微发光二极体显示器
微发光二极体显示器，（英语：Micro Light Emitting Diode Display，缩写为 Micro LED Display） ，是一种新兴的平面显示器，最早由德克萨斯理工大学江红星和林景瑜研究小组于2000年在堪萨斯州立大学时发明，2009年德克萨斯理工大学和江林创立的III-N Technology公司通过互补金属主动驱动 microLED 阵列实现了第一个 VGA 格式的高分辨率且具有视频功能的氮化铟镓microLED 微型显示器-氧化物半导体（CMOS）IC。目前已有厂商应用在电视机上，如韩国三星电子展出的146吋4K电视机[1]和日本索尼展出的800吋Crystal LED 16K显示系统。
历史与现况
编辑发光二极体（LED）于显示器元件中的使用，起自于TFT-LCD背光模组的应用。TFT-LCD为一非自发光的平面显示器，其元件功能类似光控制开关，需有一提供光源的背光模组。自1990年代TFT-LCD开始蓬勃发展时，即有厂商利用LED做为液晶显示器之背光源，其具有高色彩饱和度、省电、轻薄等特点。然当时因成本过高、散热不佳、光电效率低等因素，并未大量应用于TFT-LCD产品中。
至2000年代，将蓝光LED chip封装于含萤光粉的树脂中而制成的白光LED，其制程、效能、成本已逐渐成熟；至2008年左右，白光LED背光模组（LED backlight module）呈现爆发性的成长，几年间即全面取代传统的冷阴极管背光（CCFL backlight module），其应用领域由手机、平板电脑、笔记型电脑、桌上型显示器，乃至电视和公用看板。
然而，因TFT-LCD非自发光的显示原理所致，其open cell穿透率约在7%以下，造成TFT-LCD的光电效率低落；且白光LED所能提供的色饱和度仍不如三原色LED（红光LED、绿光LED、蓝光LED），大部份TFT-LCD产品约仅72% NTSC；再则，于室外环境下，TFT-LCD亮度无法提升至1000nits以上，致使影像和色彩辨识度低，为其一大应用缺陷。
故另一种直接利用三原色LED做为自发光显示画素的LED Display或Micro LED Display的技术也正在发展中。2000年，德克萨斯理工大学江红星和林景瑜研究小组于在堪萨斯州立大学时论文提出，并且德克萨斯理工大学和江林创立的III-N Technology公司通过互补金属主动驱动 microLED 阵列于2009年实现了第一个 VGA 格式的高分辨率且具有视频功能的氮化铟镓microLED 微型显示器-氧化物半导体（CMOS）IC。
随著LED的成熟与演进，LED Display或Micro LED Display自2010年代起开始有著不一样的面貌呈现。SONY在2012年展示55吋FHD“Crystal LED Display”原型机，系利用表面黏著技术（SMT, surface-mount technology）或COB技术（Chip on board），将LED chip黏著于电路基板上，高达6.2百万（1920×1080×3）颗LED chip做为高解析的显示画素，对比可达百万比一，色饱和度可达140% NTSC，无反应时间和使用寿命问题。然而在商业化上，仍有不少的成本与技术瓶颈存在，迄今未能量产。
一般的LED chip包含基板和磊晶层（Epitaxy）其厚度约在100~500μm，且尺寸介于100－1000μm。而更进一步正在进行的Micro LED Display研究在于，将LED表面厚约4－5μm磊晶层用物理或化学机制剥离（Lift-off），再移植至电路基板上。其Micro LED Display综合TFT-LCD和LED两大技术特点，在材料、制程、设备的发展较为成熟，产品规格远高于目前的TFT-LCD或OLED，应用领域更为广泛包含软性、透明显示器，为一可行性高的次世代平面显示器技术。
自2010年后各厂商积极于Micro LED Display的技术整合与开发，然因Micro LED Display尚未有标准的μLED结构、量产制程与驱动电路设计，各厂商的专利布局更是兵家必争之地。迄2016年止，Luxvue（2014年5月已被Apple并购）、Mikro Mesa、SONY等公司皆已具数量规模的专利申请案，更有为数众多的公司与研究机构投入相关的技术开发。
2018年，韩国三星电子在CES展上，已有146吋4K电视原型机亮相。[1]
2019年8月SONY宣布提供 CLEDIS 146吋到219吋的大萤幕MicroLED显示。[2]
在小尺寸显示方面: 2017年SID Display Week，glo与Jasper Display Corp共同发表全世界第一个0.55英寸（1.4厘米）RGB全彩微型发光二极体显示器，glo使用巨量转移技术将微发光二极体键合在Jasper Display提供的矽基背板上。glo在2018年展出全球最亮 超过100,000 尼特超高亮度的单色微发光二极体显示面板。[3]
在2019年的SID Display Week，天马微电子与錼创科技共同展示7.56英寸（19.2厘米）穿透率大于60%的微发光二极体透明显示器。华星光电TCL与錼创科技共同展示3.3英寸（8.4厘米）穿透率约45%的微发光二极体透明显示器。来自于英国的Plessey以wafer-to-wafer键合技术，展示一个0.7英寸（1.8厘米）单片式蓝色微发光二极体显示器，Plessey导入自行开发monolithic全片式 氮化镓发光二极体键合在Jasper Display提供的8微米像素间距的有源主动式元件矩阵矽基背板上。[4]
显示原理
编辑
Micro LED Display的显示原理，系将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化，其尺寸仅在1~10μm等级左右；后将μLED批量式转移至电路基板上（含下电极与电晶体），其基板可为硬性、软性之透明、不透明基板上；再利用物理沉积制程完成保护层与上电极，即可进行上基板的封装，完成一结构简单的Micro LED Display。
μLED典型结构是一PN接面二极体，由直接能隙半导体材料构成。当上下电极施加一顺向偏压于μLED，致使电流通过时，电子、电洞对于主动区（Active region） 复合，而发射出单一色光。μLED发光频谱其主波长的半高全宽FWHM仅约20nm，可提供极高的色饱和度，通常可大于120%NTSC。
且自2008年后LED光电转换效率大幅提高，100 lm/W以上的LED已成量产之标准。而在Micro LED Display的应用上，为自发光的显示特性，辅以几乎无光耗元件的简易结构，故可轻易达到低能耗（10%~20% TFT-LCD能耗） 或高亮度（1000nits以上） 的显示器设计。即可解决目前显示器应用的两大问题，一是穿戴型装置、手机、平板等设备，有8成以上的能耗在于显示器上，低能耗的显示器技术可提供更长的电池续航力；一是环境光较强（例：户外、半户外）致使显示器上的影像泛白、辨识度变差的问题，高亮度的显示技术可使其应用的范畴更加宽广。
技术发展
编辑| 制程种类 | Chip bonding[注 1] | Wafer bonding[注 2] | Thin film transfer[注 3] |
|---|---|---|---|
显示画素种类
|
μLED 晶片 | μLED 薄膜 | μLED 薄膜 |
显示基板尺寸
|
无尺寸限制 | 小尺寸 | 无尺寸限制 |
转移间距可调
|
可 | 不可 | 可 |
批量转移能力
|
不可 | 可 | 可 |
EPI 一次利用率
|
中 | 低 | 高 |
EPI 多次利用率
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无 | 中 | 高 |
成本
|
高 | 中 | 低 |
厂商
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SONY |
|
|
- 注解：
- ^ Chip bonding：晶片黏合系将LED直接进行切割成微米等级的μLED chip（含磊晶薄膜和基板），利用表面黏著技术（SMT， surface-mount technology） 或COB技术（Chip on board），将微米等级的μLED chip一颗一颗键接于显示基板上。
- ^ Wafer bonding：晶圆黏合系在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合电浆离子蚀刻（ICP），直接形成微米等级的μLED磊晶薄膜结构，此结构之固定间距即为显示画素所需的间距，再将LED晶圆（含磊晶层和基板）直接键接于驱动电路基板上，最后使用物理或化学机制剥离基板，仅剩4～5μm的μLED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上形成显示画素。
- ^ Thin film transfer：系使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层，再利用感应耦合电浆离子蚀刻（ICP），形成微米等级的μLED磊晶薄膜结构；或者，先利用感应耦合电浆离子蚀刻（ICP），形成微米等级的μLED磊晶薄膜结构，再使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜结构。最后，根据驱动电路基板上所需的显示画素间距，利用具有选择性的转移治具，将μLED磊晶薄膜结构进行批量转移，键接于驱动电路基板上形成显示画素。
参见
编辑参考文献
编辑- ^ 1.0 1.1 Our first look at Samsung's massive 146-inch 4K MicroLED TV. Engadget. [2018-01-08]. （原始内容存档于2020-03-21） （美国英语）.
- ^ Sony reveals its Cystal-LED MicroLED display prices in Europe. microled-info. [2019-08-02] （美国英语）.[失效链接]
- ^ [Display Week 2018 Show Report]- GLO and JDC Demonstrated the Brightest Micro LED Display in the World. ledinside. [2018-05-24]. （原始内容存档于2020-09-29） （美国英语）.
- ^ [SID Display Week 2019]Micro LED Display Products Progress with Chinese Panel Makers Joining the Field. TRENDFORCE. [2019-05-17]. （原始内容存档于2021-02-03） （美国英语）.
引用
编辑- Murphy, David. Apple Acquires Micro-LED Display Maker LuxVue Technology. PC Mag. 2014-05-03 [2018-05-19]. （原始内容存档于2018-07-05）.
- Campos, Alvaro. Why Did Apple Inc Buy This Micro-LED Tech Startup?. Motley Fool. 2014-05-13 [2018-05-19]. （原始内容存档于2021-06-18）.
- US 8552436,Andreas Bibl,“Light emitting diode structure”,发表于2013-10-08
外部链接
编辑- Micro LED与OLED争艳-台湾固态照明国际研讨会 - LEDinside （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Micro LED的关键生产技术－“巨量转移” - DISPLAY CHINA国际新型显示技术展
- 谁将决定Micro-LED的发展应用轨迹？ - LED大屏网LED显示屏新闻 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- 趣科技 | OLED/QLED技术争宠上位，苹果为啥翻了Micro LED的牌-模拟/电源-与非网 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Micro-LED发展现状及其技术瓶颈分析 - oled - 电子发烧友网 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- MicroLED热度“爆棚”，超小间距LED屏领域遭哄抢-字媒体 ZiMedia （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- 《MicroLED显示技术与市场-2017版》 - 超越摩尔市场报告 - Yole - 微迷：专业MEMS市场调研媒体
- The Long View With John Doerr | Disrupt SF 2013 （页面存档备份，存于互联网档案馆）, John Doerr of KPC&B 描述 microLED 概念，从标记约五分钟地方时开始