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教你看懂最新技术Micro LED、Mini LED、Micro OLED

液晶显示技术不断进步,从最常听到的LCD、LED、OLED,到现在业界最热门的显示技术MicroLED、MiniLED、MicroOLED,你是否曾想过要搞懂,却又看得一头雾水?对此,这里将从科普的角度简单介绍这些新一代显示技术的特色,以及跟旧有技术的差别。

1  LCD、LED、OLED差在哪?

LCD是「液晶显示屏幕」(liquid-crystaldisplay),目前市场大都使用「薄膜电晶体液晶显示器」(TFT-LCD)技术,由两片玻璃基板中间夹着一层液晶,上层玻璃基板是彩色滤光片、下层玻璃则镶嵌着电晶体,当电流通过电晶体所产生的电场变化,使得液晶分子原本的旋转排列发生扭转,进而改变光线通过的旋转幅度,并以不同比例照射在彩色滤光片上,进而产生不同的颜色。


1.pngLCD面板最常使用TFT-LCD技术(Source:科技新报制图)

目前LCD技术已经相当成熟,用于一般电脑和电视荧幕,且成本低廉,成为消费产品的基础技术。

2.png一般液晶显示器的显像原理(Source:科技新报制图)

了解LCD后,接着来介绍LED和OLED。

LED叫做「发光二极管」(light-emittingdiode),利用电能转为光能,在半导体内正负极2个端子施加电压,当电流通过后,电子与空穴相结合,剩余能量便以可见光的形式释放,依照使用材料的不同,光子能量会产生不同波长的光。直显式的LED常用于户外电视墙或者红绿灯,LED晶片则是目前电视、屏幕背光源与照明的主流产品。

3.pngLED技术是利用电能转为光能。(Source:科技新报制图)

LED跟OLED的驱动概念相当相近,不过使用的材料完全不同。OLED叫做「有机发光二极管」(OrganicLight-EmittingDiode),基本结构是在铟锡氧化物(ITO)玻璃上制作一层有机材料发光层,并在发光层上再覆盖一层低功函数的金属电极。透过外界电压的驱动下,正极电洞与阴极电子便会在发光层中结合,产生能量并发出光,因材料特性不同而产生R、G和B三原色,来构成基本色彩。

4.pngOLED技术(Source:科技新报制图)

OLED与LCD最大的差异在于是否能自体发光,LCD需要LED背板和滤光片,而OLED能够自体发光。

OLED虽然呈现的画面鲜艳、功耗低、可以弯曲,但有机材料会氧化所以寿命相对较短,也会出现色烙问题,加上成本高、技术含量高,目前大都适用于小荧幕,好比手机屏幕。

2  MiniLED、MicroLED傻傻分不清楚

懂了LCD、LED和OLED的基本差异后,再来看高阶显示技术MiniLED、MicroLED和MicroOLED。

MiniLED和MicroLED最直观的差异就是LED晶体的颗粒大小,但从概念来看却又有一点差异。MiniLED正式名称为「次毫米发光二极管」,MicroLED是指「微发光二极管」,两者晶体尺寸基本上以100 μm为界,约0.1 mm。

5.pngMicroLED技术结构(Source:科技新报制图)

MiniLED被视为是MicroLED的过渡期,是传统LED背光基础上的改良版本,作为LCD面板的背光源使用;MicroLED则是新一代的显示技术,将LED背光源微缩化、矩阵化,致力于单独驱动无机自发光(自发光)、让产品寿命更长,甚至性能更胜OLED,被业界视为下世代的显示技术。

目前,MiniLED技术主要用于「多区背光显示器」以及「大型RGB小间距显示器」。MiniLED技术中的「多区背光调控」功能可达成分区调光,好比强化画面的高对比度和高解析度,达到HDR效果,效果与OLED显示器相近;另一个技术是使用MiniLED晶粒,打造出显示画素间距低于Pitch1.0 mm的大尺寸荧幕,除了提升LED显示屏幕的解析度,还能创造新的显示屏幕主流规格。

至于MicroLED则会带来技术新突破,用途不仅限于背光源,因为MicroLED的晶粒到了肉眼难以分辨的等级,可以直接将R、G、B三原色的晶粒拼成一个像素点,变成「一个像素」的概念,不再需要滤光片和液晶层,也正因为这样的技术特点与过往LCD显示屏幕的发光结构完全不同,将为LCD产业带来全新革命。

6.png巨量转移要将晶粒完整放到电路矩阵上,实际做起来非常困难。(Source:科技新报制图)

除了可望为LCD产业开创全新局面,未来MicroLED的应用范畴广阔,包括AR/VR设备、车用屏幕、高解析度穿戴产品等。不过,MicroLED技术却存在许多困难需要解决,从前期的磊晶技术瓶颈、巨量转移(MassTransfer)良率、封装测试问题,到后续的检测、维修都是很大的挑战,影响MicroLED能否量产。

3  OLED下一代技术,MicroOLED技术大革新

MicroOLED又称硅基OLED(OLED on silicon)称为半导体技术与OLED技术的结合,实现更轻更薄、能耗也更低的技术,AR/VR应用前景可期,但与先前提到的MicroLED又有什么不同呢?


不过在此之前,得先说明清楚OLED为何物,MicroOLED又是否仅是OLED的微缩版。

7.png

MicroOLED技术

OLED技术发展已久,材料大多为有机材料,不需背光模组透过各个像素发光,每个像素都可以发出独立、某种颜色的光,且可以单独打开和关闭,因此除了拥有出色且深邃的黑以及优良的对比度,耗电量也低于传统的LED与液晶显示器(LCD)。

8.png                  满满的OLED像素点(Source:shutterstock)

目前OLED技术也已经应用在智慧型手机与电视显示器,MicroOLED虽然只在名称前加了个「Micro」,又源于OLED,但是生产更复杂的显示技术,也有截然不同的市场定位,应用直指AR/VR显示器领域。

MicroOLED主要是在两层电极之间使用能够发光的萤光有机材料,电流通过后会发出单色光,再透过滤色器生成所需的颜色。MicroOLED光源模组是将OLED蒸镀到基板上,若是主要的硅基OLED则是蒸镀到硅基板(半导体晶圆)上,除了带有OLED自发光优势,面板厚度和体积也比以前更薄、更小、耗能更低,再加上响应时间短、发光效率高等特性,更容易实现高ppi(像素密度)。

这也正巧满足AR/VR等头盔显示器、显示镜等需求。AR/VR技术虽然已经问世多年,但因为技术本身尚未完善,实际体验往往会面对晕眩、解析度低,以及体积大又昂贵的问题,若要解决晕眩问题,面板解析度要从现在的500ppi解析度提升到2000ppi才可以。

这便是MicroOLED的市场所在,虽说它没有那么亮,也有着OLED的不同程度老化问题,难进攻大尺寸领域,但是MicroOLED在小尺寸领域具有明显优势。随着大家对AR/VR显示应用从游戏、军事,慢慢推广到医疗、教育与零售业,市场扩大,连带对于画质、延迟等显示要求也攀升,具备高解析度、辉度、对比及反应速度的新一代显示技术就可以取得发展机会,目前MicroOLED更已经应用在军事、工业、医疗和商业智慧眼镜。

4  MicroOLED还是MicroLED?别搞混了!

在提到MicroOLED的时候,往往也会提及另一个先进显示技术、名称同样有Micro的「MicroLED」,不过这两个虽然都是目标超高精细、高解析度、高可靠度及反应时间快,但从制程到应用皆完全不同,MicroLED与MicroOLED的市场仅有部分重叠。

MicroLED尺寸界定为75μm以下,不带蓝宝石衬底,制程方面MicroLED也是采用不一样的磊晶技术,在晶片上整合的高密度微小尺寸的LED阵列,应用领域非常广阔,从穿戴式装置、头戴式显示器、AR/VR到光疗技术都有,也因为MicroLED是无机材料,具有更高的亮度并且比使用有机材料的OLED更稳定。

目前MicroLED最大难题则是如何将数百万颗微小的LED精准转移到背板上(巨量转移)、以及后续的检测与封装技术,投资成本相当高昂。

相较之下,MicroOLED尺寸不一定局限在75 μm,OLED制程就会定义每个像素大小,MicroOLED主要是采用蒸镀技术,如何将容易受到氧气和水影响的有机材料,精准且均匀蒸镀到基板上,真空镀膜机、精密的金属遮罩(Fine Metal Mask,FMM)将是制程重点之一。

目前已有多家厂商正研发MicroOLED,主要也是因为硅基MicroOLED技术是结合积体电路的设计制程CMOS制程和OLED技术,以单晶硅为有源驱动背板,例如日经亚洲(NikkeiAsia)3月时透露,苹果(Apple)找上长期晶片供应伙伴台积电,将一同研发超先进显示器技术MicroOLED。

除此之外,中国、南韩也一直没有忽略这块,中国京东方2018年以来一直与云南合资企业昆明京东方显示技术一同开发MicroOLED,ELEC研究指出,京东方更计划在2021下半年推出商用MicroOLED显示器,应用主打AR/VR领域,蒸镀设备则与南韩Sunic Systems合作。

韩国显示及半导体设备厂商APSHoldings也在5月透露,南韩政府已找上他们负责一个MicroOLED显示专案,APS将与其他开发商在2024年之前共同开发出4000ppi的AR眼镜。

2020年法国Micro-OLED也宣布从两家泛欧高科技投资者CipioPartners和Ventech处获得800万欧元成长型投资,推动开发整合AR模组。

MicroOLED的市场方向明确,在小尺寸领域有较明显优势,应用范围也没有像OLED、MicroLED那么广泛,也变成近年来的研究热点之一,已有不少厂商投入并增强制造能力,满足不同领域的需求,将是未来十年推动AR/VR和其他人机设备的重要推手,事实上2020年显示展会也有多款MicroOLED产品现身,ppi更可达3000以上。

预计到2024年,全球微显示器市场将达5000万台,包括AR/VR、智慧眼镜、头盔显示器和抬头显示器。

来源:MicroDisplay、科技新报

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日期:2023-05-10   浏览:7152