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MicroLED浅析:优势、技术难点及可实现领域 / 2017-11-14

摘要: 尽管固态照明迅速发展,但是显示屏的背光仍然是LED的实质性市场。十多年来,屏幕都是由这些设备进行显示的最初这些设备被放置在传统的封装中,最近更多地是在芯片级的封装中,而且它们现在是LCD的背光源。LED封装的一个最成功案例是作为大型视频广告牌中的光源,比如在体育场馆、商场等。根据显示屏的尺寸和分辨率,包含红色、绿色和蓝色芯片的分立封装LED形成单个像素,....

尽管固态照明迅速发展,但是显示屏的背光仍然是LED的实质性市场。十多年来,屏幕都是由这些设备进行显示的最初这些设备被放置在传统的封装中,最近更多地是在芯片级的封装中,而且它们现在是LCD的背光源。

LED封装的一个最成功案例是作为大型视频广告牌中的光源,比如在体育场馆、商场等。根据显示屏的尺寸和分辨率,包含红色、绿色和蓝色芯片的分立封装LED形成单个像素,间距通常为1 mm至40 mm。

截止今日,LED都没有被用作为小间距显示屏中的直接发光元件,即像素。这种现象是由许多问题造成的,包括成本和制造可行性。但是,使用MicroLED和亚毫米像素间距生产显示屏的想法可以追溯到LED起步时期。

在过去五年中,开发基于MicroLED的显示器兴趣大增,尤其是2014年苹果公司收购Luxvue之后。去年10月,Facebook收购沉浸式虚拟现实技术公司Oculus;而今年5月,夏普收购了另外一家MicroLED的新创公司eLux,以及最近Google注资瑞典Micro LED制造商Glo。

鉴于这些收购,证明microLED不只仅是停留在实验室。那么,这些大品牌为什么对这项技术这么感兴趣呢?因为microLED可以将独立的红色、绿色和蓝色子像素作为独立可控的光源,能够形成具有高对比度、高速和宽视角的显示器。

事实上,MicroLED显示器比OLED的对手要强很多,因为MicroLED有更宽的色域、带来更高的亮度、更低的功耗、更长的使用寿命、更强的耐用性和更好的环境稳定性。此外,如苹果最近的专利文件所示,MicroLED可以集成传感器和电路,实现具有嵌入式感测功能的薄型显示器,如指纹识别和手势控制。

虽然MicroLED仍然还未进入市场,但是它们还不只是停留在纸上的想法。在2012年1月的“International CES”上,索尼就展出了1920×1080像素的55英寸MicroLED显示器,包含620万个子像素,每个都是可独立控制的MicroLED芯片,受到媒体的强烈关注。但是,索尼对于商业化还没有给出时间表,到目前为止,没有一台microLED电视机进入市场。

MicroLED本质上是一项很复杂的技术

今天,MicroLED还没有一个普遍认可的定义。但是,一般来说,MicroLED被认为是总表面小于2500 mm2的LED芯片。这相当于是50mm×50mm的正方形,或直径为55mm的圆形芯片。 根据这一定义,microLED今天已经出现在市场上了: 索尼在2016年再次亮相,采用小间距大型LED视频墙的形式,传统的LED封装由MicroLED替代。

制造MicroLED显示器的技术涉及方方面面:将LED基板加工成准备用于拾取和转移到接收基板的MicroLED阵列,用于集成到非均匀集成的系统中:显示器。显示器又集成LED、像素驱动晶体管、光学器件等。外延片可容纳数亿MicroLED芯片。

实现MicroLED显示屏有两个主要选项。一个是将MicroLED单独或分组地拾取并转移到薄膜晶体管驱动矩阵上,这类似于OLED显示器中使用的;另一个是使用CMOS驱动电路将数十万个MicroLED的完整单片阵列组合起来。

如果采用这两种方法中的第一种,则组装一个4K显示器需要拾取、放置和单独连接2500万个MicroLED芯片到晶体管背板。用传统的拾放设备操纵这样的小型设备,每小时的加工速度约为25,000个单位。这太慢了, 组装单个显示器将需要一个月的时间。

为了解决这个问题,像苹果、X-Celeprint等数十家公司已经开发出大规模的并联抓取技术。他们可以同时加工数万到数百万的MicroLED。但是,当MicroLED尺寸仅为10μm时,以足够的精度加工和放置非常具有挑战性。

还有一些与LED芯片相关的问题要克服。当其尺寸非常小时,其性能会受到与表面和内部缺陷相关的侧壁效应的影响。这些缺陷导致非辐射载体重组加速。侧壁效应可以延伸到类似于载体扩散长度的距离:这在传统的LED中并不重要,因为其具有数百微米的边缘,但在MicroLED中却是十分致命的。在这些设备中,它可以限制芯片整个体积的效率。

由于这些缺陷,MicroLED的峰值效率通常低于10%,当设备尺寸低于5mm时,它的峰值效率可能小于1%,这远远低于目前最好的传统蓝光发射的“macro”LED,它现在可以产生超过70%的外部量子峰值效率。

更糟的是,MicroLED通常必须以非常低的电流密度运行。它们通常在低于1-10 A cm-2峰值效率区域驱动,因为即使在这种低效率下,LED也是非常明亮的。如果一台带MicroLED的手机以其最高效率运行,其显示屏将提供高达数以万计nits的亮度,比目前市场上更亮的手机高出一个级别。屏幕会很亮,以至于胆大的用户都不敢看。

当LED以非常低的电流密度工作时,它们的效率非常低,使得该技术不能实现其削减能量消耗的承诺。因此,解决这个问题就成为MicroLED公司的优先事项。提高效率的办法包括引入新的芯片设计和改进制造技术。这两种方法都可以减少侧壁缺陷并使电载体远离芯片的边缘。

MicroLEDs的开发人员也面临与色彩转换、光提取和光束成形有关的挑战。现代显示屏的另一个要求就是消除坏点或有缺陷的像素。在外延、芯片制造和转移方面实现100%的综合收益率是不太可能的,所以MicroLED显示器制造商必须制定有效的缺陷管理策略,可以包括像素冗余和单个像素修复,这得取决于显示器的特性和成本。

目前MicroLED最容易实现的领域

MicroLED能够部署在从最小到最大的任何显示应用中。在许多情况下,它们将比LCD和OLED显示器的最终组合更好。但是,生产可行性和经济成本限制了其使用。然而,详细的分析表明,智能手表和其他可穿戴产品,如AR / MR应用的微型显示器,最能显示MicroLED显示器的性能。

其中,在智能手表上实现MicroLED是最有可能的,因为智能手表具有相对较少的像素数和中等范围的像素密度,因此,芯片和组装成本效率高,也最接近MicroLED当前技术发展的状态。它们具有潜在的差异化功能,包括能够延长电池寿命、降低功耗以及更高的亮度,从而提供户外环境下良好的可读性。

如果这些显示器开始大量出现,那么在显示器前端平面内可引入各种传感器,例如可以读取指纹并提供手势识别。

MicroLED的另一个主要机会就是增强现实和混合现实的头戴式显示器。在虚拟现实中,用户佩戴完全封闭的头戴式显示器将其与外界视觉隔离;而AR和MR应用则将计算机生成的图像覆盖到现实世界中。

♦ MicroLED显示器是通过将晶片切割成微小器件,并以并行拾取和放置技术将其转移到晶体管底板

这些应用的要求之一是,覆盖的图像要足够亮,可与环境光竞争,特别是在户外应用中。

为了满足这些条件,显示器必须放在不引人注意的位置,使用光学效率小于10%的复合投影或波导光学器件将图像投影到眼睛上。这些要求决定了显示器的亮度范围从10,000到50,000 Nits,这比市场上最好的手机的亮度高出10倍到50倍。

今天,MicroLED是唯一有潜力提供这些亮度水平的候选,同时保持合理的功耗和紧凑性。令人鼓舞的是,同样的推理可以应用于汽车和其他环境中的平视显示器中,这类显示器可以被认为是AR的一种形式。

MicroLED想努力产生影响的市场就是智能手机。目前,OLED显示器已经以非常有竞争力的成本提供了非常出色的性能。如果MicroLED也参与其中,则子像素的尺寸必须减小到几微米,这样的话,提供可接受的效率会更难。

在电视上取得成功的可能则更高。在这种情况下,缺点是像素密度相对较低,在4K、55英寸电视中的间距约为100毫米。低密度阻碍了转移技术的效率,因为每个周期需要移动数千个芯片,而智能手机或智能手表则是数十万个。想在这个市场上蓬勃发展,就需要开发替代的高效率装配技术。

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