8K超清超亮全色域MiniLED智能電視技術(shù)研究

0   引言

隨著平板電視大尺寸化超清超亮趨勢(shì)的持續(xù)發(fā)酵，加上國(guó)內(nèi)5G 技術(shù)的興起，8K 超高分辨率面板產(chǎn)業(yè)鏈逐漸建立，整機(jī)廠如創(chuàng)維、TCL、康佳、海信等傳統(tǒng)TV大廠也積極投入預(yù)研。2019 年8 月31 日，TCL 華星首款75 英寸8K MiniLED 屏被正式命名為“星曜”并向全球發(fā)布。2020 年4 月22 日，長(zhǎng)虹通過(guò)線上直播召開(kāi)5G+8K 全球發(fā)布會(huì)。隨著2020 東京奧運(yùn)會(huì)及2022 年北京冬奧會(huì)體育賽事的拉動(dòng)，8K 搭配MiniLED 高端產(chǎn)品的滲透率會(huì)進(jìn)一步拉高，預(yù)計(jì)2022 年，中國(guó)超高清視頻產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模超過(guò)4 萬(wàn)億元，4K 產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系基本完善，8K 關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得突破，形成一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)。有關(guān)部分預(yù)計(jì)，2023 年8K 相關(guān)產(chǎn)品出貨規(guī)模將會(huì)達(dá)到11M 臺(tái)，市場(chǎng)滲透率逼近5%。

目前8K 面板及MiniLED 背光顯示屏已被多廠家應(yīng)用到高端屛體產(chǎn)品中，MiniLED 因其可以融合8K 超高分辨率液晶面板，實(shí)現(xiàn)超清超亮多分區(qū)新形態(tài)智能電視，目前已經(jīng)成為下一代顯示屏的關(guān)鍵技術(shù)。

本文主要討論8K超清面板搭配MiniLED的應(yīng)用方法。

1   8K和MiniLED

1.1 什么是8K

所謂8K 電視，所指的是顯示屏幕的分辨率，即顯示屏幕水平像素加上垂直像素的數(shù)量。8K(7 680×4 320像素) 水平分辨率為7 680像素，垂直分辨率為4 320像素，是4K(3 840×2 160 像素) 的4 倍，是高清(1 920×1 080分辨率) 的16 倍?？傁袼攸c(diǎn)從4K 的800 萬(wàn)直接提升到3 300 萬(wàn)左右。相同尺寸比較，畫(huà)面上的像素量越多，顯示的畫(huà)面效果就越好，從而可以看到更精細(xì)的細(xì)節(jié)。

另一方面，單位面積的像素總量直接決定了顯示的細(xì)節(jié)效果，隨著平板電視大尺寸化需求，8K 分辨率成為高端產(chǎn)品的必備選擇，例如100 英寸電視8K 分辨率的細(xì)節(jié)顯示效果與50 英寸電視4K 分辨率顯示效果相同。

1.2 什么是MiniLED

MiniLED 也被稱為“百微米級(jí)發(fā)光二極管”，是最近幾年在小間距LED 基礎(chǔ)上所衍生出的新型LED顯示技術(shù)，MiniLED 是傳統(tǒng)LED 和MicroLED 之間的過(guò)渡技術(shù)，其像素尺寸和制備難度也介于兩者之間，是傳統(tǒng)LED 背光的改進(jìn)版本。目前行業(yè)認(rèn)為芯片尺寸(100~200) μm 之間可以稱為MiniLED。對(duì)比于其他顯示技術(shù)，MiniLED 具有如下優(yōu)勢(shì)：

1) 繼承了無(wú)機(jī)LED 的高效率、高亮度、高可靠度以及反應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)；

2) 具備節(jié)能、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易、體積小、薄型（與OLED相當(dāng)）等優(yōu)勢(shì)；

3) 對(duì)比于傳統(tǒng)的背光設(shè)計(jì)，MiniLED 能在更小的混光距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)更好的亮度均勻性，配合區(qū)域調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)更高的的對(duì)比度，以及更加細(xì)膩的畫(huà)質(zhì)體驗(yàn)；

4) 相比OLED，MiniLED 的色彩更容易準(zhǔn)確的調(diào)試，有更長(zhǎng)的發(fā)光壽命和更高的亮度以及具有更佳的材料穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

目前市場(chǎng)上的MiniLED 可分為被動(dòng)式（Passive Matrix，PM） 及主動(dòng)式（Active Matrix，AM），AM MiniLED 技術(shù)一般采用玻璃基板，以TFT作為驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)矩陣式驅(qū)動(dòng)，分區(qū)數(shù)越多，越能顯現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。

除了成本更有競(jìng)爭(zhēng)力之外，規(guī)格也能做到媲美OLED 的水準(zhǔn)。而目前市場(chǎng)上MiniLED 設(shè)計(jì)方式主要采用被動(dòng)式矩陣, 一般采用PCB 基板，其弊端是LED 驅(qū)動(dòng)IC 的用量會(huì)隨著背光分區(qū)數(shù)的提升而同步增加，除了需要用比較大的驅(qū)動(dòng)板，用于分區(qū)的FFC 也特別多，生產(chǎn)工藝及成本也會(huì)提高。AM MiniLED 則使用了玻璃的TFT制作工藝，線路可以做得更窄，可在較高分區(qū)的情況下工藝更簡(jiǎn)單，更具有可量產(chǎn)性及成本優(yōu)勢(shì)。液晶屏廠如京東方（BOE）、華星光電（CSOT）等利用TFT 資源優(yōu)勢(shì)^[1]，大力研發(fā)AM MiniLED 技術(shù)，預(yù)計(jì)2021 年會(huì)有更多的AM MiniLED 產(chǎn)品面世。

2   模組設(shè)計(jì)方案及其風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)探討

本文主要是針對(duì)8K 超高分辨率面板搭配MiniLED顯示背光系統(tǒng)的驗(yàn)證，主要從8K 面板應(yīng)用設(shè)計(jì)、LED的驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)進(jìn)行摸底，實(shí)現(xiàn)的效果是超多分區(qū)（考慮可生產(chǎn)性PM 建議做1 000 分區(qū)以下，AM 可做到5 000+ 分區(qū)），圖像與背光精準(zhǔn)對(duì)位的超高對(duì)比度，兼顧高亮度高色域性能。在此，對(duì)系統(tǒng)框架圖以及模組設(shè)計(jì)方案進(jìn)行概述。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.1 8K與4K的液晶玻璃參數(shù)對(duì)比

如前所述，8K 分辨率是4K 的4 倍、高清的16 倍。下面以京東方8K（HV750SUB-N90）與4K（HV750QUB-F90）為例，對(duì)比介紹主要不同點(diǎn)，如表1 所示。

2.2 8K匹配MiniLED背光實(shí)現(xiàn)方案

本文主要討論8K 液晶玻璃搭配MiniLED 的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，需攻克的難關(guān)包括機(jī)構(gòu)匹配8K 液晶玻璃可靠性、光源效率、模組厚度等，相鄰MiniLED PCB 拼縫造成的主觀暗帶、燈板變形問(wèn)題，畫(huà)質(zhì)方面，Local dimming功能下背光邊界明顯等。以75 英寸8K 搭配MiniLED背光，相關(guān)信息如表2。

表1 8K與4K參數(shù)對(duì)比

表2 75英寸8K搭配MiniLED背光的參數(shù)

2.2.1 驅(qū)動(dòng)方案

PM 燈板為解決驅(qū)動(dòng)在Mini 燈板后面而影響的散熱、模組厚度及驅(qū)動(dòng)方案穩(wěn)定性問(wèn)題，整體驅(qū)動(dòng)方案采用燈區(qū)分離，單獨(dú)恒流板，恒流驅(qū)動(dòng)IC 采用愛(ài)瓦特7038，單顆IC 支持16 分區(qū)調(diào)光。

2.2.2 散熱問(wèn)題

由于8K 面板穿透率較低，一般為3%~3.5%，較同尺寸4K 面板降低30%~40%。如果保持亮度不變，系統(tǒng)輸入總能量需要提高30%~40%。另一方面，多分區(qū)MiniLED 樣機(jī)均存在功耗大，固定位置（包含背板、LED、混光腔體、燈條線接口等）溫度高的問(wèn)題，所以模組散熱是重中之重，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1) 采用高光效低熱阻的NCSP 工藝燈珠或者COB燈板。

NSCP 燈珠為倒裝晶片焊接在BT 基板上(COB)，通過(guò)模具封膠切割形成普通封裝LED，熱阻較小，熱傳導(dǎo)較快，燈珠發(fā)光效率相應(yīng)的提高。

2) 采用高導(dǎo)熱、高耐熱性FR4 板子或者玻璃基板。

●   PM 燈板使用的FR4 為高Tg 線路板，耐熱性及熱傳導(dǎo)性都優(yōu)于普通FR4 基板；

●   AM 燈板使用玻璃基板也具有良好的導(dǎo)熱性能。

3)LED 電壓分BIN 細(xì)分到0.05 V，防止串并聯(lián)后電壓差值累計(jì)導(dǎo)致分流不均，LED 散熱影響，恒流板MOS 管壓差超標(biāo)溫升較高。

4) 燈板粘貼到背板使用具有一定導(dǎo)熱性能的雙面膠或者進(jìn)行點(diǎn)膠工藝。

5) 使用高反射、高穩(wěn)定性油墨（92%+ 反射率），以此可降低電流，減少熱量。

2.2.3 背板平整度問(wèn)題

●   燈板邊緣翹起引起的主觀不良；

●   背板局部變形對(duì)燈珠引起失效；

●   背板變形對(duì)玻璃基板造成破裂。

所以對(duì)背板平整度要求較高，建議使用鋼塑背板。

2.3.3 模組厚度問(wèn)題

Mini-LED 背光方案以可以實(shí)現(xiàn)更小的混光距離作為其最為顯著的優(yōu)點(diǎn)之一，因此有望實(shí)現(xiàn)更薄的模組厚度。Mini 燈板設(shè)計(jì)最低可做OD0，但因成本問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合整機(jī)造型，建議在OD5~OD12，保證模組厚度整機(jī)造型，且成本較OLED 有較大優(yōu)勢(shì)。

2.4 主觀問(wèn)題

1) 拼縫暗影問(wèn)題：燈板之間的拼縫暗影，需要通過(guò)增加反射片來(lái)解決，且為防止貼反射片引起反射率高于PCB 的現(xiàn)象，反射片需根據(jù)不同的Pitch 選擇不同程度的黑色絲印，以達(dá)到亮度均勻的效果。

2) 白場(chǎng)邊緣發(fā)藍(lán)問(wèn)題：因藍(lán)光會(huì)通過(guò)邊緣反射到四邊，邊緣會(huì)有發(fā)藍(lán)問(wèn)題，所以需要邊緣涂黃色絲印來(lái)解決色彩一致性問(wèn)題，黃色絲印可在膜片上進(jìn)行。

3) 燈板之間亮度差異：為提高可生產(chǎn)性，PCB 燈板上都無(wú)反射片，PCB 回流焊后或者維修后會(huì)出現(xiàn)不同程度的顏色不一致，此對(duì)油墨的穩(wěn)定性要求高。

4) 分區(qū)之間的亮度色彩差異：防止各分區(qū)之間晶片波長(zhǎng)差異導(dǎo)致激發(fā)的顏色差異，電壓差異導(dǎo)致的分流不均出現(xiàn)亮度差異，晶片的波長(zhǎng)及電壓按照1.5 nm 以及0.05 V 進(jìn)行管控。

2.5 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1) 主觀與光學(xué)一致性問(wèn)題單片的LED 芯片波長(zhǎng)需要盡可能縮小范圍，常規(guī)的波段和光通量的分BIN 區(qū)間需減小，防止出現(xiàn)局部偏色或者亮度不一致問(wèn)題。

為此，波長(zhǎng)按照1.5 nm，電壓按照0.05 V 管控，需上游資源配合。

2) 拼縫視效問(wèn)題（受SMT/ 點(diǎn)膠機(jī)等設(shè)備限制，燈板為多塊板子組裝）。

拼縫使用帶有黑色絲印的反射片粘貼。

3) 軟件畫(huà)質(zhì)配合調(diào)整，解決local dimming 模式下

的背光邊界明顯問(wèn)題。需進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)保證邊界過(guò)度均勻（電流遞變或者demura 技術(shù)）。

4) 燈板變形問(wèn)題

采用高階FR4，盡量減少變形量，同步使用鋼塑背板，使用雙面膠/ 點(diǎn)膠，使整體燈板平整。

5) 燈板提高亮度問(wèn)題

為在不增加功率的基礎(chǔ)上增加亮度，可提高燈板油墨反射率，使用高反射率（92%）高穩(wěn)定性油墨或者燈板粘貼反射片（99% 反射率，但是加工較難，需開(kāi)發(fā)自動(dòng)化設(shè)備）。

6) 生產(chǎn)效率問(wèn)題

重點(diǎn)在燈板粘貼工位，需開(kāi)發(fā)治具提高粘貼精準(zhǔn)度及效率。

3   結(jié)語(yǔ)

8K 超高清可以達(dá)到畫(huà)面顯示的至臻效果，畫(huà)面細(xì)膩程度是無(wú)可比擬的。而MiniLED 在亮度、功耗、對(duì)比度、區(qū)域調(diào)光等方面較普通LED 有大幅提高，兩者融合后，在亮度、色彩調(diào)整以及產(chǎn)品穩(wěn)定性上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于OLED。但是，作為新興技術(shù)，8K 分辨率面板搭配MiniLED 技術(shù)，目前尚有許多不足之處。如何縮短8K超高分辨率面板搭配MiniLED 技術(shù)的開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品量產(chǎn)能力及降低生產(chǎn)成本，是決定MiniLED 產(chǎn)品進(jìn)入大批量商品化時(shí)程的最重要因素。另外，新型主動(dòng)式AM MiniLED 采用TFT 開(kāi)關(guān)控制LED，可實(shí)現(xiàn)像素級(jí)分區(qū)效果，且產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)及外觀造型更有優(yōu)勢(shì)，其工藝與液晶玻璃面板TFT 類似，延伸液晶玻璃產(chǎn)業(yè)鏈，提高資源配置效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 京東方、兆馳、創(chuàng)維技術(shù)交流會(huì).

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年1月期）