Micro-LED顯示的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)挑戰(zhàn)

近日，TCL電子研發(fā)中心光學(xué)系統(tǒng)工程師季洪雷博士團(tuán)隊(duì)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(xiàn)狀與技術(shù)挑戰(zhàn)”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(zhàn)進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)總結(jié)了Micro-LED在工程領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)，最后對(duì)Micro-LED技術(shù)的未來發(fā)展方向進(jìn)行了探討。Micro-LED在芯片、巨量轉(zhuǎn)移、全彩化等方面仍存在技術(shù)挑戰(zhàn)，但其所展現(xiàn)出的高分辨、快響應(yīng)、低能耗、長(zhǎng)壽命等突出特點(diǎn)，能滿足超小和超大顯示的需求，如虛擬/增強(qiáng)顯示和電子廣告牌，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛研究。
1. 引言
Micro-LED顯示利用微米尺寸的無機(jī)LED器件作為發(fā)光像素，來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)發(fā)光矩陣式顯示。從顯示技術(shù)原理來講，Micro-LED與有機(jī)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顯示使用無機(jī)GaN等LED芯片，其發(fā)光性能優(yōu)異、壽命長(zhǎng)。由于Micro-LED優(yōu)異的性能和潛在的應(yīng)用價(jià)值，自被提出以來，學(xué)術(shù)界已經(jīng)掀起了相關(guān)技術(shù)研究的浪潮。
隨著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年蘋果公司收購(gòu)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(guó)內(nèi)的終端廠和芯片廠也紛紛加入Micro-LED陣營(yíng)。雖然Micro-LED的顯示應(yīng)用前景逐漸明朗，然而現(xiàn)階段還存在很多的技術(shù)挑戰(zhàn)有待解決。
２. Micro-LED顯示技術(shù)的定義
目前Micro-LED的定義尚未有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)形成，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景、研究環(huán)境，不同的學(xué)者、專家對(duì)Micro-LED有著不同的理解。
顯示應(yīng)用場(chǎng)景是決定Micro-LED芯片尺寸的主要因素。從消費(fèi)電子終端應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)于Micro-LED的定義應(yīng)該根據(jù)觀看距離和人眼的極限分辨率進(jìn)行計(jì)算。例如，如果按照發(fā)光面積占像素面積的10%計(jì)算。在虛擬現(xiàn)實(shí)VR和增強(qiáng)顯示AR應(yīng)用時(shí)，觀看距離約為5cm左右，像素密度需要達(dá)到1800ppi左右。此時(shí)Micro-LED芯片的尺寸應(yīng)為3-5μm。對(duì)于10-12英寸的平板顯示器，按照300ppi的像素密度，對(duì)應(yīng)的芯片尺寸為20-30μm。而對(duì)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。
３. Micro-LED顯示技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)勢(shì)
Micro-LED顯示技術(shù)是繼藍(lán)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(xiàn)這一領(lǐng)域重要進(jìn)展都是來自于集成工藝的突破?？梢灶A(yù)期，未來Micro-LED顯示的發(fā)展仍將朝著微縮化、集成化、陣列轉(zhuǎn)移化和全彩化進(jìn)一步發(fā)展。

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

表１ 顯示技術(shù)的比較

顯示畫面品質(zhì)高：Micro-LED顯示屏沒有光阻和濾光片的限制，亮度可以輕松達(dá)到2000-4000cd/m2，可以實(shí)現(xiàn)超高對(duì)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)，沒有透過率的限制，功耗比LCD顯示器低90%。此外，LED芯片電光轉(zhuǎn)換效率高，Micro-LED顯示功耗僅為OLED顯示的50%。
使用壽命長(zhǎng)：Micro-LED顯示技術(shù)使用無機(jī)物半導(dǎo)體作為發(fā)光材料，性能穩(wěn)定，材料壽命長(zhǎng)。
４. Micro-LED關(guān)鍵技術(shù)問題分析
雖然Micro-LED顯示技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)尚不成熟，在芯片、背板、巨量轉(zhuǎn)移、全彩化、接合、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)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(xiàn)階段Micro-LED晶圓的波長(zhǎng)一致性不滿足量產(chǎn)化需求。而且隨著芯片尺寸的縮減，發(fā)光效率急速降低。在器件構(gòu)造過程中，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕會(huì)造成芯片側(cè)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(fèi)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(zhuǎn)移效果不良。玻璃基板的尺寸穩(wěn)定性好，但其橫向和縱向尺寸變化非等向，對(duì)加工工藝要求高。
巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)：芯片制作完成后，需要通過巨量轉(zhuǎn)移將其轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)電路背板上。目前Micro-LED的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)主要有拾取釋放法、激光轉(zhuǎn)移技術(shù)、流體自組裝技術(shù)和滾輪轉(zhuǎn)印技術(shù)。巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)面臨的共性問題就是精度，要求轉(zhuǎn)移精度為±1μm。其次，還要求轉(zhuǎn)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(lán)光Micro-LED＋轉(zhuǎn)光材料法、透鏡合成法和特殊結(jié)構(gòu)法。三色RGB法用于大像素顯示構(gòu)造時(shí)，巨量轉(zhuǎn)移的芯片數(shù)量多、難度大，且紅光LED效率不高。第二種方法則對(duì)轉(zhuǎn)光材料的可靠性和波長(zhǎng)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(wěn)定性較差且壽命短等問題。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(gòu)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(zhuǎn)移和色轉(zhuǎn)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(yù)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(fù)極之間導(dǎo)通，形成微短路現(xiàn)象。隨著芯片尺寸的縮小，芯片與驅(qū)動(dòng)電路基底熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)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(qū)動(dòng)技術(shù)：Micro-LED顯示中每個(gè)紅綠藍(lán)像素配置一個(gè)驅(qū)動(dòng)Micro-IC。Micro-IC能通過占空比來調(diào)整亮度和色階。由于驅(qū)動(dòng)電流太小，通常會(huì)出現(xiàn)低灰階下亮度、色度不穩(wěn)定的問題。
Micro-LED在各個(gè)環(huán)節(jié)所面臨的技術(shù)瓶頸是共性的，歸結(jié)起來就是：精度→良率→效率→成本的問題。這幾個(gè)問題是逐層遞進(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(xiàn)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(guī)模產(chǎn)業(yè)化的前提。目前Micro-LED各環(huán)節(jié)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。
5. Micro-LED顯示應(yīng)用問題分析
Micro-LED顯示除了其自身的集成工藝問題外，在顯示終端應(yīng)用時(shí)，由于Micro-LED顯示自身的技術(shù)特點(diǎn)，有一些應(yīng)用問題，直接影響著終端顯示的效果，仍然缺乏完美的解決途徑。
抗環(huán)境光干擾問題：與LCD顯示技術(shù)不同，Micro-LED顯示上表面沒有濾光片，抗環(huán)境光能力差。
大角度色偏問題：色偏問題主要由紅綠藍(lán)三色芯片光場(chǎng)分布不同和相鄰像素之間發(fā)光串?dāng)_問題造成。
單色場(chǎng)和灰場(chǎng)均勻性的問題：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(zhǎng)都能滿足此要求，另外由于每顆芯片的典型驅(qū)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題和單元之間及單元之內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流的差異，會(huì)形成普遍存在圖７所示的灰場(chǎng)一致性的問題。

驅(qū)動(dòng)功率問題：Micro-LED顯示技術(shù)由于像素級(jí)的控制，需要的驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)量較多，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)芯片的功率大幅增加，且由于是低電壓、高電流驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致電源效率低、線損大。
６. 總結(jié)與展望
Micro-LED顯示技術(shù)是對(duì)目前主流顯示技術(shù)一個(gè)有效的補(bǔ)充，在應(yīng)用上填補(bǔ)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，可以滿足大尺寸顯示的需求。利用其像素級(jí)控光達(dá)到的高亮度、高色域、高對(duì)比度性能，可以滿足在戶外、半戶外及影院場(chǎng)景下使用的需求。超小顯示主要針對(duì)VR和AR技術(shù)的應(yīng)用，利用其超小的晶粒尺寸，可以實(shí)現(xiàn)上千像素密度的需求。此外，Micro-LED顯示的自發(fā)光和材料穩(wěn)定的特性使其在響應(yīng)時(shí)間和寬溫工作及儲(chǔ)存上具有優(yōu)勢(shì)，能滿足飛機(jī)等機(jī)載主顯示器在實(shí)時(shí)性和可靠性方面的要求。在驅(qū)動(dòng)和背板領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)顯示無處不在。利用Micro-LED顯示技術(shù)具有納秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間的特性，有可能實(shí)現(xiàn)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(duì)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(yīng)用時(shí)，終端顯示器還存在一系列問題。Micro-LED顯示剛開始進(jìn)入消費(fèi)電子領(lǐng)域，距離該技術(shù)大量普及和應(yīng)用尚有一段時(shí)間。但其所表現(xiàn)出來的特性，將很快在特殊應(yīng)用領(lǐng)域推廣開來，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)給未來顯示領(lǐng)域帶來一次革命。

來源：中國(guó)光學(xué)