Mini-LED顯示與Micro-LED 顯示淺析

　　林偉瀚，楊梅慧（康佳集團股份有限公司, 廣東 深圳 518053）

　　摘要：液晶面板LCD顯示因技術(shù)成熟、性價比高目前仍占顯示行業(yè)主導(dǎo)地位。Micro-LED由于其優(yōu)秀顯示特性已經(jīng)成為目前技術(shù)的熱點，Mini-LED則是其過渡產(chǎn)品。對比了LCD、OLED、Mini-LED和Micro-LED顯示特性。Micro-LED在亮度、色彩、大尺寸可變性等方面性能優(yōu)異。而Mini-LED結(jié)合8K及QD技術(shù)將達到OLED畫質(zhì)，并且可靠性和成本占優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：Mini-LED顯示；Micro-LED顯示；LCD；OLED

　　0 引言

　　目前LED背光的LCD在市場上仍然占據(jù)主導(dǎo)位置。雖然有OLED新技術(shù)的產(chǎn)生，但液晶電視由于其細膩的解析度以及成熟的生產(chǎn)技術(shù)和普眾的價格，目前以及以后幾年也仍然會是主流。作為被動式發(fā)光的顯示器件，其光源利用效率及主觀畫質(zhì)很難提升。目前手機、電視行業(yè)迅速發(fā)展的OLED面板技術(shù)已經(jīng)擁有諸多技術(shù)優(yōu)勢，如省電、輕薄、可彎曲等特點，但是其弱點也是非常明顯的，如燒屏、壽命短等問題。只不過由于手機的壽命較短，用戶換機時間一般在兩年以內(nèi)，影響較小；而電視用的大尺寸OLED面板面積大、使用壽命往往達10年，影響就較為明顯。同時，隨著第三代顯示的需求推動和技術(shù)發(fā)展，Micro-LED由于其優(yōu)異的電流飽和密度 ^[1] 、更高的量子效率以及高可靠性，已經(jīng)成為目前技術(shù)的熱點，在顯示，VLC通訊 ^[2][3] 等方面被廣泛研究。由于Micro-LED的技術(shù)門檻高，Mini-LED顯示產(chǎn)品應(yīng)時而生，結(jié)合現(xiàn)有的8K及QD技術(shù)，有破壁OLED的趨勢。如今隨著市場需求驅(qū)動以及技術(shù)迭代，顯示技術(shù)已經(jīng)由畫質(zhì)與內(nèi)容的二代技術(shù)逐漸過渡到第三代。行業(yè)內(nèi)眾多廠家如三星、蘋果、友達等已加大對三代顯示技術(shù)的研發(fā)和投入。

　　1 LCDOLEDMini-LEDMicro-LED顯示對比

　　LED chip 從現(xiàn)有的mm級別，縮小到十分之一的100mm級別為Mini-LED，縮小到百分之一的10mm級別為Micro-LED。也有人用是使用SMT工藝還是使用巨量轉(zhuǎn)移工藝作為Mini-LED與Micro-LED顯示的區(qū)別。Mini-LEDMicro-LED與OLED均屬于主動型自發(fā)光顯示，光的利用率高。而LCD則是被動型發(fā)光顯示，面板本身不發(fā)光，需要背光源提供光源。因LCD面板透過率只有3%-8%，光源利用率低，亮度比較難做上去。面板的穿透率取決于開口率，影響因素包括像素之間的遮光罩、電極與彩色濾光板的穿透比例。因RGB 4K分辨率的玻璃的像素點數(shù)量是FHD面板像素點的4倍，每個像素點對應(yīng)一套遮光罩和TFT及電容CF膜，到達4K、8K之后，每個像素點對應(yīng)的開口率成倍減小，因此高解析度的LCD顯示亮度更難做上去。各顯示技術(shù)的性能對比如下表1.如表中顯示，OLED、Mini-LEDMicro-LED在亮度、對比度等畫質(zhì)方面優(yōu)于LCD，但OLED在殘影、壽命、解析度等方面較差。Mini-LED RGB性能優(yōu)異，但在尺寸上受限，PPI到達值低，觀看距離要求較高。而Mini-LED +LCD解決了上述缺點。

　　2 Micro-LED顯示

　　Micro-LED按彩色化技術(shù)分有RGB三色LED芯片、藍光單色芯片加RG量子點材料混光、藍綠光芯片加R量子點/KSF粉混光等3個方向，如圖1。后面2種方案熒光粉無法做薄，存在應(yīng)力，無法做到微小尺寸 ^[4] ，而鎘化物也存在穩(wěn)定性和壽命問題 ^[5] ，故目前出來的大多數(shù)顯示產(chǎn)品采用RGB三色LED芯片方案。此種方案的發(fā)光光譜如圖2。

　　Micro-LED RGB三色芯片方案因為材料類別統(tǒng)一為半導(dǎo)體Ш-V族材料，響應(yīng)性能優(yōu)異，為ns級別，材料性能穩(wěn)定，可靠性高，發(fā)光效率好，顏色純度高、可透明。這些優(yōu)異性能在高亮高色域需求的顯示產(chǎn)品上占盡優(yōu)勢，如大屏顯示，AR/VR產(chǎn)品、抬頭顯示（HUD）、控制指揮中心屏幕等應(yīng)用。其高響應(yīng)速率在光通信行業(yè)也得到應(yīng)用。但在技術(shù)上，RGB三色芯片的電壓壓差產(chǎn)生的熱量及功率耗損需要解決。目前已經(jīng)研發(fā)出共陰方案的驅(qū)動芯片如聚積的5759，問題得到了較大改善。同時，Micro-LED RGB屬于電流型驅(qū)動，由于RGB三種芯片的發(fā)光效率不一致，為了得到目標色溫6000 K-10000 K，三種芯片的電流大小不一樣，紅光R芯片要求的電流較大，電源的電流均勻性需要特殊設(shè)計。為保證電流穩(wěn)定性及電源設(shè)計可靠性，目前普遍使用PWM控制電流脈寬來調(diào)節(jié)各芯片平均電流大小的形式來實現(xiàn)混光。最優(yōu)方案是使用CMOS的AM矩陣驅(qū)動TFT基板，目前在驅(qū)動材料方面仍在優(yōu)化。目前已有2~8英寸的AM基板驅(qū)動的Micro-LED顯示產(chǎn)品，如龍達的車載顯示，Plessey的單片硅基氮化鎵(GaN-on-Si)微型LED與Jasper Display Corp的eSP70硅基板技術(shù)的晶圓級鍵合樣品等。但中大尺寸還未有樣品展出。

　　Micro-LED具有優(yōu)異性能，目前桎梏其發(fā)展的主要點是巨量轉(zhuǎn)移的工藝問題。巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)主要分類為拾取放置技術(shù)、微印章轉(zhuǎn)移技術(shù)(μTP ) ^[6] 、流體組裝技術(shù)、激光轉(zhuǎn)印技術(shù)、滾輪轉(zhuǎn)印技術(shù)等幾種，不同轉(zhuǎn)移公司其發(fā)展的轉(zhuǎn)移技術(shù)會有所不同 ，最主要的原因是不同應(yīng)用產(chǎn)品所適合的轉(zhuǎn)移技術(shù)也會有所不同。巨量轉(zhuǎn)移涉及到襯底剝離、轉(zhuǎn)移、鍵合，工藝精度要求高，設(shè)備需要定制，目前還未出現(xiàn)可以實現(xiàn)批量的設(shè)備。按照計算，4K顯示需要轉(zhuǎn)移24,883,200顆芯片，8K顯示則需要轉(zhuǎn)移一億顆芯片，如此巨量的數(shù)字燈板制程中的轉(zhuǎn)移速率需要幾百K每小時以上。目前常規(guī)SMT設(shè)備速率是每小時幾十K，經(jīng)過改進后用于Mini-LED轉(zhuǎn)移的設(shè)備速率可以達到150K每小時左右，離真正的巨量轉(zhuǎn)移還有一段距離。除了轉(zhuǎn)移問題，由于每臺顯示產(chǎn)品使用的LED芯片巨量數(shù)字，對于芯片的良率、均勻性也提出了很大的考驗。目前常規(guī)芯片按2.5 nm步長分bin，要做到Micro-LED顯示，其芯片分bin步長要做到1 nm以內(nèi)。因目前wafer端很難達到這個級別，部分應(yīng)用端也采用了軟硬件矯正的方式來提高畫面均勻性。

　　3 Mini-LED顯示

　　由于Micro-LED巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)還未達到可批量水平，技術(shù)門檻相對較低的Mini-LED顯示得到了較快的發(fā)展。像素pitch值在0.9 mm以上的可歸類為小間距顯示范疇，像素pitch值在0.9 mm以下轉(zhuǎn)移用pick-up方式的歸類為Mini-LED，目前能做到的最小像素間距在0.49 mm。Micro-LED需要使用光刻技術(shù)的驅(qū)動基板，而Mini-LED可以使用光刻技術(shù)的驅(qū)動基板，也可以使用BT板，甚至高精密玻纖板，因此不受面板廠的基板綁定，Mini-LED顯示產(chǎn)品得到蓬勃發(fā)展。目前索尼、三星及國內(nèi)一些廠家均展出了Mini-LED RGB顯示產(chǎn)品，2019年開始可實現(xiàn)批量。

　　如表1所示，Mini-LED RGB顯示擁有與Micro-LED顯示相同的優(yōu)異性能，只是在尺寸及PPI上面受到限制。由于PPI做不高，Mini-LED RGB只能應(yīng)用在大尺寸顯示如指揮中心大屏、墻幕顯示及大尺寸電視等，如三星的The Wall。為了打破這個限制，結(jié)合現(xiàn)在的其他技術(shù)熱點，出現(xiàn)了Mini-LED背光加液晶玻璃的顯示產(chǎn)品，如圖4.康佳2019年1月CES展出的65英寸Mini-LED電視，結(jié)合量子點技術(shù)及背光巨量分區(qū)技術(shù)，其畫面的色彩飽和度和動態(tài)對比度與OLED不相上下，分辨率甚至可做到8K，成本比OLED低但可靠性和壽命高。目前其他電視機廠已經(jīng)相繼展出一些類似產(chǎn)品。從產(chǎn)品創(chuàng)新層面看，對比度、色域、響應(yīng)時間、功耗等一直都是屏幕創(chuàng)新的幾個核心戰(zhàn)場，所以高端中大尺寸產(chǎn)品支持WCG與高對比度為未來重要產(chǎn)品差異化，也是中大尺寸產(chǎn)品下一個關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。由于OLED應(yīng)用于大尺寸還不成熟，而Mini LED BLU為最佳解決方案。蘋果近期亦放出消息將在其MacBook、iPad和iMac 2020年的產(chǎn)品上使用Mini-LED背光。各廠家對此均進行了較大研發(fā)投入。Mini-LED +LCD的形式由于可以做到OLED的性能并且做到高PPI高解析度，且技術(shù)成熟成本低，有望在2019年實現(xiàn)批量。

　　4 結(jié)論

　　Micro-LED和Mini-LED顯示產(chǎn)品性能優(yōu)異、應(yīng)用領(lǐng)域廣、市場需求驅(qū)動旺盛。以上各要素將驅(qū)動其技術(shù)的發(fā)展及市場的熱度。Micro-LED顯示如下驅(qū)動要素部分需要攻克，如具備可量產(chǎn)工藝技術(shù)、低成本的大規(guī)模生產(chǎn)、集成性強、技術(shù)、資源以及資本的整合等。高速和高良率巨量轉(zhuǎn)移、鍵合及顏色均勻性問題是急需解決的難題。因此Micro-LED顯示在近期還無法形成主流顯示技術(shù)。但其過渡產(chǎn)品Mini-LED顯示結(jié)合8K技術(shù)及5G通訊技術(shù)，在技術(shù)及工藝上均得以實現(xiàn)，產(chǎn)品性能優(yōu)異，將會成為近兩年各廠家大力角逐的方向。

　　參考文獻

　　[1]Chao Tian,Shu- xu Guo,Jing- qiu Liang, et al.Effects of unit size on current density andilluminance of micro- LED- array[J].Opto-electronics Letters,2017,13(2):84-89.

　　[2]MOHAMED SUFYAN ISLIM,RICARDO X.FERREIRA,XIANGYU HE,etc.Towards 10 Gb/sorthogonal frequency division multiplexing-based visible light communication using a GaN violetmicro-LED[J].Photonics Research,2017,5(2):A35-A43.

　　[3]田朋飛,顧而丹,劉冉,等.氮化鎵基Micro-LED的研究現(xiàn)狀[J].光源與照明,2018,1:1-4.

　　[4]李繼軍,聶曉夢,李根生,等.平板顯示技術(shù)比較及研究進展[J].中國光學,2018,11(5):706.

　　[5]梅芳,何錫文,李娟,等.水溶性CdSe/CdS核殼納米粒子制備的影響因素及其對CdSe/CdS光譜特性的影響[J].化學學報,2006,64(22):2265-2270.

　　[6]邰建鵬，郭偉玲.Micro LED 顯示技術(shù)研究進展[J].照明工程學報,2019,30(1):18-24.

　　作者簡介：

　　林偉瀚，男，(1984-)，2007年畢業(yè)于華南理工大學光信息科學與技術(shù)&工商管理雙專業(yè)，工學學士。

　　在康佳集團從事12年的平板電視及背光模組研發(fā)工作，現(xiàn)任康佳集團多媒體研發(fā)中心副總經(jīng)理，兼任工業(yè)設(shè)計與顯示設(shè)計中心總經(jīng)理。 為國內(nèi)首批電視顯示相關(guān)光電技術(shù)專業(yè)人才，12年來一直致力于行業(yè)新型顯示技術(shù)的開發(fā)研究工作，是康佳集團新型顯示技術(shù)的領(lǐng)軍人物。

　　參與的重大項目有：

　　1、主導(dǎo)完成康佳從CCFL、LCD、LED到OLED及Micro LED各代顯示技術(shù)的攻關(guān)工作；

　　2、作為主導(dǎo)單位帶頭人完成行業(yè)《曲面液晶電視通用標準》的制定；

　　3、2018年深圳市科學技術(shù)獎，作為第八完成人的項目《支持下一代互聯(lián)網(wǎng)的智能終端系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化》獲得深圳市科技進步二等獎；

　　4、作為模組技術(shù)負責人參與深圳市工業(yè)和信息化局的《基于“輕打擾，懸浮式”智能交互及個性化內(nèi)容定制電視操作系統(tǒng)》項目；

　　5、作為光電技術(shù)負責人參與國家工信部的《基于人工智能技術(shù)的新型數(shù)字家庭示范項目》項目，獲得國家工信部的公示認定；

　　6、作為模組技術(shù)負責人參與深圳市工業(yè)和信息化局的《基于AVS2.0高集成度國產(chǎn)TVSoC芯片的4K電視研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》項目。

　　個人獲得榮譽有：

　　“康佳之翼”大獎——康佳集團技術(shù)類研發(fā)最高獎項；個人榮獲中國電子視像行業(yè)“2018年度彩虹獎”（技術(shù)最高獎）

　　擁有8項發(fā)明專利、11項實用新型專利。

　　楊梅慧，女，碩士，高級工程師，研究方向：電視技術(shù)

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處