MicroLED會引發(fā)下一次顯示器革命？真相原來是這樣

　　十多年來，屏幕都是由這些設(shè)備進行顯示的–最初這些設(shè)備被放置在傳統(tǒng)的封裝中，最近更多地是在芯片級的封裝中，而且它們現(xiàn)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(jù)顯示屏的尺寸和分辨率，包含紅色、綠色和藍(lán)色芯片的分立封裝LED形成單個像素，間距通常為1mm至40mm。

　　截止今日，LED都沒有被用作為小間距顯示屏中的直接發(fā)光元件-即像素。這種現(xiàn)象是由許多問題造成的，包括成本和制造可行性。但是，使用microLED和亞毫米像素間距生產(chǎn)顯示屏的想法可以追溯到LED起步時期。

　　在過去五年中，開發(fā)基于microLED的顯示器興趣大增，尤其是2014年蘋果公司收購Luxvue之后。去年10月，F(xiàn)acebook收購沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)公司Oculus;而今年5月，夏普收購了另外一家microLED的新創(chuàng)公司eLux，以及最近Google注資瑞典MicroLED制造商Glo。

　　鑒于這些收購，證明microLED不只僅是停留在實驗室。那么，這些大品牌為什么對這項技術(shù)這么感興趣呢?因為microLED可以將獨立的紅色、綠色和藍(lán)色子像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，MicroLED顯示器比OLED的對手要強很多，因為microLED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(huán)境穩(wěn)定性。此外，如蘋果最近的專利文件所示，microLED可以集成傳感器和電路，實現(xiàn)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microLED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“InternationalCES”上，索尼就展出了1920×1080像素的55英寸microLED顯示器，包含620萬個子像素，每個都是可獨立控制的microLED芯片，受到媒體的強烈關(guān)注。但是，索尼對于商業(yè)化還沒有給出時間表，到目前為止，沒有一臺microLED電視機進入市場。

　　microLED本質(zhì)上是一項很復(fù)雜的技術(shù)

　　今天，microLED還沒有一個普遍認(rèn)可的定義。但是，一般來說，microLED被認(rèn)為是總表面小于2500mm2的LED芯片。這相當(dāng)于是50mm×50mm的正方形，或直徑為55mm的圓形芯片。根據(jù)這一定義，microLED今天已經(jīng)出現(xiàn)在市場上了：索尼在2016年再次亮相，采用小間距大型LED視頻墻的形式，傳統(tǒng)的LED封裝由microLED替代。

　　制造microLED顯示器的技術(shù)涉及方方面面：將LED基板加工成準(zhǔn)備用于拾取和轉(zhuǎn)移到接收基板的microLED陣列，用于集成到非均勻集成的系統(tǒng)中：顯示器。顯示器又集成LED、像素驅(qū)動晶體管、光學(xué)器件等。外延片可容納數(shù)億microLED芯片。

　　實現(xiàn)MicroLED顯示屏有兩個主要選項。一個是將microLED單獨或分組地拾取并轉(zhuǎn)移到薄膜晶體管驅(qū)動矩陣上，這類似于OLED顯示器中使用的;另一個是使用CMOS驅(qū)動電路將數(shù)十萬個MicroLED的完整單片陣列組合起來。

　　如果采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2500萬個microLED芯片(假設(shè)沒有像素冗余)到晶體管背板。用傳統(tǒng)的拾放設(shè)備操縱這樣的小型設(shè)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。

　　為了解決這個問題，像蘋果、X-Celeprint等數(shù)十家公司已經(jīng)開發(fā)出大規(guī)模的并聯(lián)抓取技術(shù)。他們可以同時加工數(shù)萬到數(shù)百萬的microLED。但是，當(dāng)microLED尺寸僅為10μm時，以足夠的精度加工和放置非常具有挑戰(zhàn)性。

　　還有一些與LED芯片相關(guān)的問題要克服。當(dāng)其尺寸非常小時，其性能會受到與表面和內(nèi)部缺陷(例如開放式粘合、污染和結(jié)構(gòu)損壞)相關(guān)的側(cè)壁效應(yīng)的影響。這些缺陷導(dǎo)致非輻射載體重組加速。側(cè)壁效應(yīng)可以延伸到類似于載體擴散長度的距離(通常為1mm至10mm)：這在傳統(tǒng)的LED中并不重要，因為其具有數(shù)百微米的邊緣，但在microLED中卻是十分致命的。在這些設(shè)備中，它可以限制芯片整個體積的效率。

　　由于這些缺陷，microLED的峰值效率通常低于10%，當(dāng)設(shè)備尺寸低于5mm時，它的峰值效率可能小于1%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前最好的傳統(tǒng)藍(lán)光發(fā)射的‘macro’LED，它現(xiàn)在可以產(chǎn)生超過70%的外部量子峰值效率。

　　更糟的是，microLED通常必須以非常低的電流密度運行。它們通常在低于1-10Acm-2峰值效率區(qū)域驅(qū)動，因為即使在這種低效率下，LED也是非常明亮的。如果一臺帶microLED的手機以其最高效率運行，其顯示屏將提供高達(dá)數(shù)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，以至于膽大的用戶都不敢看。

　　當(dāng)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(shù)不能實現(xiàn)其削減能量消耗的承諾。因此，解決這個問題就成為microLED公司的優(yōu)先事項。提高效率的辦法包括引入新的芯片設(shè)計和改進制造技術(shù)。這兩種方法都可以減少側(cè)壁缺陷并使電載體遠(yuǎn)離芯片的邊緣。

　　microLEDs的開發(fā)人員也面臨與色彩轉(zhuǎn)換、光提取和光束成形有關(guān)的挑戰(zhàn)。

　　現(xiàn)代顯示屏的另一個要求就是消除壞點或有缺陷的像素。在外延、芯片制造和轉(zhuǎn)移方面實現(xiàn)100%的綜合收益率是不太可能的，所以microLED顯示器制造商必須制定有效的缺陷管理策略，可以包括像素冗余和單個像素修復(fù)，這得取決于顯示器的特性和成本。

　　目前MicroLED最容易實現(xiàn)的領(lǐng)域

　　MicroLED能夠部署在從最小到最大的任何顯示應(yīng)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(chǎn)可行性和經(jīng)濟成本限制了其使用。然而，詳細(xì)的分析表明，智能手表和其他可穿戴產(chǎn)品，如AR/MR應(yīng)用的微型顯示器，最能顯示microLED顯示器的性能。

　　其中，在智能手表上實現(xiàn)microLED是最有可能的，因為智能手表具有相對較少的像素數(shù)和中等范圍的像素密度，因此，芯片和組裝成本效率高，也最接近microLED當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的狀態(tài)。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(huán)境下良好的可讀性。

　　如果這些顯示器開始大量出現(xiàn)，那么在顯示器前端平面內(nèi)可引入各種傳感器，例如可以讀取指紋并提供手勢識別。

　　microLED的另一個主要機會就是增強現(xiàn)實(AR)和混合現(xiàn)實(MR)的頭戴式顯示器。在虛擬現(xiàn)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(yīng)用則將計算機生成的圖像覆蓋到現(xiàn)實世界中。

　　▲MicroLED顯示器是通過將晶片切割成微小器件，并以并行拾取和放置技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到晶體管底板。

　　▲MicroLED顯示器是通過將晶片切割成微小器件，并以并行拾取和放置技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到晶體管底板。

　　這些應(yīng)用的要求之一是，覆蓋的圖像要足夠亮，可與環(huán)境光競爭，特別是在戶外應(yīng)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(xué)效率小于10%的復(fù)合投影或波導(dǎo)光學(xué)器件將圖像投影到眼睛上。這些要求決定了顯示器的亮度范圍從10，000到50，000Nits，這比市場上最好的手機的亮度高出10倍到50倍。

　　今天，microLED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(yīng)用于汽車和其他環(huán)境中的平視顯示器中-這類顯示器可以被認(rèn)為是AR的一種形式。

　　microLED想努力產(chǎn)生影響的市場就是智能手機。目前，OLED顯示器已經(jīng)以非常有競爭力的成本提供了非常出色的性能。如果microLED也參與其中，則子像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。在電視上取得成功則可能更容易。在這種情況下，缺點是像素密度相對較低，在4K、55英寸電視中的間距約為100毫米。低密度阻礙了轉(zhuǎn)移技術(shù)的效率，因為每個周期需要移動數(shù)千個芯片，而智能手機或智能手表則是數(shù)十萬個。想在這個市場上蓬勃發(fā)展，就需要開發(fā)替代的高效率裝配技術(shù)。