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教你看懂最新技術Micro LED、Mini LED、Micro OLED

液晶顯示技術不斷進步,從最常聽到的LCD、LED、OLED,到現在業界最熱門的顯示技術MicroLED、MiniLED、MicroOLED,你是否曾想過要搞懂,卻又看得一頭霧水?對此,這里將從科普的角度簡單介紹這些新一代顯示技術的特色,以及跟舊有技術的差別。

1  LCD、LED、OLED差在哪?

LCD是「液晶顯示屏幕」(liquid-crystaldisplay),目前市場大都使用「薄膜電晶體液晶顯示器」(TFT-LCD)技術,由兩片玻璃基板中間夾著一層液晶,上層玻璃基板是彩色濾光片、下層玻璃則鑲嵌著電晶體,當電流通過電晶體所產生的電場變化,使得液晶分子原本的旋轉排列發生扭轉,進而改變光線通過的旋轉幅度,并以不同比例照射在彩色濾光片上,進而產生不同的顏色。


1.pngLCD面板最常使用TFT-LCD技術(Source:科技新報制圖)

目前LCD技術已經相當成熟,用于一般電腦和電視熒幕,且成本低廉,成為消費產品的基礎技術。

2.png一般液晶顯示器的顯像原理(Source:科技新報制圖)

了解LCD后,接著來介紹LED和OLED。

LED叫做「發光二極管」(light-emittingdiode),利用電能轉為光能,在半導體內正負極2個端子施加電壓,當電流通過后,電子與空穴相結合,剩余能量便以可見光的形式釋放,依照使用材料的不同,光子能量會產生不同波長的光。直顯式的LED常用于戶外電視墻或者紅綠燈,LED晶片則是目前電視、屏幕背光源與照明的主流產品。

3.pngLED技術是利用電能轉為光能。(Source:科技新報制圖)

LED跟OLED的驅動概念相當相近,不過使用的材料完全不同。OLED叫做「有機發光二極管」(OrganicLight-EmittingDiode),基本結構是在銦錫氧化物(ITO)玻璃上制作一層有機材料發光層,并在發光層上再覆蓋一層低功函數的金屬電極。透過外界電壓的驅動下,正極電洞與陰極電子便會在發光層中結合,產生能量并發出光,因材料特性不同而產生R、G和B三原色,來構成基本色彩。

4.pngOLED技術(Source:科技新報制圖)

OLED與LCD最大的差異在于是否能自體發光,LCD需要LED背板和濾光片,而OLED能夠自體發光。

OLED雖然呈現的畫面鮮艷、功耗低、可以彎曲,但有機材料會氧化所以壽命相對較短,也會出現色烙問題,加上成本高、技術含量高,目前大都適用于小熒幕,好比手機屏幕。

2  MiniLED、MicroLED傻傻分不清楚

懂了LCD、LED和OLED的基本差異后,再來看高階顯示技術MiniLED、MicroLED和MicroOLED。

MiniLED和MicroLED最直觀的差異就是LED晶體的顆粒大小,但從概念來看卻又有一點差異。MiniLED正式名稱為「次毫米發光二極管」,MicroLED是指「微發光二極管」,兩者晶體尺寸基本上以100 μm為界,約0.1 mm。

5.pngMicroLED技術結構(Source:科技新報制圖)

MiniLED被視為是MicroLED的過渡期,是傳統LED背光基礎上的改良版本,作為LCD面板的背光源使用;MicroLED則是新一代的顯示技術,將LED背光源微縮化、矩陣化,致力于單獨驅動無機自發光(自發光)、讓產品壽命更長,甚至性能更勝OLED,被業界視為下世代的顯示技術。

目前,MiniLED技術主要用于「多區背光顯示器」以及「大型RGB小間距顯示器」。MiniLED技術中的「多區背光調控」功能可達成分區調光,好比強化畫面的高對比度和高解析度,達到HDR效果,效果與OLED顯示器相近;另一個技術是使用MiniLED晶粒,打造出顯示畫素間距低于Pitch1.0 mm的大尺寸熒幕,除了提升LED顯示屏幕的解析度,還能創造新的顯示屏幕主流規格。

至于MicroLED則會帶來技術新突破,用途不僅限于背光源,因為MicroLED的晶粒到了肉眼難以分辨的等級,可以直接將R、G、B三原色的晶粒拼成一個像素點,變成「一個像素」的概念,不再需要濾光片和液晶層,也正因為這樣的技術特點與過往LCD顯示屏幕的發光結構完全不同,將為LCD產業帶來全新革命。

6.png巨量轉移要將晶粒完整放到電路矩陣上,實際做起來非常困難。(Source:科技新報制圖)

除了可望為LCD產業開創全新局面,未來MicroLED的應用范疇廣闊,包括AR/VR設備、車用屏幕、高解析度穿戴產品等。不過,MicroLED技術卻存在許多困難需要解決,從前期的磊晶技術瓶頸、巨量轉移(MassTransfer)良率、封裝測試問題,到后續的檢測、維修都是很大的挑戰,影響MicroLED能否量產。

3  OLED下一代技術,MicroOLED技術大革新

MicroOLED又稱硅基OLED(OLED on silicon)稱為半導體技術與OLED技術的結合,實現更輕更薄、能耗也更低的技術,AR/VR應用前景可期,但與先前提到的MicroLED又有什么不同呢?


不過在此之前,得先說明清楚OLED為何物,MicroOLED又是否僅是OLED的微縮版。

7.png

MicroOLED技術

OLED技術發展已久,材料大多為有機材料,不需背光模組透過各個像素發光,每個像素都可以發出獨立、某種顏色的光,且可以單獨打開和關閉,因此除了擁有出色且深邃的黑以及優良的對比度,耗電量也低于傳統的LED與液晶顯示器(LCD)。

8.png                  滿滿的OLED像素點(Source:shutterstock)

目前OLED技術也已經應用在智慧型手機與電視顯示器,MicroOLED雖然只在名稱前加了個「Micro」,又源于OLED,但是生產更復雜的顯示技術,也有截然不同的市場定位,應用直指AR/VR顯示器領域。

MicroOLED主要是在兩層電極之間使用能夠發光的螢光有機材料,電流通過后會發出單色光,再透過濾色器生成所需的顏色。MicroOLED光源模組是將OLED蒸鍍到基板上,若是主要的硅基OLED則是蒸鍍到硅基板(半導體晶圓)上,除了帶有OLED自發光優勢,面板厚度和體積也比以前更薄、更小、耗能更低,再加上響應時間短、發光效率高等特性,更容易實現高ppi(像素密度)。

這也正巧滿足AR/VR等頭盔顯示器、顯示鏡等需求。AR/VR技術雖然已經問世多年,但因為技術本身尚未完善,實際體驗往往會面對暈眩、解析度低,以及體積大又昂貴的問題,若要解決暈眩問題,面板解析度要從現在的500ppi解析度提升到2000ppi才可以。

這便是MicroOLED的市場所在,雖說它沒有那么亮,也有著OLED的不同程度老化問題,難進攻大尺寸領域,但是MicroOLED在小尺寸領域具有明顯優勢。隨著大家對AR/VR顯示應用從游戲、軍事,慢慢推廣到醫療、教育與零售業,市場擴大,連帶對于畫質、延遲等顯示要求也攀升,具備高解析度、輝度、對比及反應速度的新一代顯示技術就可以取得發展機會,目前MicroOLED更已經應用在軍事、工業、醫療和商業智慧眼鏡。

4  MicroOLED還是MicroLED?別搞混了!

在提到MicroOLED的時候,往往也會提及另一個先進顯示技術、名稱同樣有Micro的「MicroLED」,不過這兩個雖然都是目標超高精細、高解析度、高可靠度及反應時間快,但從制程到應用皆完全不同,MicroLED與MicroOLED的市場僅有部分重疊。

MicroLED尺寸界定為75μm以下,不帶藍寶石襯底,制程方面MicroLED也是采用不一樣的磊晶技術,在晶片上整合的高密度微小尺寸的LED陣列,應用領域非常廣闊,從穿戴式裝置、頭戴式顯示器、AR/VR到光療技術都有,也因為MicroLED是無機材料,具有更高的亮度并且比使用有機材料的OLED更穩定。

目前MicroLED最大難題則是如何將數百萬顆微小的LED精準轉移到背板上(巨量轉移)、以及后續的檢測與封裝技術,投資成本相當高昂。

相較之下,MicroOLED尺寸不一定局限在75 μm,OLED制程就會定義每個像素大小,MicroOLED主要是采用蒸鍍技術,如何將容易受到氧氣和水影響的有機材料,精準且均勻蒸鍍到基板上,真空鍍膜機、精密的金屬遮罩(Fine Metal Mask,FMM)將是制程重點之一。

目前已有多家廠商正研發MicroOLED,主要也是因為硅基MicroOLED技術是結合積體電路的設計制程CMOS制程和OLED技術,以單晶硅為有源驅動背板,例如日經亞洲(NikkeiAsia)3月時透露,蘋果(Apple)找上長期晶片供應伙伴臺積電,將一同研發超先進顯示器技術MicroOLED。

除此之外,中國、南韓也一直沒有忽略這塊,中國京東方2018年以來一直與云南合資企業昆明京東方顯示技術一同開發MicroOLED,ELEC研究指出,京東方更計劃在2021下半年推出商用MicroOLED顯示器,應用主打AR/VR領域,蒸鍍設備則與南韓Sunic Systems合作。

韓國顯示及半導體設備廠商APSHoldings也在5月透露,南韓政府已找上他們負責一個MicroOLED顯示專案,APS將與其他開發商在2024年之前共同開發出4000ppi的AR眼鏡。

2020年法國Micro-OLED也宣布從兩家泛歐高科技投資者CipioPartners和Ventech處獲得800萬歐元成長型投資,推動開發整合AR模組。

MicroOLED的市場方向明確,在小尺寸領域有較明顯優勢,應用范圍也沒有像OLED、MicroLED那么廣泛,也變成近年來的研究熱點之一,已有不少廠商投入并增強制造能力,滿足不同領域的需求,將是未來十年推動AR/VR和其他人機設備的重要推手,事實上2020年顯示展會也有多款MicroOLED產品現身,ppi更可達3000以上。

預計到2024年,全球微顯示器市場將達5000萬臺,包括AR/VR、智慧眼鏡、頭盔顯示器和抬頭顯示器。

來源:MicroDisplay、科技新報

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日期:2023-05-10   瀏覽:3411
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