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LED知識

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教你看懂最新技術(shù)Micro LED、Mini LED、Micro OLED

液晶顯示技術(shù)不斷進(jìn)步,從最常聽(tīng)到的LCD、LED、OLED,到現在業(yè)界最熱門(mén)的顯示技術(shù)MicroLED、MiniLED、MicroOLED,你是否曾想過(guò)要搞懂,卻又看得一頭霧水?對此,這里將從科普的角度簡(jiǎn)單介紹這些新一代顯示技術(shù)的特色,以及跟舊有技術(shù)的差別。

1  LCD、LED、OLED差在哪?

LCD是「液晶顯示屏幕」(liquid-crystaldisplay),目前市場(chǎng)大都使用「薄膜電晶體液晶顯示器」(TFT-LCD)技術(shù),由兩片玻璃基板中間夾著(zhù)一層液晶,上層玻璃基板是彩色濾光片、下層玻璃則鑲嵌著(zhù)電晶體,當電流通過(guò)電晶體所產(chǎn)生的電場(chǎng)變化,使得液晶分子原本的旋轉排列發(fā)生扭轉,進(jìn)而改變光線(xiàn)通過(guò)的旋轉幅度,并以不同比例照射在彩色濾光片上,進(jìn)而產(chǎn)生不同的顏色。


1.pngLCD面板最常使用TFT-LCD技術(shù)(Source:科技新報制圖)

目前LCD技術(shù)已經(jīng)相當成熟,用于一般電腦和電視熒幕,且成本低廉,成為消費產(chǎn)品的基礎技術(shù)。

2.png一般液晶顯示器的顯像原理(Source:科技新報制圖)

了解LCD后,接著(zhù)來(lái)介紹LED和OLED。

LED叫做「發(fā)光二極管」(light-emittingdiode),利用電能轉為光能,在半導體內正負極2個(gè)端子施加電壓,當電流通過(guò)后,電子與空穴相結合,剩余能量便以可見(jiàn)光的形式釋放,依照使用材料的不同,光子能量會(huì )產(chǎn)生不同波長(cháng)的光。直顯式的LED常用于戶(hù)外電視墻或者紅綠燈,LED晶片則是目前電視、屏幕背光源與照明的主流產(chǎn)品。

3.pngLED技術(shù)是利用電能轉為光能。(Source:科技新報制圖)

LED跟OLED的驅動(dòng)概念相當相近,不過(guò)使用的材料完全不同。OLED叫做「有機發(fā)光二極管」(OrganicLight-EmittingDiode),基本結構是在銦錫氧化物(ITO)玻璃上制作一層有機材料發(fā)光層,并在發(fā)光層上再覆蓋一層低功函數的金屬電極。透過(guò)外界電壓的驅動(dòng)下,正極電洞與陰極電子便會(huì )在發(fā)光層中結合,產(chǎn)生能量并發(fā)出光,因材料特性不同而產(chǎn)生R、G和B三原色,來(lái)構成基本色彩。

4.pngOLED技術(shù)(Source:科技新報制圖)

OLED與LCD最大的差異在于是否能自體發(fā)光,LCD需要LED背板和濾光片,而OLED能夠自體發(fā)光。

OLED雖然呈現的畫(huà)面鮮艷、功耗低、可以彎曲,但有機材料會(huì )氧化所以壽命相對較短,也會(huì )出現色烙問(wèn)題,加上成本高、技術(shù)含量高,目前大都適用于小熒幕,好比手機屏幕。

2  MiniLED、MicroLED傻傻分不清楚

懂了LCD、LED和OLED的基本差異后,再來(lái)看高階顯示技術(shù)MiniLED、MicroLED和MicroOLED。

MiniLED和MicroLED最直觀(guān)的差異就是LED晶體的顆粒大小,但從概念來(lái)看卻又有一點(diǎn)差異。MiniLED正式名稱(chēng)為「次毫米發(fā)光二極管」,MicroLED是指「微發(fā)光二極管」,兩者晶體尺寸基本上以100 μm為界,約0.1 mm。

5.pngMicroLED技術(shù)結構(Source:科技新報制圖)

MiniLED被視為是MicroLED的過(guò)渡期,是傳統LED背光基礎上的改良版本,作為L(cháng)CD面板的背光源使用;MicroLED則是新一代的顯示技術(shù),將LED背光源微縮化、矩陣化,致力于單獨驅動(dòng)無(wú)機自發(fā)光(自發(fā)光)、讓產(chǎn)品壽命更長(cháng),甚至性能更勝OLED,被業(yè)界視為下世代的顯示技術(shù)。

目前,MiniLED技術(shù)主要用于「多區背光顯示器」以及「大型RGB小間距顯示器」。MiniLED技術(shù)中的「多區背光調控」功能可達成分區調光,好比強化畫(huà)面的高對比度和高解析度,達到HDR效果,效果與OLED顯示器相近;另一個(gè)技術(shù)是使用MiniLED晶粒,打造出顯示畫(huà)素間距低于Pitch1.0 mm的大尺寸熒幕,除了提升LED顯示屏幕的解析度,還能創(chuàng )造新的顯示屏幕主流規格。

至于MicroLED則會(huì )帶來(lái)技術(shù)新突破,用途不僅限于背光源,因為MicroLED的晶粒到了肉眼難以分辨的等級,可以直接將R、G、B三原色的晶粒拼成一個(gè)像素點(diǎn),變成「一個(gè)像素」的概念,不再需要濾光片和液晶層,也正因為這樣的技術(shù)特點(diǎn)與過(guò)往LCD顯示屏幕的發(fā)光結構完全不同,將為L(cháng)CD產(chǎn)業(yè)帶來(lái)全新革命。

6.png巨量轉移要將晶粒完整放到電路矩陣上,實(shí)際做起來(lái)非常困難。(Source:科技新報制圖)

除了可望為LCD產(chǎn)業(yè)開(kāi)創(chuàng )全新局面,未來(lái)MicroLED的應用范疇廣闊,包括AR/VR設備、車(chē)用屏幕、高解析度穿戴產(chǎn)品等。不過(guò),MicroLED技術(shù)卻存在許多困難需要解決,從前期的磊晶技術(shù)瓶頸、巨量轉移(MassTransfer)良率、封裝測試問(wèn)題,到后續的檢測、維修都是很大的挑戰,影響MicroLED能否量產(chǎn)。

3  OLED下一代技術(shù),MicroOLED技術(shù)大革新

MicroOLED又稱(chēng)硅基OLED(OLED on silicon)稱(chēng)為半導體技術(shù)與OLED技術(shù)的結合,實(shí)現更輕更薄、能耗也更低的技術(shù),AR/VR應用前景可期,但與先前提到的MicroLED又有什么不同呢?


不過(guò)在此之前,得先說(shuō)明清楚OLED為何物,MicroOLED又是否僅是OLED的微縮版。

7.png

MicroOLED技術(shù)

OLED技術(shù)發(fā)展已久,材料大多為有機材料,不需背光模組透過(guò)各個(gè)像素發(fā)光,每個(gè)像素都可以發(fā)出獨立、某種顏色的光,且可以單獨打開(kāi)和關(guān)閉,因此除了擁有出色且深邃的黑以及優(yōu)良的對比度,耗電量也低于傳統的LED與液晶顯示器(LCD)。

8.png                  滿(mǎn)滿(mǎn)的OLED像素點(diǎn)(Source:shutterstock)

目前OLED技術(shù)也已經(jīng)應用在智慧型手機與電視顯示器,MicroOLED雖然只在名稱(chēng)前加了個(gè)「Micro」,又源于OLED,但是生產(chǎn)更復雜的顯示技術(shù),也有截然不同的市場(chǎng)定位,應用直指AR/VR顯示器領(lǐng)域。

MicroOLED主要是在兩層電極之間使用能夠發(fā)光的螢光有機材料,電流通過(guò)后會(huì )發(fā)出單色光,再透過(guò)濾色器生成所需的顏色。MicroOLED光源模組是將OLED蒸鍍到基板上,若是主要的硅基OLED則是蒸鍍到硅基板(半導體晶圓)上,除了帶有OLED自發(fā)光優(yōu)勢,面板厚度和體積也比以前更薄、更小、耗能更低,再加上響應時(shí)間短、發(fā)光效率高等特性,更容易實(shí)現高ppi(像素密度)。

這也正巧滿(mǎn)足AR/VR等頭盔顯示器、顯示鏡等需求。AR/VR技術(shù)雖然已經(jīng)問(wèn)世多年,但因為技術(shù)本身尚未完善,實(shí)際體驗往往會(huì )面對暈眩、解析度低,以及體積大又昂貴的問(wèn)題,若要解決暈眩問(wèn)題,面板解析度要從現在的500ppi解析度提升到2000ppi才可以。

這便是MicroOLED的市場(chǎng)所在,雖說(shuō)它沒(méi)有那么亮,也有著(zhù)OLED的不同程度老化問(wèn)題,難進(jìn)攻大尺寸領(lǐng)域,但是MicroOLED在小尺寸領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。隨著(zhù)大家對AR/VR顯示應用從游戲、軍事,慢慢推廣到醫療、教育與零售業(yè),市場(chǎng)擴大,連帶對于畫(huà)質(zhì)、延遲等顯示要求也攀升,具備高解析度、輝度、對比及反應速度的新一代顯示技術(shù)就可以取得發(fā)展機會(huì ),目前MicroOLED更已經(jīng)應用在軍事、工業(yè)、醫療和商業(yè)智慧眼鏡。

4  MicroOLED還是MicroLED?別搞混了!

在提到MicroOLED的時(shí)候,往往也會(huì )提及另一個(gè)先進(jìn)顯示技術(shù)、名稱(chēng)同樣有Micro的「MicroLED」,不過(guò)這兩個(gè)雖然都是目標超高精細、高解析度、高可靠度及反應時(shí)間快,但從制程到應用皆完全不同,MicroLED與MicroOLED的市場(chǎng)僅有部分重疊。

MicroLED尺寸界定為75μm以下,不帶藍寶石襯底,制程方面MicroLED也是采用不一樣的磊晶技術(shù),在晶片上整合的高密度微小尺寸的LED陣列,應用領(lǐng)域非常廣闊,從穿戴式裝置、頭戴式顯示器、AR/VR到光療技術(shù)都有,也因為MicroLED是無(wú)機材料,具有更高的亮度并且比使用有機材料的OLED更穩定。

目前MicroLED最大難題則是如何將數百萬(wàn)顆微小的LED精準轉移到背板上(巨量轉移)、以及后續的檢測與封裝技術(shù),投資成本相當高昂。

相較之下,MicroOLED尺寸不一定局限在75 μm,OLED制程就會(huì )定義每個(gè)像素大小,MicroOLED主要是采用蒸鍍技術(shù),如何將容易受到氧氣和水影響的有機材料,精準且均勻蒸鍍到基板上,真空鍍膜機、精密的金屬遮罩(Fine Metal Mask,FMM)將是制程重點(diǎn)之一。

目前已有多家廠(chǎng)商正研發(fā)MicroOLED,主要也是因為硅基MicroOLED技術(shù)是結合積體電路的設計制程CMOS制程和OLED技術(shù),以單晶硅為有源驅動(dòng)背板,例如日經(jīng)亞洲(NikkeiAsia)3月時(shí)透露,蘋(píng)果(Apple)找上長(cháng)期晶片供應伙伴臺積電,將一同研發(fā)超先進(jìn)顯示器技術(shù)MicroOLED。

除此之外,中國、南韓也一直沒(méi)有忽略這塊,中國京東方2018年以來(lái)一直與云南合資企業(yè)昆明京東方顯示技術(shù)一同開(kāi)發(fā)MicroOLED,ELEC研究指出,京東方更計劃在2021下半年推出商用MicroOLED顯示器,應用主打AR/VR領(lǐng)域,蒸鍍設備則與南韓Sunic Systems合作。

韓國顯示及半導體設備廠(chǎng)商APSHoldings也在5月透露,南韓政府已找上他們負責一個(gè)MicroOLED顯示專(zhuān)案,APS將與其他開(kāi)發(fā)商在2024年之前共同開(kāi)發(fā)出4000ppi的AR眼鏡。

2020年法國Micro-OLED也宣布從兩家泛歐高科技投資者CipioPartners和Ventech處獲得800萬(wàn)歐元成長(cháng)型投資,推動(dòng)開(kāi)發(fā)整合AR模組。

MicroOLED的市場(chǎng)方向明確,在小尺寸領(lǐng)域有較明顯優(yōu)勢,應用范圍也沒(méi)有像OLED、MicroLED那么廣泛,也變成近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一,已有不少廠(chǎng)商投入并增強制造能力,滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的需求,將是未來(lái)十年推動(dòng)AR/VR和其他人機設備的重要推手,事實(shí)上2020年顯示展會(huì )也有多款MicroOLED產(chǎn)品現身,ppi更可達3000以上。

預計到2024年,全球微顯示器市場(chǎng)將達5000萬(wàn)臺,包括AR/VR、智慧眼鏡、頭盔顯示器和抬頭顯示器。

來(lái)源:MicroDisplay、科技新報

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