MicroLED會引發下一次顯示器革命？一文淺析其優勢、技術難點及可實現領域

文章來源:恒光電器

發布時間:2017-09-11

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盡管固態照明迅速發展，但是顯示屏的背光仍然是LED的實質性市場。十多年來，企業資訊，屏幕都是由這些設備進行顯示的 – 最初這些設備被放置在傳統的封裝中，3c認證，最近更多地是在芯片級的封裝中，而且它們現在是LCD的背光源。

LED封裝的一個最成功案例是作為大型視頻廣告牌中的光源，比如在體育場館、商場等。根據顯示屏的尺寸和分辨率，設計，包含紅色、綠色和藍色芯片的分立封裝LED形成單個像素，間距通常為1 mm至40 mm。

截止今日，LED都沒有被用作為小間距顯示屏中的直接發光元件 - 即像素。這種現象是由許多問題造成的，包括成本和制造可行性。但是，使用microLED和亞毫米像素間距生產顯示屏的想法可以追溯到LED起步時期。

在過去五年中，開發基于microLED的顯示器興趣大增，工程照明，尤其是2014年蘋果公司收購Luxvue之后。去年10月，Facebook收購沉浸式虛擬現實技術公司Oculus；而今年5月，夏普收購了另外一家microLED的新創公司eLux，醫院led照明，以及最近Google注資瑞典Micro LED制造商Glo。

鑒于這些收購，證明microLED不只僅是停留在實驗室。那么，這些大品牌為什么對這項技術這么感興趣呢？因為microLED可以將獨立的紅色、綠色和藍色子像素作為獨立可控的光源，LED天花燈，能夠形成具有高對比度、高速和寬視角的顯示器。

事實上，MicroLED顯示器比OLED的對手要強很多，因為microLED有更寬的色域、帶來更高的亮度、更低的功耗、更長的使用壽命、更強的耐用性和更好的環境穩定性。此外，如蘋果最近的專利文件所示，電工照明，microLED可以集成傳感器和電路，實現具有嵌入式感測功能的薄型顯示器，如指紋識別和手勢控制。

雖然microLED仍然還未進入市場，但是它們還不只是停留在紙上的想法。在2012年1月的“International CES”上，索尼就展出了1920×1080像素的55英寸microLED顯示器，包含620萬個子像素，每個都是可獨立控制的microLED芯片，受到媒體的強烈關注。但是，索尼對于商業化還沒有給出時間表，LED筒燈，到目前為止，沒有一臺microLED電視機進入市場。

microLED本質上是一項很復雜的技術

今天，microLED還沒有一個普遍認可的定義。但是，一般來說，microLED被認為是總表面小于2500 mm2的LED芯片。這相當于是50mm×50mm的正方形，或直徑為55mm的圓形芯片。 根據這一定義，microLED今天已經出現在市場上了： 索尼在2016年再次亮相，采用小間距大型LED視頻墻的形式，傳統的LED封裝由microLED替代。

制造microLED顯示器的技術涉及方方面面：將LED基板加工成準備用于拾取和轉移到接收基板的microLED陣列，用于集成到非均勻集成的系統中：顯示器。顯示器又集成LED、像素驅動晶體管、光學器件等。外延片可容納數億microLED芯片。

實現MicroLED顯示屏有兩個主要選項。一個是將microLED單獨或分組地拾取并轉移到薄膜晶體管驅動矩陣上，這類似于OLED顯示器中使用的；另一個是使用CMOS驅動電路將數十萬個MicroLED的完整單片陣列組合起來。

如果采用這兩種方法中的第一種，LED-T5一體化燈管，則組裝一個4K顯示器需要拾取、放置和單獨連接2500萬個microLED芯片（假設沒有像素冗余）到晶體管背板。用傳統的拾放設備操縱這樣的小型設備，每小時的加工速度約為25,000個單位。這太慢了， 組裝單個顯示器將需要一個月的時間。

為了解決這個問題，像蘋果、X-Celeprint等數十家公司已經開發出大規模的并聯抓取技術。他們可以同時加工數萬到數百萬的microLED。但是，當microLED尺寸僅為10μm時，以足夠的精度加工和放置非常具有挑戰性。

還有一些與LED芯片相關的問題要克服。當其尺寸非常小時，其性能會受到與表面和內部缺陷（例如開放式粘合、污染和結構損壞）相關的側壁效應的影響。這些缺陷導致非輻射載體重組加速。側壁效應可以延伸到類似于載體擴散長度的距離（通常為1mm至10mm）：這在傳統的LED中并不重要，因為其具有數百微米的邊緣，3c認證，但在microLED中卻是十分致命的。在這些設備中，它可以限制芯片整個體積的效率。

由于這些缺陷，廠房照明，microLED的峰值效率通常低于10％，當設備尺寸低于5mm時，它的峰值效率可能小于1％，這遠遠低于目前最好的傳統藍光發射的‘macro’ LED，它現在可以產生超過70％的外部量子峰值效率。

更糟的是，microLED通常必須以非常低的電流密度運行。它們通常在低于1-10 A cm-2峰值效率區域驅動，因為即使在這種低效率下，LED也是非常明亮的。如果一臺帶microLED的手機以其最高效率運行，廠房照明，其顯示屏將提供高達數以萬計nits的亮度，比目前市場上更亮的手機高出一個級別。屏幕會很亮，以至于膽大的用戶都不敢看。

當LED以非常低的電流密度工作時，它們的效率非常低，使得該技術不能實現其削減能量消耗的承諾。因此，解決這個問題就成為microLED公司的優先事項。提高效率的辦法包括引入新的芯片設計和改進制造技術。這兩種方法都可以減少側壁缺陷并使電載體遠離芯片的邊緣。

microLEDs的開發人員也面臨與色彩轉換、光提取和光束成形有關的挑戰。

現代顯示屏的另一個要求就是消除壞點或有缺陷的像素。在外延、芯片制造和轉移方面實現100％的綜合收益率是不太可能的，所以microLED顯示器制造商必須制定有效的缺陷管理策略，可以包括像素冗余和單個像素修復，這得取決于顯示器的特性和成本。

目前MicroLED最容易實現的領域

MicroLED能夠部署在從最小到最大的任何顯示應用中。在許多情況下，它們將比LCD和OLED顯示器的最終組合更好。但是，生產可行性和經濟成本限制了其使用。然而，酒店led照明，詳細的分析表明，智能手表和其他可穿戴產品，如AR / MR應用的微型顯示器，最能顯示microLED顯示器的性能。

其中，在智能手表上實現microLED是最有可能的，因為智能手表具有相對較少的像素數和中等范圍的像素密度，因此，芯片和組裝成本效率高，也最接近microLED當前技術發展的狀態。它們具有潛在的差異化功能，包括能夠延長電池壽命、降低功耗以及更高的亮度，從而提供戶外環境下良好的可讀性。

如果這些顯示器開始大量出現，那么在顯示器前端平面內可引入各種傳感器，例如可以讀取指紋并提供手勢識別。