技术挑战,最后对Micro LED技术的未来发展方向进行了探讨。Micro LED在芯片、巨量转移、全彩化等方面仍存在技术挑战,但其所展现出的高分辨、快响应、低能耗、长寿命等突出特点,能满足超小和超大显示的需求,如虚拟/增强显示和电子广告牌,展现出巨大的应用潜力,已经在学术界和工业界引起了广泛研究。

01.引言

Micro LED显示利用微米尺寸的无机LED器件作为发光像素,来实现主动发光矩阵式显示。从显示技术原理来讲,Micro LED与有机发光二极管OLED、量子点发光二极管QLED都属于主动发光式显示技术。但不同的是,Micro LED显示使用无机GaN等LED芯片,其发光性能优异、寿命长。由于Micro LED优异的性能和潜在的应用价值,自被提出以来,学术界已经掀起了相关技术研究的浪潮。

随着Micro LED显示技术的不断发展,其产业化也越发受到关注。苹果、三星、索尼、LG、华星光电、京东方等公司纷纷加入Micro LED显示的开发中。此外,很多从事Micro LED显示技术创业公司也相继成立,如Ostendo、Luxvue、PlayNitride等。

以2014年苹果公司收购Luxvue为起点,Micro LED显示技术进入快速发展阶段。2018年以后进入爆发期。同时,国内的终端厂和芯片厂也纷纷加入Micro LED阵营。虽然Micro LED的显示应用前景逐渐明朗,然而现阶段还存在很多的技术挑战有待解决。

02.Micro LED显示技术的定义

目前Micro LED的定义尚未有行业标准形成,对于不同的应用场景、研究环境,不同的学者、专家对Micro LED有着不同的理解。

显示应用场景是决定Micro LED芯片尺寸的主要因素。从消费电子终端应用的角度出发,对于Micro LED的定义应该根据观看距离和人眼的极限分辨率进行计算。

例如,如果按照发光面积占像素面积的10%计算。在虚拟现实VR和增强显示AR应用时,观看距离约为5cm左右,像素密度需要达到1800ppi左右。此时Micro LED芯片的尺寸应为3-5μm。对于10-12英寸的平板显示器,按照300ppi的像素密度,对应的芯片尺寸为20-30μm。而对于75寸大屏显示器,按照43ppi的像素密度,芯片尺寸往往在200μm左右。

03.Micro LED显示技术的发展和优势

Micro LED显示技术是继蓝光GaN材料和白光LED照明之后LED领域的最重要进展之一。图1简单回顾了Micro LED的发展历程,从中可以发现这一领域重要进展都是来自于集成工艺的突破。可以预期,未来Micro LED显示的发展仍将朝着微缩化、集成化、阵列转移化和全彩化进一步发展。

LCD、OLED、QLED和Micro LED显示器的结构如图2所示。从图中可以看出,Micro LED显示器结构简单,有效降低了光在显示器内部的损失,减小了显示器的厚度,更加便于显示屏的集成。通过表1可以发现,相比于其他的自发光技术,从表现出的性能看,Micro LED显示具有如下显著优势:

表1 显示技术的比较

显示画面品质高:Micro LED显示屏没有光阻和滤光片的限制,亮度可以轻松达到2000-4000cd/㎡,可以实现超高对比度和高品质的HDR显示效果。

能量利用效率高:由于Micro LED是自发光显示技术,没有透过率的限制,功耗比LCD显示器低90%。此外,LED芯片电光转换效率高,Micro LED显示功耗仅为OLED显示的50%。

使用寿命长:Micro LED显示技术使用无机物半导体作为发光材料,性能稳定,材料寿命长。

04.Micro LED关键技术问题分析

虽然Micro LED显示技术具有显著的优势,但该技术尚不成熟,在芯片、背板、巨量转移、全彩化、接合、驱动和检测维修等方面仍然存在一些技术瓶颈。

芯片技术:从芯片的技术角度看,现阶段Micro LED晶圆的波长一致性不满足量产化需求。而且随着芯片尺寸的缩减,发光效率急速降低。在器件构造过程中,感应耦合等离子体刻蚀会造成芯片侧壁的损伤,进而影响芯片发光特性和可靠性。

背板技术:消费电子领域Micro LED技术使用的背板有两种:印刷电路板和玻璃基板。由于刷电路板的膨胀收缩比率较大,且容易翘曲,会造成巨量转移效果不良。玻璃基板的尺寸稳定性好,但其横向和纵向尺寸变化非等向,对加工工艺要求高。

巨量转移技术:芯片制作完成后,需要通过巨量转移将其转移到驱动电路背板上。目前Micro LED的巨量转移技术主要有拾取释放法、激光转移技术、流体自组装技术和滚轮转印技术。巨量转移技术面临的共性问题就是精度,要求转移精度为±1μm。其次,还要求转移具有极高的良率。

全彩化技术:Micro LED的全彩化技术主要有4种:三色RGB法、紫外/蓝光Micro LED+转光材料法、透镜合成法和特殊结构法。三色RGB法用于大像素显示构造时,巨量转移的芯片数量多、难度大,且红光LED效率不高。第二种方法则对转光材料的可靠性和波长一致性有很高的要求。

而目前的荧光粉材料颗粒尺寸大,易造成沉积不均匀。量子点材料尺寸小,但是存在稳定性较差且寿命短等问题。透镜合成法虽然简单,但是使用范围窄,仅适用于投影仪的构建。最后一种方法虽然能够同时避免使用高成本的巨量转移和色转换材料,但是尚处在研究阶段,并不成熟。

接合技术:Micro LED的接合技术主要分3种:预置锡膏技术、金属共晶键合技术、微管技术。由于Micro LED电极之间距离很小,使用锡膏工艺容易造成芯片正负极之间导通,形成微短路现象。随着芯片尺寸的缩小,芯片与驱动电路基底热膨胀系数的差异会导致共晶焊只适用于20μm以上芯片。微管技术一般用于10μm以下接合。

驱动技术:Micro LED显示中每个红绿蓝像素配置一个驱动Micro-IC。Micro-IC能通过占空比来调整亮度和色阶。由于驱动电流太小,通常会出现低灰阶下亮度、色度不稳定的问题。

Micro LED在各个环节所面临的技术瓶颈是共性的,归结起来就是:精度→良率→效率→成本的问题。这几个问题是逐层递进,且具有因果关系。Micro LED显示技术成立的前提就是精度,如果精度低,就难以实现高性能的Micro LED显示;在保证精度的前提下,良率和效率是降低成本的最重要因素,也是Micro LED技术大规模产业化的前提。目前Micro LED各环节基本处于提升精度的阶段,距离良率和效率提升阶段仍有一段距离。

05.Micro LED显示应用问题分析

Micro LED显示除了其自身的集成工艺问题外,在显示终端应用时,由于Micro LED显示自身的技术特点,有一些应用问题,直接影响着终端显示的效果,仍然缺乏完美的解决途径。

抗环境光干扰问题:与LCD显示技术不同,Micro LED显示上表面没有滤光片,抗环境光能力差。

大角度色偏问题:色偏问题主要由红绿蓝三色芯片光场分布不同和相邻像素之间发光串扰问题造成。

单色场和灰场均匀性的问题:由于Micro LED显示终端多为多块拼接的,所以很难保证每一块显示单元上的所有芯片波长都能满足此要求,另外由于每颗芯片的典型驱动电压均有浮动,就会造成单色场每一块Micro LED显示单元在光色一致性上有所差异。

此外,由于拼接基板颜色一致性的问题和单元之间及单元之内驱动电流的差异,会形成普遍存在图7所示的灰场一致性的问题。

驱动功率问题:Micro LED显示技术由于像素级的控制,需要的驱动芯片数量较多,从而导致驱动芯片的功率大幅增加,且由于是低电压、高电流驱动,导致电源效率低、线损大。

06.总结与展望

Micro LED显示技术是对目前主流显示技术一个有效的补充,在应用上填补了目前主流显示技术的短板和空白。在超大显示上利用其可拼接性,可以满足大尺寸显示的需求。利用其像素级控光达到的高亮度、高色域、高对比度性能,可以满足在户外、半户外及影院场景下使用的需求。超小显示主要针对VR和AR技术的应用,利用其超小的晶粒尺寸,可以实现上千像素密度的需求。

此外,Micro LED显示的自发光和材料稳定的特性使其在响应时间和宽温工作及储存上具有优势,能满足飞机等机载主显示器在实时性和可靠性方面的要求。在驱动和背板领域实现技术突破后,使用透明塑料薄膜作为基板,可以将任意大小的显示膜片贴敷于其他载体上,有望实现显示无处不在。利用Micro LED显示技术具有纳秒级响应时间的特性,有可能实现真正的裸眼3D显示。

由于Micro LED显示微缩化、集成化的特征,Micro LED显示技术尚不成熟,对芯片、背板、发光介质等材料提出了更高的要求。在面向应用时,终端显示器还存在一系列问题。Micro LED显示刚开始进入消费电子领域,距离该技术大量普及和应用尚有一段时间。但其所表现出来的特性,将很快在特殊应用领域推广开来,并且基于Micro LED显示技术的新功能也在不断探索之中,也许这些新功能会给未来显示领域带来一次革命。(来源:中国光学)

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