解析Micro-LED display彩色化的3大主要技術手段

    Micro-LED display的彩色化是一個重要的研究方向。

    在當今追求彩色化以及其高分辨率高對比率的嚴峻趨勢下，世界上各大公司與研究機構提出多種解決方式并在不斷拓展中，本文將對主要的幾種Micro-LED彩色化實現(xiàn)方法進行討論，包括RGB三色LED法、UV/藍光LED+發(fā)光介質(zhì)法、光學透鏡合成法。

    一、 RGB三色LED法

    RGB-LED全彩顯示顯示原理主要是基于三原色（紅、綠、藍）調(diào)色基本原理。眾所周知，RGB三原色經(jīng)過一定的配比可以合成自然界中絕大部分色彩。同理，對紅色-、綠色-、藍色-LED，施以不同的電流即可控制其亮度值，從而實現(xiàn)三原色的組合，達到全彩色顯示的效果，這是目前LED大屏幕所普遍采用的方法。

    在RGB彩色化顯示方法中，每個像素都包含三個RGB三色LED。一般采用鍵合或者倒裝的方式將三色LED的P和N電極與電路基板連接，具體布局與連接方式如圖1所示。

    之后，使用專用LED全彩驅(qū)動芯片對每個LED進行脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流驅(qū)動，PWM電流驅(qū)動方式可以通過設置電流有效周期和占空比來實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光。

    例如一個8位PWM全彩LED驅(qū)動芯片，可以實現(xiàn)單色LED的28=256種調(diào)光效果，那么對于一個含有三色LED的像素理論上可以實現(xiàn)256*256*256=16,777,216種調(diào)光效果，即16,777,216種顏色顯示。具體的全彩化顯示的驅(qū)動原理如圖2所示[2]。

    但是事實上由于驅(qū)動芯片實際輸出電流會和理論電流有誤差，單個像素中的每個LED都有一定的半波寬(半峰寬越窄，LED的顯色性越好)和光衰現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生LED像素全彩顯示的偏差問題。

▲圖1 RGB全彩色顯示的單像素布局示意圖

▲圖2 RGB全彩色顯示驅(qū)動原理示意圖

    二、 UV/藍光LED+發(fā)光介質(zhì)法

    UV LED（紫外LED）或藍光LED+發(fā)光介質(zhì)的方法可以用來實現(xiàn)全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 則需激發(fā)紅綠藍三色發(fā)光介質(zhì)以實現(xiàn)RGB三色配比; 如使用藍光micro-LED則需要再搭配紅色和綠色發(fā)光介質(zhì)即可，以此類推。

    該項技術在2009年由香港科技大學劉紀美教授與劉召軍教授申請專利并已獲得授權（專利號：US 13/466,660, US 14/098,103）。

    發(fā)光介質(zhì)一般可分為熒光粉與量子點（QD: Quantum Dots）。納米材料熒光粉可在藍光或紫外光LED的激發(fā)下發(fā)出特定波長的光，光色由熒光粉材料決定且簡單易用，這使得熒光粉涂覆方法廣泛應用于LED照明，并可作為一種傳統(tǒng)的micro-LED彩色化方法。

    熒光粉涂覆一般在micro-LED與驅(qū)動電路集成之后，再通過旋涂或點膠的方法涂覆于樣品表面。

    圖3則是一種熒光粉涂覆方法的應用，其中（a）圖顯示一個像素單元中包含紅綠藍4個子像素，圖（b）則顯示了micro-LED點亮后的彩色效果。

    該方式直觀易懂卻存在不足之處，其一熒光粉涂層將會吸收部分能量，降低了轉(zhuǎn)化率；其二則是熒光粉顆粒的尺寸較大，約為1-10微米，隨著micro-LED 像素尺寸不斷減小，熒光粉涂覆變的愈加不均勻且影響顯示質(zhì)量。而這讓量子點技術有了大放異彩的機會。

▲圖3  熒光粉彩色化micro-LED的像素設計及顯示效果

    量子點，又可稱為納米晶，是一種由II－VI族或III－V族元素組成的納米顆粒。

    量子點的粒徑一般介于1～10nm之間，可適用于更小尺寸的micro-display。量子點也具有電致發(fā)光與光致放光的效果，受激后可以發(fā)射熒光，發(fā)光顏色由材料和尺寸決定，因此可通過調(diào)控量子點粒徑大小來改變其不同發(fā)光的波長。

    當量子點粒徑越小，發(fā)光顏色越偏藍色；當量子點越大，發(fā)光顏色越偏紅色。量子點的化學成分多樣，發(fā)光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區(qū)。

    而且具有高能力的吸光-發(fā)光效率、很窄的半高寬、寬吸收頻譜等特性，因此擁有很高的色彩純度與飽和度。且結(jié)構簡單，薄型化，可卷曲，非常適用于micro-display的應用。

    目前常采用旋轉(zhuǎn)涂布、霧狀噴涂技術來開發(fā)量子點技術，即使用噴霧器和氣流控制來噴涂出均勻且尺寸可控的量子點，裝置與原理示意圖如圖4所示。將其涂覆在UV/藍光LED上，使其受激發(fā)出RGB三色光，再通過色彩配比實現(xiàn)全彩色化，如圖5所示。

    但是上述技術存在的主要問題為各顏色均勻性與各顏色之間的相互影響，所以解決紅綠藍三色分離與各色均勻性成為量子點發(fā)光二極管運用于微顯示器的重要難題之一。

    此外，當前量子點技術還不夠成熟，還存在著材料穩(wěn)定性不好、對散熱要求高、且需要密封、壽命短等缺點。這極大了限制了其應用范圍，但隨著技術的進步和成熟，我們期待量子點將有機會扮演更重要的角色。

▲ 圖4 (a)高精度霧化噴涂系統(tǒng)(Aerosol jet technology)及其(b)原理圖。

▲圖5 利用高精度噴涂技術制作紅、綠、藍三原色陣列示意圖

    三、 光學透鏡合成法

    透鏡光學合成法是指通過光學棱鏡（Trichroic Prism）將RGB三色micro-LED合成全彩色顯示。具體方法是是將三個紅、綠、藍三色的micro-LED陣列分別封裝在三塊封裝板上，并連接一塊控制板與一個三色棱鏡。

    之后可通過驅(qū)動面板來傳輸圖片信號，調(diào)整三色micro-LED陣列的亮度以實現(xiàn)彩色化，并加上光學投影鏡頭實現(xiàn)微投影。整個系統(tǒng)的實物圖與原理圖如圖6所示，顯示效果如圖7所示。

▲圖6棱鏡光學合成法的a), b) 實物圖，c) 原理示意圖

▲圖7棱鏡光學合成法的顯示效果

    作者：

    劉召軍 彭燈 張珂 （中山大學）

    郭浩中 佘慶威 （臺灣交通大學）