Micro LED顯示的發(fā)展現狀與技術(shù)挑戰

　　Micro-LED技術(shù)被認為是消費電子領(lǐng)域下一個(gè)世代的顯示技術(shù)。盡管市場(chǎng)上已經(jīng)有很多公司推出了基于Micro-LED顯示技術(shù)的樣機以及應用示范，然而Micro-LED顯示技術(shù)遠沒(méi)有達到成熟的程度。通常，Micro-LED是以發(fā)光LED芯片尺寸來(lái)定義。一般來(lái)說(shuō)，我們將尺寸小于50μm的LED芯片稱(chēng)為Micro-LED。

　　近日，TCL電子研發(fā)中心光學(xué)系統工程師季洪雷博士團隊在《液晶與顯示》(ESCI、核心期刊)發(fā)表了題為“Micro-LED顯示的發(fā)展現狀與技術(shù)挑戰”的綜述文章。

　　文章從Micro-LED顯示技術(shù)的歷史、定義及技術(shù)挑戰進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)總結了Micro-LED在工程領(lǐng)域的技術(shù)挑戰，最后對Micro-LED技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了探討。Micro-LED在芯片、巨量轉移、全彩化等方面仍存在技術(shù)挑戰，但其所展現出的高分辨、快響應、低能耗、長(cháng)壽命等突出特點(diǎn)，能滿(mǎn)足超小和超大顯示的需求，如虛擬/增強顯示和電子廣告牌，展現出巨大的應用潛力，已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛研究。

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　　引言

　　Micro-LED顯示利用微米尺寸的無(wú)機LED器件作為發(fā)光像素，來(lái)實(shí)現主動(dòng)發(fā)光矩陣式顯示。從顯示技術(shù)原理來(lái)講，Micro-LED與有機發(fā)光二極管OLED、量子點(diǎn)發(fā)光二極管QLED都屬于主動(dòng)發(fā)光式顯示技術(shù)。但不同的是，Micro-LED顯示使用無(wú)機GaN等LED芯片，其發(fā)光性能優(yōu)異、壽命長(cháng)。由于Micro-LED優(yōu)異的性能和潛在的應用價(jià)值，自被提出以來(lái)，學(xué)術(shù)界已經(jīng)掀起了相關(guān)技術(shù)研究的浪潮。

　　隨著(zhù)Micro-LED顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)化也越發(fā)受到關(guān)注。蘋(píng)果、三星、索尼、LG、華星光電、京東方等公司紛紛加入Micro-LED顯示的開(kāi)發(fā)中。此外，很多從事Micro-LED顯示技術(shù)創(chuàng )業(yè)公司也相繼成立，如Ostendo、Luxvue、PlayNitride等。以2014年蘋(píng)果公司收購Luxvue為起點(diǎn)，Micro-LED顯示技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段。2018年以后進(jìn)入爆發(fā)期。同時(shí)，國內的終端廠(chǎng)和芯片廠(chǎng)也紛紛加入Micro-LED陣營(yíng)。雖然Micro-LED的顯示應用前景逐漸明朗，然而現階段還存在很多的技術(shù)挑戰有待解決。

　　02.

　　Micro-LED顯示技術(shù)的定義

　　目前Micro-LED的定義尚未有行業(yè)標準形成，對于不同的應用場(chǎng)景、研究環(huán)境，不同的學(xué)者、專(zhuān)家對Micro-LED有著(zhù)不同的理解。

　　顯示應用場(chǎng)景是決定Micro-LED芯片尺寸的主要因素。從消費電子終端應用的角度出發(fā)，對于Micro-LED的定義應該根據觀(guān)看距離和人眼的極限分辨率進(jìn)行計算。例如，如果按照發(fā)光面積占像素面積的10%計算。在虛擬現實(shí)VR和增強顯示AR應用時(shí)，觀(guān)看距離約為5cm左右，像素密度需要達到1800ppi左右。此時(shí)Micro-LED芯片的尺寸應為3-5μm。對于10-12英寸的平板顯示器，按照300ppi的像素密度，對應的芯片尺寸為20-30μm。而對于75寸大屏顯示器，按照43ppi的像素密度，芯片尺寸往往在200μm左右。

　　03.

　　Micro-LED顯示技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)勢

　　Micro-LED顯示技術(shù)是繼藍光GaN材料和白光LED照明之后LED領(lǐng)域的最重要進(jìn)展之一。圖1簡(jiǎn)單回顧了Micro-LED的發(fā)展歷程，從中可以發(fā)現這一領(lǐng)域重要進(jìn)展都是來(lái)自于集成工藝的突破?？梢灶A期，未來(lái)Micro-LED顯示的發(fā)展仍將朝著(zhù)微縮化、集成化、陣列轉移化和全彩化進(jìn)一步發(fā)展。

　　LCD、OLED、QLED和Micro-LED顯示器的結構如圖2所示。從圖中可以看出，Micro-LED顯示器結構簡(jiǎn)單，有效降低了光在顯示器內部的損失，減小了顯示器的厚度，更加便于顯示屏的集成。通過(guò)表1可以發(fā)現，相比于其他的自發(fā)光技術(shù)，從表現出的性能看，Micro-LED顯示具有如下顯著(zhù)優(yōu)勢：

表１ 顯示技術(shù)的比較

　　顯示畫(huà)面品質(zhì)高 ：Micro-LED顯示屏沒(méi)有光阻和濾光片的限制，亮度可以輕松達到2000-4000cd/m²，可以實(shí)現超高對比度和高品質(zhì)的HDR顯示效果。

　　能量利用效率高 ：由于Micro-LED是自發(fā)光顯示技術(shù)，沒(méi)有透過(guò)率的限制，功耗比LCD顯示器低90%。此外，LED芯片電光轉換效率高，Micro-LED顯示功耗僅為OLED顯示的50%。

　　使用壽命長(cháng) ：Micro-LED顯示技術(shù)使用無(wú)機物半導體作為發(fā)光材料，性能穩定，材料壽命長(cháng)。

　　04.

　　Micro-LED關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

　　雖然Micro-LED顯示技術(shù)具有顯著(zhù)的優(yōu)勢，但該技術(shù)尚不成熟，在芯片、背板、巨量轉移、全彩化、接合、驅動(dòng)和檢測維修等方面仍然存在一些技術(shù)瓶頸。

　　芯片技術(shù) ：從芯片的技術(shù)角度看，現階段Micro-LED晶圓的波長(cháng)一致性不滿(mǎn)足量產(chǎn)化需求。而且隨著(zhù)芯片尺寸的縮減，發(fā)光效率急速降低。在器件構造過(guò)程中，感應耦合等離子體刻蝕會(huì )造成芯片側壁的損傷，進(jìn)而影響芯片發(fā)光特性和可靠性。

　　背板技術(shù) ：消費電子領(lǐng)域Micro-LED技術(shù)使用的背板有兩種：印刷電路板和玻璃基板。由于刷電路板的膨脹收縮比率較大，且容易翹曲，會(huì )造成巨量轉移效果不良。玻璃基板的尺寸穩定性好，但其橫向和縱向尺寸變化非等向，對加工工藝要求高。

　　巨量 轉移技術(shù) ：芯片制作完成后，需要通過(guò)巨量轉移將其轉移到驅動(dòng)電路背板上。目前Micro-LED的巨量轉移技術(shù)主要有拾取釋放法、激光轉移技術(shù)、流體自組裝技術(shù)和滾輪轉印技術(shù)。巨量轉移技術(shù)面臨的共性問(wèn)題就是精度，要求轉移精度為±1μm。其次，還要求轉移具有極高的良率。

　　全彩化技術(shù) ：Micro-LED的全彩化技術(shù)主要有4種：三色RGB法、紫外/藍光Micro-LED+轉光材料法、透鏡合成法和特殊結構法。三色RGB法用于大像素顯示構造時(shí)，巨量轉移的芯片數量多、難度大，且紅光LED效率不高。第二種方法則對轉光材料的可靠性和波長(cháng)一致性有很高的要求。而目前的熒光粉材料顆粒尺寸大，易造成沉積不均勻。量子點(diǎn)材料尺寸小，但是存在穩定性較差且壽命短等問(wèn)題。透鏡合成法雖然簡(jiǎn)單，但是使用范圍窄，僅適用于投影儀的構建。最后一種方法雖然能夠同時(shí)避免使用高成本的巨量轉移和色轉換材料，但是尚處在研究階段，并不成熟。

　　接合技術(shù) ：Micro-LED的接合技術(shù)主要分3種：預置錫膏技術(shù)、金屬共晶鍵合技術(shù)、微管技術(shù)。由于Micro-LED電極之間距離很小，使用錫膏工藝容易造成芯片正負極之間導通，形成微短路現象。隨著(zhù)芯片尺寸的縮小，芯片與驅動(dòng)電路基底熱膨脹系數的差異會(huì )導致共晶焊只適用于20μm以上芯片。微管技術(shù)一般用于10μm以下接合。

　　驅動(dòng)技術(shù) ：Micro-LED顯示中每個(gè)紅綠藍像素配置一個(gè)驅動(dòng)Micro-IC。Micro-IC能通過(guò)占空比來(lái)調整亮度和色階。由于驅動(dòng)電流太小，通常會(huì )出現低灰階下亮度、色度不穩定的問(wèn)題。

　　Micro-LED在各個(gè)環(huán)節所面臨的技術(shù)瓶頸是共性的，歸結起來(lái)就是：精度→良率→效率→成本的問(wèn)題 。這幾個(gè)問(wèn)題是逐層遞進(jìn)，且具有因果關(guān)系。Micro-LED顯示技術(shù)成立的前提就是精度，如果精度低，就難以實(shí)現高性能的Micro-LED顯示;在保證精度的前提下，良率和效率是降低成本的最重要因素，也是Micro-LED技術(shù)大規模產(chǎn)業(yè)化的前提。目前Micro-LED各環(huán)節基本處于提升精度的階段，距離良率和效率提升階段仍有一段距離。

　　05.

　　Micro-LED顯示應用問(wèn)題分析

　　Micro-LED顯示除了其自身的集成工藝問(wèn)題外，在顯示終端應用時(shí)，由于Micro-LED顯示自身的技術(shù)特點(diǎn)，有一些應用問(wèn)題，直接影響著(zhù)終端顯示的效果，仍然缺乏完美的解決途徑。

　　抗環(huán)境光干擾問(wèn)題 ：與LCD顯示技術(shù)不同，Micro-LED顯示上表面沒(méi)有濾光片，抗環(huán)境光能力差。

　　大角度色偏問(wèn)題 ：色偏問(wèn)題主要由紅綠藍三色芯片光場(chǎng)分布不同和相鄰像素之間發(fā)光串擾問(wèn)題造成。

　　單色場(chǎng)和灰場(chǎng)均勻性的問(wèn)題 ：由于Micro-LED顯示終端多為多塊拼接的，所以很難保證每一塊顯示單元上的所有芯片波長(cháng)都能滿(mǎn)足此要求，另外由于每顆芯片的典型驅動(dòng)電壓均有浮動(dòng)，就會(huì )造成單色場(chǎng)每一塊Micro-LED顯示單元在光色一致性上有所差異。

　　此外，由于拼接基板顏色一致性的問(wèn)題和單元之間及單元之內驅動(dòng)電流的差異，會(huì )形成普遍存在圖7所示的灰場(chǎng)一致性的問(wèn)題。

　　驅動(dòng)功率問(wèn)題 ：Micro-LED顯示技術(shù)由于像素級的控制，需要的驅動(dòng)芯片數量較多，從而導致驅動(dòng)芯片的功率大幅增加，且由于是低電壓、高電流驅動(dòng)，導致電源效率低、線(xiàn)損大。

　　06.

　　總結與展望

　　Micro-LED顯示技術(shù)是對目前主流顯示技術(shù)一個(gè)有效的補充，在應用上填補了目前主流顯示技術(shù)的短板和空白。在超大顯示上利用其可拼接性，可以滿(mǎn)足大尺寸顯示的需求。利用其像素級控光達到的高亮度、高色域、高對比度性能，可以滿(mǎn)足在戶(hù)外、半戶(hù)外及影院場(chǎng)景下使用的需求。超小顯示主要針對VR和AR技術(shù)的應用，利用其超小的晶粒尺寸，可以實(shí)現上千像素密度的需求。

　　此外，Micro-LED顯示的自發(fā)光和材料穩定的特性使其在響應時(shí)間和寬溫工作及儲存上具有優(yōu)勢，能滿(mǎn)足飛機等機載主顯示器在實(shí)時(shí)性和可靠性方面的要求。在驅動(dòng)和背板領(lǐng)域實(shí)現技術(shù)突破后，使用透明塑料薄膜作為基板，可以將任意大小的顯示膜片貼敷于其他載體上，有望實(shí)現顯示無(wú)處不在。利用Micro-LED顯示技術(shù)具有納秒級響應時(shí)間的特性，有可能實(shí)現真正的裸眼3D顯示。

　　由于Micro-LED顯示微縮化、集成化的特征，Micro-LED顯示技術(shù)尚不成熟，對芯片、背板、發(fā)光介質(zhì)等材料提出了更高的要求。在面向應用時(shí)，終端顯示器還存在一系列問(wèn)題。Micro-LED顯示剛開(kāi)始進(jìn)入消費電子領(lǐng)域，距離該技術(shù)大量普及和應用尚有一段時(shí)間。但其所表現出來(lái)的特性，將很快在特殊應用領(lǐng)域推廣開(kāi)來(lái)，并且基于Micro-LED顯示技術(shù)的新功能也在不斷探索之中，也許這些新功能會(huì )給未來(lái)顯示領(lǐng)域帶來(lái)一次革命。

　　論文信息：

　　季洪雷, 張萍萍, 陳乃軍, 等. Micro-LED顯示的發(fā)展現狀與技術(shù)挑戰[J]. 液晶與顯示, 2021, 36(8):1101-1112. DOI：10.37188/CJLCD.2021-0063

　　作者簡(jiǎn)介：

　　季洪雷，博士，TCL電子研發(fā)中心光學(xué)系統高級工程師，2007年于長(cháng)春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事顯示光學(xué)相關(guān)的新材料、新技術(shù)研究和量產(chǎn)化導入工作。

　　來(lái)源：中國光學(xué)