眾業(yè)者積極攻克技術(shù)瓶頸，MicroLED商用有望

    LED顯示屏產(chǎn)值將于2020年達到50億美元，其中，MicroLED儼然成為最受關(guān)注的下一代顯示技術(shù)。然而，MicroLED顯示屏若要正式商用上市，依然有許多技術(shù)挑戰(zhàn)必須突破，然而，在眾多廠商的投入之下，最快在2018年便能看見商業(yè)化產(chǎn)品推出。

    當漫步在商場，有沒有發(fā)現(xiàn)眼前的電子看板似乎少了些什么東西？沒錯！原本切割畫面惱人的黑線怎么都不見了。拜近年LED價格快速下滑所賜，小點間距LED顯示屏大張旗鼓進入室內(nèi)廣告應(yīng)用，取代原本的液晶顯示器拼接屏，也消弭了液晶顯示器邊框所造成的黑線(見圖1、圖2)。

圖1 液晶顯示器拼接屏，位于桃園國際機場第二航廈采盟免稅店上方。

圖2 小點間距LED顯示屏，位于桃園國際機場第二航廈升恒昌免稅店上方。

    除了商用顯示外，小點間距LED顯示屏挾著高亮度，高對比，無拼接縫的優(yōu)勢，逐步在中控室，室內(nèi)劇院等應(yīng)用發(fā)力，取代背投拼接與液晶顯示器拼接。

    2017年7月，三星電子在首爾樂天戲院建置了第*個以小點間距LED顯示屏為播放螢幕的電影院，該顯示屏大小為406英吋，解析度達到4K(4,096×2,160)，亮度則有146fL，高光度的螢幕有利于顯示3D影像，以往配戴3D眼鏡后會覺得影像變暗，此螢幕就不會出現(xiàn)這個問題，并且支援HDR顯示，亦符合DCI播放要求。三星電子此舉將小點間距LED顯示屏的應(yīng)用推上了另一個頂峰(圖3)。

圖3 三星Cinema Screen 

    早在2016年6月，SONY在Infocomm Las Vegas展示出全球第*面以MicroLED為顯示光源的大型顯示屏(圖4)，其尺寸高達9.7m×2.7m，解析度達8192×2048，點間距為1.26mm，SONY稱之為CLEDIS(Crystal LED Integrated Structure)。其實，CLEDIS并非SONY首次展出以MicroLED為顯示光源的顯示器，早在2012年CES，SONY就曾展出以MicroLED為顯示光源的55吋電視，當時稱之為Crystal LED Display(CLED Display)(圖5)，可謂MicroLED Display的濫觴，可惜CLED Display后繼無人，而CLEDIS 220吋8K的顯示屏要價高達103萬美元，令人望之卻步，至今亦無安裝實績。

圖4 SONY CLEDIS

圖5 SONY CLED Display

    ABI Research研究顯示數(shù)位顯示看板的全球產(chǎn)值于2016年將由2010年之13億美元大幅成長至45億美元；此外，2015MarketsandMarkets調(diào)查報告亦指出全球數(shù)位顯示看板的產(chǎn)值將于2020年達到237.6億美元，其年復合成長率將達8.18%(2015~2020)。依據(jù)LEDinside市場資料，LED顯示屏產(chǎn)值將于2020年達到50億美元，其中小間距LED顯示屏的產(chǎn)值可達近13.5億美元，年復合成長率高達32.42%(2015~2020)，遠高于全球數(shù)位顯示看板年復合成長率的平均值(表1)。

表1 LEDinside預估LED顯示屏產(chǎn)值

    無封裝LED顯示器獨具優(yōu)勢

    LED是電轉(zhuǎn)光的元器件，以觀賞者立場，光學表現(xiàn)首重于一切，為何無封裝形式LED勝過封裝形的LED，以下舉兩個例子說明：

    消除摩爾紋

    然而，現(xiàn)行的小點間距LED顯示屏解決方案并非完美，現(xiàn)行光源多是表貼三合一LED，因LED封裝膠體緣故，目前我們經(jīng)常會碰到使用手機或是相機拍LED顯示屏時，發(fā)現(xiàn)照片上出現(xiàn)摩爾紋(Moire Effect)，如圖6所示。原理就是在兩個頻率接近的等幅正弦波疊加，合成信號的幅度將按照兩個頻率之差發(fā)生變化。如果在感光元件里面畫素的空間頻率與影像中條紋的空間頻率接近，就很容易會產(chǎn)生摩爾紋。

圖6 以相機拍攝LED顯示屏的摩爾紋

    可視角

    光學特性顯示，MicroLED光場半公角140度(圖7)大于傳統(tǒng)SMD LED的110度(圖8)，燈板視角規(guī)格將超過目前既有燈板規(guī)格140度。MicroLED無色偏水平/垂直視角>140o/125o，亦高于傳統(tǒng)SMD結(jié)構(gòu)之約140o/60o。側(cè)視時，亦不會因面罩或是SMD封裝形成視覺上塊狀的缺陷，如圖9。

圖7 MicroLED光場

圖8 SMD LED光場

圖9 SMD LED顯示屏側(cè)視

    因此有人嘗試采用COB(Chip On Board)無封裝形式的LED，避免上述空間干涉產(chǎn)生的摩爾紋與視角等問題。依芯片結(jié)構(gòu)區(qū)分，COB可再細分為正裝(Face-Up Chip)與倒裝(Flip-Chip)兩種形式。在圖10，正裝形式的COB中，電極與導線皆在出光面，其缺點為：導線(Bonding Wire)會影響到LED芯片出光角度，電極與導線等金屬成分造成反射會給予觀賞者強烈的鏡面反射感，降顯示屏的對比度。

圖10 正裝COB

    圖11的倒裝芯片(Flip-Chip)是COB無封裝形式的LED較好的解決定方案，以成本論，少了打線的工費與材料；以光學論，沒有導線造成的出光干涉，出光面完整向上。Bonding Pad朝下，顯示屏的對比度亦相對提高。若以晶寸尺寸區(qū)分，大于100μm×100μm，且?guī)в谢澹Q之為Mini-LED，而小于這個尺寸且無基板則稱之為MicroLED。

圖11 倒裝COB

    主動/被動驅(qū)動優(yōu)劣互補

    LED顯示的驅(qū)動架構(gòu)可分為被動式(Passive Matrix)(圖12)與主動式(Active Matrix)(圖13)，兩種驅(qū)動架構(gòu)優(yōu)缺點剛好是互補的。被動式驅(qū)動，采用循序掃瞄的驅(qū)動方式，掃瞄線依設(shè)定的方式逐列開啟，當電流通過時，掃瞄線才會被點亮，其結(jié)構(gòu)較主動式驅(qū)動簡單，且不需使用到TFT制程，缺點是由于電極的公用形成交叉效應(yīng)外，兩個發(fā)光像素之間就可能有相互串擾的現(xiàn)象，即一個像素發(fā)光，另一個像素也可能發(fā)出微弱的光。

圖12 MicroLED被動式驅(qū)動架構(gòu)

圖13 MicroLED主動式驅(qū)動架構(gòu)

    主動式驅(qū)動的每個像素配備具有開關(guān)功能的低溫多晶硅薄膜晶體管(Low Temperature Poly-Si Thin Film Transistor, LTP-Si TFT)，而且每個像素配備一個電荷存儲電容，外圍驅(qū)動電路和顯示陣列整個系統(tǒng)集成在同一玻璃基板上。主動式驅(qū)動屬于靜態(tài)驅(qū)動方式，具有存儲效應(yīng)，可進行100%負載驅(qū)動，這種驅(qū)動不受掃描電極數(shù)的限制，可以對各像素獨立進行選擇性調(diào)節(jié)。主動式驅(qū)動無占空比問題，驅(qū)動不受掃描電極數(shù)的限制，易于實現(xiàn)高亮度和高分辨率。缺點是除了成本較高外，在大面積玻璃基板上制作的LTPSTFT，不同位置的TFT常常在諸如閾值電壓、遷移率等電學參數(shù)上具有非均勻性，這種非均勻性會轉(zhuǎn)化為LED顯示器件的電流差異和亮度差異，并被人眼所感知，即Mura現(xiàn)象。Oxide TFT雖然工藝的均勻性較好，在長時間加壓和高溫下，其閾值電壓會出現(xiàn)漂移，由于顯示畫面不同，面板各部分TFT的閾值漂移量不同，會造成顯示亮度差異，由于這種差異與之前顯示的圖像有關(guān)，因此常呈現(xiàn)為殘影現(xiàn)象，也就是通常所說的殘像。故，TFT基板的主動式驅(qū)動需要補償。

    以LED大型拼接顯示，采用PCB為基板，所以皆采用被動式驅(qū)動架構(gòu)，當像素點間距變密，行掃數(shù)提升，則像素間串擾的現(xiàn)象就會變嚴重，常見的串擾現(xiàn)象整理如下。首先是鬼影，鬼影最常出現(xiàn)在文字顯示時，相鄰發(fā)光的LED原本并不點亮，因為串擾而造成誤亮，如圖14所示，此問題需要藉由驅(qū)動IC修正成圖15的正常顯示。

圖14 顯示文字時出現(xiàn)鬼影

圖15 正常顯示

    其次是，周期性發(fā)生首行偏暗，可以注意到圖16上方及中間都有第*行掃偏暗的現(xiàn)象。第*行掃偏暗的現(xiàn)象是由LED燈點的寄生電容儲存的電荷經(jīng)驅(qū)動芯片的通道泄放所引起的分流現(xiàn)象所造成，由于第*行掃點亮后寄生電容中的電荷已泄放完畢，所以偏暗現(xiàn)象通常只發(fā)生在第*行掃(正常顯示如圖17)。

圖16 周期性首行偏暗

圖17 正常顯示

    第三，LED亮度基本上與流過的電流大小成正比，尤其是MicroLED這種高效率的LED，些微的順向電流差異，人眼就可以感覺出其亮度的差別。在被動式驅(qū)動行掃架構(gòu)下，如果驅(qū)動IC間的電流一致性不佳，對比于圖18的正常顯示內(nèi)容，很容易就產(chǎn)生以IC為單位的塊狀明暗顯示差異，如圖19所示。聚積科技第二代Precision Drive的驅(qū)動IC都能將驅(qū)動IC間的電流誤差控制在±1.5%以內(nèi)。而MicroLED的平均驅(qū)動電流將低至15μA以下，電流誤差控制目標要壓縮至±1.0%以內(nèi)，對于驅(qū)動IC設(shè)計將是一大挑戰(zhàn)。

圖18 正常顯示

圖19 電流均一性不佳，造成區(qū)塊不均

    第四點是LED壞點造成的十字架亮線，尤其在高行掃的設(shè)計，十字架現(xiàn)象除了水準方向延伸的燈點誤亮外，垂直方向的燈點誤亮也會隨行掃數(shù)變高而延伸，一旦有LED壞點出現(xiàn)時，十字架現(xiàn)象會相當明顯，造成顯示畫面瑕疵。圖20使用測試圖案為白色單色斜掃樣式，LED壞點故障情形為藍光LED故障，因此壞點會偏黃色，同時有以壞點為中心的十字架現(xiàn)象產(chǎn)生；圖21為開啟驅(qū)動IC內(nèi)建的消除十字架功能后的測試實拍，可觀察到十字架現(xiàn)象完全消除。

圖20 LED壞點隔離造成的十字亮線

圖21 啟用壞點隔離技術(shù)

    MicroLED仍然是最終解決方案

    LED一向給予人們節(jié)能高效率的印象，至少在白光LED取代傳統(tǒng)照明確實是如此，可是LED顯示屏的耗電量卻不比液晶顯示器低，甚至更高。原因在于，LED顯示屏上表示每個像素點的LED是用來顯示而非照明，R/G/B三原色的光強必須互相匹配，彼此妥協(xié)，所以并不是操作在*高效率的電流，若將R/G/B三原色的LED都操作在*高效率的電流，所發(fā)出的顏色對人眼來說是非常奇怪的。在MicroLED突破技術(shù)與良率瓶頸前，Mini-LED被視為MicroLED的前哨戰(zhàn)，現(xiàn)今Mini-LED芯片尺寸多落5×9mil至4×7mil，以5×9mil芯片尺寸為例，LED操作電流為500μA時，電流密度為1.65A/cm2，而在LED*佳的Internal Quantum Efficiency約略落在電流密度3~10A/cm2，倘若我們能夠?qū)⑿酒叽缈s小至80×80μm，則電流密度將提升至7.8 A/cm2。以圖22的藍光LED為例，效率則可提升9.4%。

圖22 藍光LED電流密度與效率關(guān)系

    MicroLED另一個迷人的地方在于成本的樽節(jié)，假以時日MicroLED的轉(zhuǎn)移良率能提高到99.999%，單就材料成本來看，晶粒尺寸80×80μm的MicroLED，比5×9mil的Mini-LED節(jié)省了80%的材料成本，若是放大到整個系統(tǒng)與SMD LED比較，如圖23，以P1.25 LED顯示屏為例，在像素成本降低了82%，整屏成本降低了32%。

圖23 P1.25 LED顯示屏成本比較

    自2014年Apple收購Luxvue以來，MicroLED吸引了眾人的目光，供應(yīng)鏈中，從上游磊晶，到巨量轉(zhuǎn)移，驅(qū)動IC與下游的系統(tǒng)集成，許多廠商競相投入這個市場。MicroLED對比于習知的各種顯示技術(shù)的優(yōu)勢是明確的，但伴隨而來的挑戰(zhàn)也是巨大的。磊晶、巨量轉(zhuǎn)移、驅(qū)動IC等每個步驟都有艱難的課題要被克服，在各家廠商努力之下，在2018年，我們將可以看到MicroLED商業(yè)化的產(chǎn)品，不論是大型顯示器，頭戴式裝置或是微型投影。

責編：小瀞