微發光二極體顯示器

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微發光二極體顯示器,(英语:Micro Light Emitting Diode Display縮寫Micro LED Display) ,是一種新興的平面顯示器,目前已有廠商應用在電視機上,如韓國三星電子展出的146寸4K電視機。[1]

歷史與現況[编辑]

發光二極體(LED)於顯示器元件中的使用,起自於TFT-LCD背光模組的應用。TFT-LCD為一非自發光的平面顯示器,其元件功能類似光控制開關,需有一提供光源背光模組。自1990年代TFT-LCD開始蓬勃發展時,即有廠商利用LED做為液晶顯示器之背光源,其具有高色彩飽和度、省電、輕薄等特點。然當時因成本過高、散熱不佳、光電效率低等因素,並未大量應用於TFT-LCD產品中。

至2000年代,將藍光LED chip封裝於含螢光粉樹脂中而製成的白光LED,其製程、效能、成本已逐漸成熟;至2008年左右,白光LED背光模組(LED backlight module)呈現爆發性的成長,幾年間即全面取代傳統的冷陰極管背光模組(CCFL backlight module),其應用領域由手機平板電腦筆記型電腦桌上型顯示器,乃至電視公用看板

然而,因TFT-LCD非自發光的顯示原理所致,其open cell穿透率約在7%以下,造成TFT-LCD的光電效率低落;且白光LED所能提供的色飽和度仍不如三原色LED(紅光LED、綠光LED、藍光LED),大部份TFT-LCD產品約僅72% NTSC;再則,於室外環境下,TFT-LCD亮度無法提昇至1000nits以上,致使影像和色彩辨識度低,為其一大應用缺陷。

故另一種直接利用三原色LED做為自發光顯示畫素的LED Display或Micro LED Display的技術也正在發展中。隨著LED的成熟與演進,LED Display或Micro LED Display自2010年代起開始有著不一樣的面貌呈現。SONY在2012年展示55吋FHD「Crystal LED Display」原型機,係利用表面黏著技術(SMT, surface-mount technology)或COB技術(Chip on board),將LED chip黏著於電路基板上,高達6.2百萬(1920x1080x3)顆LED chip做為高解析的顯示畫素,對比可達百萬比一,色飽和度可達140% NTSC,無反應時間和使用壽命問題。然而在商業化上,仍有不少的成本與技術瓶頸存在,迄今未能量產

一般的LED chip包含基板和磊晶層(Epitaxy)其厚度約在100~500μm,且尺寸介於100~1000μm。而更進一步正在進行的Micro LED Display研究在於,將LED表面厚約4~5μm磊晶層用物理化學機制剝離(Lift-off),再移植至電路基板上。其Micro LED Display綜合TFT-LCD和LED兩大技術特點,在材料製程設備的發展較為成熟,產品規格遠高於目前的TFT-LCD或OLED,應用領域更為廣泛包含軟性、透明顯示器,為一可行性高的次世代平面顯示器技術。

自2010年後各廠商積極於Micro LED Display的技術整合與開發,然因Micro LED Display尚未有標準的μLED結構、量產製程與驅動電路設計,各廠商的專利佈局更是兵家必爭之地。迄2016年止,Luxvue(2014年5月已被Apple併購)、Mikro Mesa、SONY等公司皆已具數量規模的專利申請案,更有為數眾多的公司與研究機構投入相關的技術開發。

2018年,韓國三星電子CES展上,已有146寸4K電視原型機亮相。[1]

顯示原理[编辑]

顯示原理比較

Micro LED Display的顯示原理,係將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化,其尺寸僅在1~10μm等級左右;後將μLED批量式轉移至電路基板上(含下電極與電晶體),其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上;再利用物理沈積製程完成保護層與上電極,即可進行上基板的封裝,完成一結構簡單的Micro LED Display。

μLED典型結構是一PN接面二極體,由直接能隙半導體材料構成。當上下電極施加一順向偏壓於μLED,致使電流通過時,電子、電洞對於主動區(Active region) 復合,而發射出單一色光。μLED發光頻譜其主波長的半高全寬FWHM僅約20nm,可提供極高的色飽和度,通常可大於120%NTSC。

且自2008年後LED光電轉換效率大幅提高,100 lm/W以上的LED已成量產之標準。而在Micro LED Display的應用上,為自發光的顯示特性,輔以幾乎無光耗元件的簡易結構,故可輕易達到低能耗(10%~20% TFT-LCD能耗) 或高亮度(1000nits以上) 的顯示器設計。即可解決目前顯示器應用的兩大問題,一是穿戴型裝置、手機、平板等設備,有8成以上的能耗在於顯示器上,低能耗的顯示器技術可提供更長的電池續航力;一是環境光較強(例:戶外、半戶外)致使顯示器上的影像泛白、辨識度變差的問題,高亮度的顯示技術可使其應用的範疇更加寬廣。

技術發展[编辑]

製程種類 Chip bonding[註 1] Wafer bonding[註 2] Thin film transfer[註 3]
顯示畫素種類
μLED 晶片 μLED 薄膜 μLED 薄膜
顯示基板尺寸
無尺寸限制 小尺寸 無尺寸限制
轉移間距可調
不可
批量轉移能力
不可
EPI 一次利用率
EPI 多次利用率
成本
廠商
SONY
  • Leti
  • ITRI
  • Luxvue
  • PlayNitride
  • Mikro Mesa
註解:
  1. ^ Chip bonding:晶片黏合係將LED直接進行切割成微米等級的μLED chip(含磊晶薄膜和基板),利用表面黏著技術(SMT, surface-mount technology) 或COB技術(Chip on board),將微米等級的μLED chip一顆一顆鍵接於顯示基板上。
  2. ^ Wafer bonding:晶圓黏合係在LED的磊晶薄膜層上用感應耦合電漿離子蝕刻(ICP),直接形成微米等級的μLED磊晶薄膜結構,此結構之固定間距即為顯示畫素所需的間距,再將LED晶圓(含磊晶層和基板)直接鍵接於驅動電路基板上,最後使用物理或化學機制剝離基板,僅剩4~5μm的μLED磊晶薄膜結構於驅動電路基板上形成顯示畫素。
  3. ^ Thin film transfer:係使用物理或化學機制剝離LED基板,以一暫時基板承載LED磊晶薄膜層,再利用感應耦合電漿離子蝕刻(ICP),形成微米等級的μLED磊晶薄膜結構;或者,先利用感應耦合電漿離子蝕刻(ICP),形成微米等級的μLED磊晶薄膜結構,再使用物理或化學機制剝離LED基板,以一暫時基板承載LED磊晶薄膜結構。最後,根據驅動電路基板上所需的顯示畫素間距,利用具有選擇性的轉移治具,將μLED磊晶薄膜結構進行批量轉移,鍵接於驅動電路基板上形成顯示畫素。

參見[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Our first look at Samsung's massive 146-inch 4K MicroLED TV. Engadget. [2018-01-08] (美国英语). 

引用[编辑]

外部链接[编辑]