乱花渐欲迷人眼 浅谈Micro LED

  • 来源:微型计算机
  • 关键字:Micro LED,照明
  • 发布时间:2017-04-15 10:36

  技术从来都是长江后浪拍死前浪。尽管LCD显示技术已经非常成熟,但是厂商都在拼命研发新技术以取代LCD。各种LED技术乱花迷眼,但是OLED至今“扶不上墙”,QLED难产,于是大家纷纷把研究重点转移到了Micro LED。作为LED家族的一员,Micro LED的优势和劣势都很突出,能不能达到业界的期望,还需拭目以待。

  风云突变

  2016年4月,台湾固态照明国际研讨会(TSSL 2016)在台北南港展览馆会议室展开。这次研讨会专门留了一个舞台,展示一种名为Micro LED的固态照明技术。这并非全新的技术,一直以来受到的关注不多,业界的目光更多聚焦在OLED上。但现在一些大厂已经悄悄转移了研发重点,所以Micro LED也有必要到闪光灯下露露脸了。

  Micro LED和OLED同属固态照明的LED家族。现在OLED已深深渗透到我们生活中,从全球大卖的三星Galaxy、Note系列产品,到各种穿戴设备,都已经配备了OLED显示屏,连苹果也宣称今后将采用AMOLED屏幕。只是,被寄予厚望的OLED并没有实现取代LCD的豪言,你根本买不到OLED的电视或者显示器,可谓“扶不上墙”,原因就是OLED采用有机发光材料。既然是有机材料,寿命和稳定性就是个问题,稳定性不佳也就无法大尺寸量产。索尼、三星、LG等厂商已经研究了很多年依然只能仰望苍天。

  今年以来,索尼和三星相继宣布放弃OLED电视,让LG陷入了孤立状态。放弃的原因,除了瓶颈无法解决外,还出于商业目的考虑。因为目前OLED的整体技术只掌握在LG手中,一旦大规模用于电视机生产,将容易颠覆索尼和三星在电视机中的地位。两大研发主力易帜,也让OLED极有可能步等离子的后尘。当年松下垄断了等离子显示技术,逼得其他厂商只好使用显示效果更逊一筹的LCD面板生产电视。走的人多了,就踩出了路,用LCD面板的厂商多了,LCD就占领了市场,最终等离子电视不得不黯然退场。

  既然放弃,就得另寻出路。MC的老读者也许还记得,我们以前介绍过QLED量子点显示技术,是号称有望取代OLED的、各大厂商新的奋斗目标。但目前QLED还待在实验室里出不来的时候,量子点技术巨头公司QD Vision却曝出大股东撤资的消息,同时该公司团队高层已宣布解散核心团队,诸多项目均已暂停,业界也传闻QD Vision在台湾的生产线已停工待售,可谓命运多舛。虽然QDVision关门并不意味着QLED终结,但这样一家上游企业的倒闭,给行业带来的影响只会是负面的。

  当然,各路厂商绝不会只将鸡蛋放在一个篮子里。索尼、三星、夏普等早就开始进入Micro LED领域。索尼在CES 2012展会上展示过一台55英寸全高清Crystal LED电视。4年之后,索尼宣布将Crystal LED技术商业化。所谓Crystal LED,其实本质上还是Micro LED。

  至于苹果,早就收购了一家名为LuxVue Technology的微型公司。LuxVue非常低调,外界所能了解的就是这家公司为消费电子产品开发低能耗的Micro LED显示屏。苹果收购该公司,自然也就得到了它的21项和LED显示技术相关的专利。

  除此之外,台湾工研院、友达、群创、晶电,以及很多从国际知名理工学院如美国德州理工大学、伊利诺大学等,也都积极研究Micro LED。固态照明领域的风向,已经很明显了。

  关于衬底

  首先纠正一个容易混淆的概念。不论是在卖场,或是电商渠道,我们都见过了太多所谓的“LED显示器”,导致不少消费者认为LCD是不是已经淘汰了。实际上,所谓的LED显示器,其实应该叫LED背光显示器,用LED取代了早年的CCFL作为背光源,但前面的面板仍然是LCD。

  以自发光的LED作为像素来显示图像,全世界的工程师们老早就想到了。大型场所的户外显示屏就是以LED作为像素点,每个LED能够定址、单独驱动发光。如果把户外显示屏缩小,小到你能放在桌子上或者揣兜里,那就是Micro LED Display了。相比OLED,Mirco LED采用无机材料,其色彩更容易调试,材料稳定性也更好。Micro LED还继承了LED在固态照明方面的诸多优点,包括低功耗、高亮度与色彩饱和度、反应速度快、寿命较长等。其功耗约为LCD的10%、OLED的50%。理论分辨率精度可达1500ppi,远超Retina级别。

  提到LED,就不得不说说衬底。在LED生产过程中,外延片是最重要的原材料,它是在加热到适当温度的衬底基片上,通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)技术在衬底表面沉淀,或者说“生长”出特定单晶薄膜晶片(目前多为氮化镓),之后在外延片上制作N型和P型电极,再通过切割、封装,才能成为一颗LED灯珠。

  衬底是外延层的基板,在生产和制作过程中起到支撑和固定的作用。衬底材质的选择决定了LED的特性。目前的衬底材料主要有蓝宝石、碳化硅以及单晶硅。绝大多数的芯片制造商都采用蓝宝石衬底,因为稳定性好、生产技术成熟、机械强度高,易于处理和清洗。但蓝宝石作大尺寸外延片时难度和成本都会大大提升。另外蓝宝石是绝缘体,无法制作垂直结构的器件,也就只能在外延层表面制作N型和P型电极,造成了有效发光面积减少,同时增加了制作成本。

  硅衬底的芯片电极可采用水平接触的L电极和垂直接触的V电极,这样一来,LED芯片内部的电流可以横向流动也可以纵向流动。纵向流动增大了LED的发光面积,从而提高了LED的出光效率。同时,由于硅是热的良导体,所以LED的导热性能可以明显改善。问题就在于这种衬底材料实在很贵,但和蓝宝石相比,尺寸越大,成本反而越低,前提是能提高良品率。但硅材料最大的缺陷就是晶格和热应力失配。晶格失配会导致氮化镓材料中出现较高的位错密度;热应力失配是因为衬底和晶片的膨胀系数不一样,温度变化期间会产生龟裂。目前有的解决方案是通过采用多种缓冲层来缓解热应力,以及多种复杂的位错过滤层来降低位错密度。当然,成本仍然是个问题。

  碳化硅具有优良的热学、力学、化学和电学性质,是非常重要的半导体材料,导热性能比蓝宝石高出10倍以上,有利于制作大功率LED。碳化硅衬底不需要电流扩散层,因此光不会被电流扩散层的材料吸收,提高了出光效率。碳化硅的问题同样在于成本太高,目前非常小众。

  难啃之骨

  制造MircoLED需要将LED进行薄膜化、微小化与阵列化,使其体积只有主流LED大小的1%,将像素点的距离由原本的毫米级降到微米级。驱动方面,可以采用与大型LED屏幕相同的AM有源选址驱动。AM驱动的优势在于:

  1.可实现更高分辨率和更大面积的驱动。

  2.防止多个LED共享驱动电流时,因为点亮的个数不同导致施加到每个LED上的驱动电流不一样,而导致亮度和对比度失调。

  3.高分辨率环境下,必须尽可能减小电极尺寸,如果是PM驱动,大量的功率将损耗在行和列的扫描线上。AM驱动能够实现低功耗高效率。并且通过晶体管开关控制LED,能够防止周围的LED受电流脉冲影响而降低显示质量。

  如果像制造IC芯片那样,在单晶硅衬底上蚀刻出驱动电路,然后通过MOCVD“生长”出LED晶片阵列,就制成了Micro LED,但实际上困难重重。要制造多大的屏幕,就需要用多大的衬底,成本超乎想象。我们常见的各种IC和CMOS传感器,就是通过单晶硅蚀刻电路而成。一部全画幅数码单反相机,CMOS传感器还不到半张银行卡大,但几乎占据了整机一半的成本。

  将蓝宝石或单晶硅衬底直接作为屏幕的基板行不通,那么可以考虑将衬底上的LED晶片转运到已制好驱动电路的玻璃基板上,这就是纳米级的LED晶片转运技术。但怎么在玻璃基板上固定LED晶片也是个问题,目前只在LuxVue的专利名单上有一套从蓝宝石衬底将LED晶片转运到硅衬底上的工艺。这意味着制造一块屏幕需要两套衬底和互相独立的工艺,并产生了另一个重大问题:要保证每次得到的晶片的光电特性一致。单色Micro LED阵列通过倒装结构封装和驱动IC贴合就可以实现,但RGB阵列需要分次转贴红、蓝、绿三色的晶粒。一块全高清屏幕就需要嵌入600多万颗LED晶粒,对晶粒的光效、波长的一致性、良品率要求更高。OLED至今无法做大做强,也是因为光电性能一致性和良品率无法解决。即使解决了玻璃衬底的难题,相比AMOLED物美价廉的LTPS+OLED方案,Micro LED也没有优势。

  既然提到了光电特性的一致性,那么要想量产Micro LED,还需解决分bin的成本问题。所谓分bin,就是根据电压、亮度、色度的不同,将LED进行测试和分选,每一类就叫一个bin。LED作为指示灯时,对于其波长的分选和亮度的控制要求并不高。但作为屏幕元件时,由于人眼对于颜色波长和亮度的敏感性,没有分bin的LED就会出现颜色和光亮度不均匀的问题,影响视觉效果。分bin是LED供应商的一项必要的工序,是LED成本的一个大头,也是许多LED制造商出现产能瓶颈的原因。

  成长之路

  OLED大尺寸化举步维艰,Micro LED则是在小型化上寸步难行。但这并不妨碍Micro LED成为当前业界的研发热点。实际上,Micro LED单色阵列已经实现了极高的dpi。2011年,美国德州理工大学的团队发布了9.6×7.2mm面积的绿光主动定址Micro LED阵列,像素间距15μm,达到了VGA级别的清晰度。

  Micro LED的难点还是在于彩色阵列。索尼在CES2012展出的CrystalLED Display原型机,上面有1920×1080个LED发光二极管,每个LED又由R、G、B三个LED子像素点阵构成,它们之间的间距为210μm。Crystal LED Display有大约600万个LED驱动,大概这是索尼不惜血本搞出来的,所以之后再无音讯。直到4年后,索尼才宣布将Crystal LED技术商业化,推出了使用该技术的显示单元ZRD-1。ZRD-1是一块403×453mm拼装型的RGB三色LED显示单元,分辨率320×360像素,精度为20ppi。是的你没看错,20ppi,和LCD相比简直惨不忍睹,但已经远高于现在你能看到的各种LED大屏幕。而且,ZRD-1只面向研究机构、医疗、博物馆、控制室、工业设计、建筑设计等需要逼真图像的专业和商业化领域,也就是说Crystal LED距离民用其实还非常地遥远。

  法国原子能总署(CEA)旗下的电子信息技术研究所(LETI)推出了iLED matrix,其蓝光亮度达107cd/m2,绿光亮度达108cd/m2,像素点距只有10μm,未来的目标是做到1μm。LETI计划从智能照明领域入手,两三年内进入HUD和HMD市场,在10年内切入大尺寸显示应用。

  台湾錼创科技公司公布了以氮化镓为基础的Pixe LED TMdisplay,采用了LED转运技术,据称良品率达到99%。

  对比之下,其实LuxVue并没有很核心的突破以及什么压倒性优势。苹果收购这个公司,业界猜测也是为了在显示领域开辟出一条有别于TFTLCD技术的路。要知道,iPhone等产品至今还在用LCD,苹果也受够了面板供应商的气。假如能在Micro LED方面有所突破,那可是大权独揽、扬眉吐气的美事。

  隔岸观火

  Micro LED成了红人,但这并不意味着其他LED的研发就停止了。实际上,Micro LED仍面临很多对手,除了QLED外,磷光OLED(Phosphorescent OLED,PHOLED)也是其中之一。美国UDC公司的红绿PHOLED材料已经在三星Galaxy S4及后继机型的面板上使用,这种面板功耗已经和高PPI的TFT-LCD持平甚至略有优势。一旦蓝光PHOLED材料的寿命问题得到解决并商用,Micro LED将占不到什么便宜。此外,MicroLED很难做成卷曲和柔性显示。如果要用到iWatch之类的产品上,屏幕没有一定的曲率是很难被群众接受的。

  当然,作为消费者,我们无需为了技术的竞争而揪心。现今早就不是“市场需要什么我们就造什么”,而是“我们要造点什么来改变市场”,正如iPhone诞生之前没人会觉得自己需要触摸控制的手机。技术的发展已经是乱花渐欲迷人眼,很多时候引导着消费者的需求。所以不论Micro LED、OLED还是QLED,我们只需抱定一种隔岸观火的态度,因为最终总会有一种LED,能到我们碗里来。

  TIPS:固态照明和显示

  传统液晶具有液体的流动性,LED的发光材料则完全是固态,因此该领域被称为固态照明。如果把单个的LED视为屏幕上的一个像素点,那么它就有了显示的属性。本文提到的各种LED,都是基于显示而不是照明属性来说明。

  TIPS:LED阵列驱动方式

  LED大屏幕一般为无源选址驱动(PM:Passive Matrix)和有源选址驱动(AM:Active Matrix)。

  PM驱动模式下,把阵列中每一列的LED像素的正极连接到列扫描线(Data Current Source),同时把每一行的LED像素的负极连接到行扫描线(Scan Line)。当第Y列扫描线和第X行扫描线被选通的时候,其交叉点(X,Y)的LED像素即会被点亮。整个屏幕以这种方式进行高速逐点扫描,即可实现显示画面。这种扫描方式结构简单,较为容易实现。不足之处是连线庞杂(需要X+Y根连线),寄生电阻电容大导致效率低,像素发光时间短,从而导致有效亮度低,像素之间容易串扰,并且对扫描信号的频率需求较高。

  AM驱动电路中,每个LED像素有其对应的独立驱动电路。最基本的驱动电路使用两个晶体管和一个电容来控制输出电流(2T1C),其中T1作为选通晶体管控制像素电路的开或关;T2作为驱动晶体管,与电压源联通并在一帧的时间内为LED提供稳定的电流。电容C用于储存数据信号,当该像素单元的扫描信号脉冲结束后,电容仍能保持T2栅极的电压,从而继续为LED提供驱动电流,直到这一帧结束。

  文/张明芮

……
关注读览天下微信, 100万篇深度好文, 等你来看……
阅读完整内容请先登录:
帐户:
密码: