Micro LED淺析:優勢、技術瓶頸及可實現領域

 
儘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,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,最近更多地是在晶片級的封裝中,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,包含紅色、綠色和藍色晶片的分離式封裝LED形成單個畫素,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,即畫素。這種現象是由許多問題造成的,包括成本和製造可行性。但是,使用Micro LED和亞毫米畫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,開發基於Micro LED的顯示器興趣大增,尤其是2014年蘋果公司收購Luxvue之後。去年10月,Facebook收購沉浸式虛擬實境技術公司Oculus;而今年5月,夏普收購了另外一家Micro LED的新創公司eLux,以及最近Google注資瑞典Micro LED製造商Glo。
 
鑑於這些收購,證明Micro LED不僅是停留在實驗室。那麼,這些大品牌為什麼對這項技術這麼感興趣呢?因為Micro LED可以將獨立的紅色、綠色和藍色子畫素作為獨立可控的光源,能夠形成具有高對比度、高速和寬視角的顯示器。
 
事實上,Micro LED顯示器比OLED的對手要強很多,因為Micro LED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,Micro LED可以整合感測器和電路,做出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Micro LED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畫素的55吋Micro LED顯示器,包含620萬個子畫素,每個都是可獨立控制的Micro LED晶片,受到媒體的強烈關注。但是,索尼對於商業化還沒有給出時間表,到目前為止,沒有一台Micro LED電視機進入市場。
 
Micro LED本質上是一項很複雜的技術
 
今天,Micro LED還沒有一個普遍認可的定義。但是,一般來說,Micro LED被認為是總表面小於2500 mm2的LED晶片。這相當於是50mm×50mm的正方形,或直徑為55mm的圓形晶片。根據這一定義,Micro LED今天已經出現在市場上了:索尼在2016年再次亮相,採用小間距大型LED影片牆的形式,傳統的LED封裝由Micro LED替代。
 
製造Micro LED顯示器的技術涉及方方面面:將LED基板加工成準備用於拾取和轉移到接收基板的Micro LED陣列,用於整合到非均勻整合的系統中:顯示器。顯示器又整合LED、畫素驅動電晶體、光學器件等。磊晶片可容納數億Micro LED晶片。
 
實現Micro LED顯示屏有兩個主要選項。一個是將Micro LED單獨或分組地拾取並轉移到薄膜電晶體驅動矩陣上,這類似於OLED顯示器中使用的;另一個是使用CMOS驅動電路將數十萬個Micro LED的完整單片陣列組合起來。
 
如果採用這兩種方法中的第一種,則組裝一個4K顯示器需要拾取、放置和單獨連接2,500萬個Micro LED晶片(假設沒有畫素冗餘)到電晶體背板。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。
 
為瞭解決這個問題,像蘋果、X-Celeprint等數十家公司已經開發出大規模的並聯抓取技術。他們可以同時加工數萬到數百萬的Micro LED。但是,當Micro LED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晶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(例如開放式黏合、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於載體擴散長度的距離(通常為1mm至10mm):這在傳統的LED中並不重要,因為其具有數百微米的邊緣,但在Micro LED中卻是十分致命的。在這些設備中,它可以限制晶片整個體積的效率。
 
由於這些缺陷,MicroLED的峰值效率通常低於10%,當設備尺寸低於5mm時,它的峰值效率可能小於1%,這遠遠低於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,Micro LED通常必須以非常低的電流密度運行。它們通常在低於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。如果一台帶Micro LED的手機以其最高效率運行,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,以至於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Micro LED公司的優先事項。提高效率的辦法包括引入新的晶片設計和改進製造技術。這兩種方法都可以減少側壁缺陷並使電載體遠離晶片的邊緣。
 
Micro LEDs的開發人員也面臨與色彩轉換、光萃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畫素。在磊晶、晶片製造和轉移方面實現100%的綜合收益率是不太可能的,所以Micro LED顯示器製造商必須制定有效的缺陷管理策略,可以包括畫素冗餘和單個畫素修復,這得取決於顯示器的特性和成本。
 
目前Micro LED最容易實現的領域
 
Micro LED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,詳細的分析表明,智慧手錶和其他穿戴式產品,如擴增實境(AR)與混合實境(MR)應用的微型顯示器,最能顯示Micro LED顯示器的性能。
 
其中,在智慧手錶上導入Micro LED是最有可能的,因為智慧手錶具有相對較少的畫素數和中等範圍的畫素密度,因此,晶片和組裝成本效率高,也最接近Micro LED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,那麼在顯示器前端平面內可導入各種感測器,例如可以讀取指紋並提供手勢識別。
 
Micro LED的另一個主要機會就是AR和MR的頭戴式顯示器。在虛擬現實中,用戶佩戴完全封閉的頭戴式顯示器將其與外界視覺隔離;而AR和MR應用則將計算機生成的圖像覆蓋到現實世界中。
 
♦  Micro LED顯示器是通過將晶片切割成微小元件,並以並行拾取和放置技術將其轉移到電晶體底板
(來源:LEDinside CN)
 
這些應用的要求之一是,覆蓋的圖像要足夠亮,可與環境光競爭,特別是在戶外應用中。
 
為了滿足這些條件,顯示器必須放在不引人注意的位置,使用光學效率小於10%的複合投影或波導光學器件將圖像投影到眼睛上。這些要求決定了顯示器的亮度範圍從10,000到50,000 Nits,這比市場上最好的手機的亮度高出10倍到50倍。
 
今天,Micro LED是唯一有潛力提供這些亮度水平的候選,同時保持合理的功耗和緊湊性。令人鼓舞的是,同樣的推理可以應用於汽車和其他環境中的平視顯示器中,這類顯示器可以被認為是AR的一種形式。
 
Micro LED想努力產生影響的市場就是智慧手機。目前,OLED顯示器已經以非常有競爭力的成本提供了非常出色的性能。如果Micro LED也參與其中,則子畫素的尺寸必須減小到幾微米,這樣的話,提供可接受的效率會更難。
 
在電視上取得成功的可能則更高。在這種情況下,缺點是畫素密度相對較低,在4K、55吋電視中的間距約為100毫米。低密度阻礙了轉移技術的效率,因為每個週期需要移動數千個晶片,而智慧手機或智慧手錶則是數十萬個。想在這個市場上蓬勃發展,就需要開發替代的高效率裝配技術。
 
(首圖來源:microLED Adafruit Industries via Flickr CC2.0。編譯:LEDinside James)
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