解析Micro-LED display彩色化的三大主要技術手段

Micro-LED display的彩色化是一個重要的研究方向。在當今追求彩色化以及其高解析度高對比率的嚴峻趨勢下,世界上各大公司與研究機構提出多種解決方式並在不斷拓展中,本文將對主要的幾種Micro-LED彩色化實現方法進行討論,包括RGB三色LED法、UV/藍光LED+發光介質法、光學透鏡合成法。

  一、 RGB三色LED法

RGB-LED全彩顯示顯示原理主要是基於三原色(紅、綠、藍)調色基本原理。眾所周知,RGB三原色經過一定的配比可以合成自然界中絕大部分色彩。同理,對紅色-、綠色-、藍色-LED,施以不同的電流即可控制其亮度值,從而實現三原色的組合,達到全彩色顯示的效果,這是目前LED大屏幕所普遍採用的方法[1]。

在RGB彩色化顯示方法中,每個像素都包含三個RGB三色LED。一般採用鍵合或者倒裝的方式將三色LED的P和N電極與電路基板連接,具體佈局與連接方式如圖1所示[2]。

之後,使用專用LED全彩驅動芯片對每個LED進行脈衝寬度調製(PWM)電流驅動,PWM電流驅動方式可以通過設置電流有效週期和佔空比來實現數字調光。例如一個8位PWM全彩LED驅動芯片,可以實現單色LED的28=256種調光效果,那麼對於一個含有三色LED的像素理論上可以實現256*256*256=16,777,216種調光效果,即16,777,216種顏色顯示。具體的全彩化顯示的驅動原理如圖2所示[2]。

但是事實上由於驅動芯片實際輸出電流會和理論電流有誤差,單個像素中的每個LED都有一定的半波寬(半峰寬越窄,LED的顯色性越好)和光衰現象,繼而產生LED像素全彩顯示的偏差問題。

圖1 RGB全彩色顯示的單像素佈局示意圖

 

圖2 RGB全彩色顯示驅動原理示意圖

二、 UV/藍光LED+發光介質法

UV LED(紫外LED)或藍光LED+發光介質的方法可以用來實現全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 則需激發紅綠藍三色發光介質以實現RGB三色配比; 如使用藍光micro-LED則需要再搭配紅色和綠色發光介質即可,以此類推。該項技術在2009年由香港科技大學劉紀美教授與劉召軍教授申請專利並已獲得授權(專利號:US 13/466,660, US 14/098,103)。

發光介質一般可分為螢光粉與量子點(QD: Quantum Dots)。納米材料螢光粉可在藍光或紫外光LED的激發下發出特定波長的光,光色由螢光粉材料決定且簡單易用,這使得螢光粉塗覆方法廣泛應用於LED照明,並可作為一種傳統的micro-LED彩色化方法。

螢光粉塗覆一般在micro-LED與驅動電路集成之後,再通過旋涂或點膠的方法塗覆於樣品表面。圖3則是一種螢光粉塗覆方法的應用,其中(a)圖顯示一個像素單元中包含紅綠藍4個子像素,圖(b)則顯示了micro-LED點亮後的彩色效果[3]。

該方式直觀易懂卻存在不足之處,其一螢光粉塗層將會吸收部分能量,降低了轉化率;其二則是螢光粉顆粒的尺寸較大,約為1-10微米,隨著micro-LED 像素尺寸不斷減小,螢光粉塗覆變的愈加不均勻且影響顯示質量。而這讓量子點技術有了大放異彩的機會。

螢光粉彩色化micro-LED的像素設計及顯示效果

量子點,又可稱為納米晶,是一種由II-VI族或III-V族元素組成的納米顆粒。量子點的粒徑一般介於1~10nm之間,可適用於更小尺寸的micro-display。量子點也具有電致發光與光致放光的效果,受激後可以發射螢光,發光顏色由材料和尺寸決定,因此可通過調控量子點粒徑大小來改變其不同發光的波長。

當量子點粒徑越小,發光顏色越偏藍色;當量子點越大,發光顏色越偏紅色。量子點的化學成分多樣,發光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區。而且具有高能力的吸光-發光效率、很窄的半高寬、寬吸收頻譜等特性,因此擁有很高的色彩純度與飽和度。且結構簡單,薄型化,可捲曲,非常適用於micro-display的應用[4]。

目前常採用旋轉塗布、霧狀噴塗技術來開發量子點技術,即使用噴霧器和氣流控制來噴塗出均勻且尺寸可控的量子點,裝置與原理示意圖如圖4所示[5]。將其塗覆在UV/藍光LED上,使其受激發出RGB三色光,再通過色彩配比實現全彩色化,如圖5所示[5]。

但是上述技術存在的主要問題為各顏色均勻性與各顏色之間的相互影響,所以解決紅綠藍三色分離與各色均勻性成為量子點發光二極管運用於微顯示器的重要難題之一。

此外,當前量子點技術還不夠成熟,還存在著材料穩定性不好、對散熱要求高、且需要密封、壽命短等缺點。這極大了限制了其應用範圍,但隨著技術的進步和成熟,我們期待量子點將有機會扮演更重要的角色。

 

圖4 (a)高精度霧化噴塗系統(Aerosol jet technology)及其(b)原理圖。

 

圖5 利用高精度噴塗技術製作紅、綠、藍三原色陣列示意圖

三、 光學透鏡合成法

透鏡光學合成法是指通過光學棱鏡(Trichroic Prism)將RGB三色micro-LED合成全彩色顯示。具體方法是是將三個紅、綠、藍三色的micro-LED陣列分別封裝在三塊封裝板上,並連接一塊控制板與一個三色棱鏡。

之後可通過驅動面板來傳輸圖片信號,調整三色micro-LED陣列的亮度以實現彩色化,並加上光學投影鏡頭實現微投影。整個系統的實物圖與原理圖如圖6所示,顯示效果如圖7所示[6]。

圖6棱鏡光學合成法的a), b) 實物圖,c) 原理示意圖
圖7棱鏡光學合成法的顯示效果

作者:
劉召軍 彭燈 張珂 (中山大學)
郭浩中 佘慶威 (台灣交通大學)

參考文獻:
[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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