Micro-LED顯示的發(fā)展現(xiàn)狀與技術挑戰(zhàn)

近日，TCL電子研發(fā)中心光學系統(tǒng)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(xiàn)狀與技術挑戰(zhàn)”的綜述文章。
文章從Micro-LED顯示技術的歷史、定義及技術挑戰(zhàn)進行了綜述，重點總結了Micro-LED在工程領域的技術挑戰(zhàn)，最后對Micro-LED技術的未來發(fā)展方向進行了探討。Micro-LED在芯片、巨量轉移、全彩化等方面仍存在技術挑戰(zhàn)，但其所展現(xiàn)出的高分辨、快響應、低能耗、長壽命等突出特點，能滿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(xiàn)出巨大的應用潛力，已經在學術界和工業(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LED器件作為發(fā)光像素，來實現(xiàn)主動發(fā)光矩陣式顯示。從顯示技術原理來講，Micro-LED與有機發(fā)光二極管OLED、量子點發(fā)光二極管QLED都屬于主動發(fā)光式顯示技術。但不同的是，Micro-LED顯示使用無機GaN等LED芯片，其發(fā)光性能優(yōu)異、壽命長。由于Micro-LED優(yōu)異的性能和潛在的應用價值，自被提出以來，學術界已經掀起了相關技術研究的浪潮。
隨著Micro-LED顯示技術的不斷發(fā)展，其產業(yè)化也越發(fā)受到關注。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Luxvue為起點，Micro-LED顯示技術進入快速發(fā)展階段。2018年以后進入爆發(fā)期。同時，國內的終端廠和芯片廠也紛紛加入Micro-LED陣營。雖然Micro-LED的顯示應用前景逐漸明朗，然而現(xiàn)階段還存在很多的技術挑戰(zhàn)有待解決。
２. Micro-LED顯示技術的定義
目前Micro-LED的定義尚未有行業(yè)標準形成，對于不同的應用場景、研究環(huán)境，不同的學者、專家對Micro-LED有著不同的理解。
顯示應用場景是決定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的定義應該根據觀看距離和人眼的極限分辨率進行計算。例如，如果按照發(fā)光面積占像素面積的10%計算。在虛擬現(xiàn)實VR和增強顯示AR應用時，觀看距離約為5cm左右，像素密度需要達到1800ppi左右。此時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。
３. Micro-LED顯示技術的發(fā)展和優(yōu)勢
Micro-LED顯示技術是繼藍光GaN材料和白光LED照明之后LED領域的最重要進展之一。圖１簡單回顧了Micro-LED的發(fā)展歷程，從中可以發(fā)現(xiàn)這一領域重要進展都是來自于集成工藝的突破。可以預期，未來Micro-LED顯示的發(fā)展仍將朝著微縮化、集成化、陣列轉移化和全彩化進一步發(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。通過表１可以發(fā)現(xiàn)，相比于其他的自發(fā)光技術，從表現(xiàn)出的性能看，Micro-LED顯示具有如下顯著優(yōu)勢：

表１ 顯示技術的比較

顯示畫面品質高：Micro-LED顯示屏沒有光阻和濾光片的限制，亮度可以輕松達到2000-4000cd/m2，可以實現(xiàn)超高對比度和高品質的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，沒有透過率的限制，功耗比LCD顯示器低90%。此外，LED芯片電光轉換效率高，Micro-LED顯示功耗僅為OLED顯示的50%。
使用壽命長：Micro-LED顯示技術使用無機物半導體作為發(fā)光材料，性能穩(wěn)定，材料壽命長。
４. Micro-LED關鍵技術問題分析
雖然Micro-LED顯示技術具有顯著的優(yōu)勢，但該技術尚不成熟，在芯片、背板、巨量轉移、全彩化、接合、驅動和檢測維修等方面仍然存在一些技術瓶頸。
芯片技術：從芯片的技術角度看，現(xiàn)階段Micro-LED晶圓的波長一致性不滿足量產化需求。而且隨著芯片尺寸的縮減，發(fā)光效率急速降低。在器件構造過程中，感應耦合等離子體刻蝕會造成芯片側壁的損傷，進而影響芯片發(fā)光特性和可靠性。
背板技術：消費電子領域Micro-LED技術使用的背板有兩種：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，會造成巨量轉移效果不良。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，對加工工藝要求高。
巨量轉移技術：芯片制作完成后，需要通過巨量轉移將其轉移到驅動電路背板上。目前Micro-LED的巨量轉移技術主要有拾取釋放法、激光轉移技術、流體自組裝技術和滾輪轉印技術。巨量轉移技術面臨的共性問題就是精度，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：Micro-LED的全彩化技術主要有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，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：Micro-LED的接合技術主要分３種：預置錫膏技術、金屬共晶鍵合技術、微管技術。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(xiàn)象。隨著芯片尺寸的縮小，芯片與驅動電路基底熱膨脹系數的差異會導致共晶焊只適用于20μm以上芯片。微管技術一般用于10μm以下接合。
驅動技術：Micro-LED顯示中每個紅綠藍像素配置一個驅動Micro-IC。Micro-IC能通過占空比來調整亮度和色階。由于驅動電流太小，通常會出現(xiàn)低灰階下亮度、色度不穩(wěn)定的問題。
Micro-LED在各個環(huán)節(jié)所面臨的技術瓶頸是共性的，歸結起來就是：精度→良率→效率→成本的問題。這幾個問題是逐層遞進，且具有因果關系。Micro-LED顯示技術成立的前提就是精度，如果精度低，就難以實現(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技術大規(guī)模產業(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，在顯示終端應用時，由于Micro-LED顯示自身的技術特點，有一些應用問題，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三色芯片光場分布不同和相鄰像素之間發(fā)光串擾問題造成。
單色場和灰場均勻性的問題：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都能滿足此要求，另外由于每顆芯片的典型驅動電壓均有浮動，就會造成單色場每一塊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驅動電流的差異，會形成普遍存在圖７所示的灰場一致性的問題。

驅動功率問題：Micro-LED顯示技術由于像素級的控制，需要的驅動芯片數量較多，從而導致驅動芯片的功率大幅增加，且由于是低電壓、高電流驅動，導致電源效率低、線損大。
６. 總結與展望
Micro-LED顯示技術是對目前主流顯示技術一個有效的補充，在應用上填補了目前主流顯示技術的短板和空白。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。利用其像素級控光達到的高亮度、高色域、高對比度性能，可以滿足在戶外、半戶外及影院場景下使用的需求。超小顯示主要針對VR和AR技術的應用，利用其超小的晶粒尺寸，可以實現(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時間和寬溫工作及儲存上具有優(yōu)勢，能滿足飛機等機載主顯示器在實時性和可靠性方面的要求。在驅動和背板領域實現(xiàn)技術突破后，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，有望實現(xiàn)顯示無處不在。利用Micro-LED顯示技術具有納秒級響應時間的特性，有可能實現(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顯示技術尚不成熟，對芯片、背板、發(fā)光介質等材料提出了更高的要求。在面向應用時，終端顯示器還存在一系列問題。Micro-LED顯示剛開始進入消費電子領域，距離該技術大量普及和應用尚有一段時間。但其所表現(xiàn)出來的特性，將很快在特殊應用領域推廣開來，并且基于Micro-LED顯示技術的新功能也在不斷探索之中，也許這些新功能會給未來顯示領域帶來一次革命。

來源：中國光學