Mini-LED背光技術(shù)在電視產(chǎn)品應(yīng)用中的進(jìn)展和挑戰(zhàn)

季洪雷,陳乃軍，王代青，張 彥，葛子義

(1.中國(guó)科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所,浙江 寧波 315201；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.TCL電子有限公司研發(fā)中心,廣東 深圳 518000 ;4.寧波激智科技股份有限公司，江浙 寧波 315000)

1 引 言

在狄更斯的《雙城記》中寫道“這是一個(gè)最好的時(shí)代，也是一個(gè)最壞的時(shí)代”，將這句話用在當(dāng)今的顯示技術(shù)時(shí)代再合適不過(guò)。2002年至今，我國(guó)在液晶顯示(LCD)產(chǎn)業(yè)上投資超過(guò)1萬(wàn)億，近幾年在有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示產(chǎn)業(yè)的投資也超過(guò)了6 000億。2020年，我國(guó)的LCD顯示屏產(chǎn)量已經(jīng)占據(jù)全球第一，預(yù)計(jì)2023年我國(guó)OLED顯示屏的產(chǎn)量也將成為全球第一。借助國(guó)家的力量，顯示產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，可以說(shuō)我們這一代趕上了百年不遇的產(chǎn)業(yè)發(fā)展契機(jī)。但同時(shí)，現(xiàn)在也是顯示技術(shù)大爆發(fā)的時(shí)代，從傳統(tǒng)的LCD、OLED到激光投影、量子點(diǎn)(Quantum dots,QD)液晶顯示，再到這兩年火熱的Mini-LED、Micro-LED、量子點(diǎn)有機(jī)發(fā)光二極管(QD-OLED)、QNED(以藍(lán)光LED作為光源的QD-OLED顯示)等顯示技術(shù)，顯示技術(shù)從業(yè)者往往也會(huì)有“亂花漸欲迷人眼”之感[1-2]。處在這樣一個(gè)“春花爛漫”的時(shí)代，從業(yè)者們需要意識(shí)到的是在多種顯示技術(shù)的集中爆發(fā)后，根據(jù)市場(chǎng)法則最終占據(jù)主導(dǎo)地位的必然只有一種技術(shù)，即“我花開后百花殺”的殘酷結(jié)局[3]。歷史已有經(jīng)驗(yàn)告訴我們，如同LCD技術(shù)淘汰陰極射線顯像管(CRT)和等離子顯示技術(shù)(PDP)一樣，目前多樣化的顯示技術(shù)從長(zhǎng)期來(lái)看，在未來(lái)只有一種或兩種技術(shù)可以脫穎而出，成為真正的下一代顯示技術(shù)。本文從TV顯示技術(shù)的發(fā)展出發(fā)，介紹了Mini-LED背光技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

Mini-LED的概念源于Micro-LED技術(shù)的發(fā)展。盡管Micro-LED用于直接顯示的優(yōu)勢(shì)非常突出，然而受限于巨量轉(zhuǎn)移等技術(shù)的發(fā)展，距離市場(chǎng)化仍有一定的距離。傳統(tǒng)的LED的尺寸一般為毫米量級(jí)，而Micro-LED的尺寸一般為<100 μm。在傳統(tǒng)的LED和Micro-LED之間，存在一個(gè)芯片的尺寸斷層，被成為Mini-LED技術(shù)。Mini-LED技術(shù)可以看作是LED向Micro-LED技術(shù)的過(guò)渡。由于Mini-LED技術(shù)難度相對(duì)較低，同時(shí)得益于液晶直下式LED滿天星技術(shù)方案，Mini-LED技術(shù)在液晶顯示背光中產(chǎn)生了應(yīng)用前景，成為Mini-LED發(fā)展的主要推動(dòng)力。此外，Mini-LED相關(guān)的巨量轉(zhuǎn)移、檢測(cè)等技術(shù)對(duì)于Micro-LED的發(fā)展具有一定推動(dòng)作用，也成為Mini-LED技術(shù)發(fā)展的技術(shù)推動(dòng)力量。

Mini-LED顯示技術(shù)主要分為兩大類，一類是直接將Mini-LED通過(guò)無(wú)源矩陣(PM)驅(qū)動(dòng)或有源矩陣(AM)驅(qū)動(dòng)，是最接近Micro-LED的顯示技術(shù)，尚有多項(xiàng)技術(shù)問題未攻克，還沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用；另外一類則是Mini-LED背光技術(shù)，通過(guò)將Mini-LED背光與LCD結(jié)合，可以大幅提升LCD在對(duì)比度和運(yùn)動(dòng)模糊方面的性能。運(yùn)動(dòng)模糊是指靜態(tài)場(chǎng)景或一系列的圖片像電影或是動(dòng)畫中快速移動(dòng)的物體造成明顯的模糊拖動(dòng)痕跡。同時(shí)保持超薄厚度，使LCD技術(shù)升級(jí)到新的臺(tái)階，提升基于LCD終端產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

本文僅就目前最接近產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的Mini-LED背光技術(shù)進(jìn)行討論，從Mini-LED背光技術(shù)的定義出發(fā)，回顧近年來(lái)Mini-LED背光技術(shù)在顯示產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用狀況，闡述Mini-LED背光技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)LCD顯示產(chǎn)業(yè)的意義。在此基礎(chǔ)上，從Mini-LED背光技術(shù)層面和TV的應(yīng)用層面提出了Mini-LED背光技術(shù)發(fā)展中存在的問題和挑戰(zhàn)以及Mini-LED背光技術(shù)在TV產(chǎn)品中應(yīng)用的發(fā)展方向。

2 Mini-LED背光的定義

目前產(chǎn)業(yè)界還沒有形成Mini-LED標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，不同廠商在產(chǎn)業(yè)鏈中所處的位置不同，對(duì)于Mini-LED背光技術(shù)的定義標(biāo)準(zhǔn)也不同。

圖1 Mini-LED背光的定義角度Fig.1 Definition of Mini-LED backlight from different perspectives

從Mini-LED名詞自身的角度看，需要按照芯片的尺寸來(lái)定義，目前通常認(rèn)為，Mini-LED指的是芯片短邊尺寸在75～300 μm之間的芯片。

而對(duì)于封裝廠而言，在分區(qū)數(shù)量較少的情況下使用微米級(jí)的芯片用于背光方案，芯片的數(shù)量大幅增加，驅(qū)動(dòng)電流大幅降低，芯片的發(fā)光效率也隨之大幅降低。

對(duì)于TV產(chǎn)品應(yīng)用，Mini-LED背光技術(shù)提供實(shí)現(xiàn)區(qū)域調(diào)光技術(shù)(Local Dimming)更多的分區(qū)[4]。區(qū)域調(diào)光顧名思義即將整個(gè)畫面按矩陣式分成若干個(gè)區(qū)域，CPU根據(jù)每個(gè)區(qū)域分布計(jì)算平均亮度，對(duì)各區(qū)域的亮度獨(dú)立控制。因此單位面積的分區(qū)數(shù)量(即分區(qū)密度)是終端廠家評(píng)價(jià)Mini-LED背光的重要參數(shù)。

對(duì)于普通消費(fèi)者而言，他們更多關(guān)注的是產(chǎn)品的性能、功能以及價(jià)格，對(duì)于選購(gòu)的產(chǎn)品是否采用Mini-LED背光技術(shù)并不關(guān)心，他們更關(guān)心的是與Mini-LED背光相關(guān)的高畫質(zhì)參數(shù)是否能夠帶來(lái)全新的附加功能。在這方面還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)。

一項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值取決于它能夠給最終使用者的賦能，賦能即提升性能、增加功能。就此而言，Mini-LED背光的定義應(yīng)該根據(jù)其能夠給終端帶來(lái)的價(jià)值提升來(lái)定義，而在這個(gè)問題上目前行業(yè)內(nèi)最大的難題是，Mini-LED背光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的高分區(qū)、高亮度、高對(duì)比度等性能，使用傳統(tǒng)的直下式背光(滿天星方案)也能夠達(dá)到，也就是在高畫質(zhì)的性能提升方面，Mini-LED背光技術(shù)與滿天星背光技術(shù)相比辨識(shí)度較低，這也是在應(yīng)用角度目前難以對(duì)Mini-LED背光技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定義的主要原因[5]。從Mini-LED背光的結(jié)構(gòu)示意圖[6](圖2)可以看出，除了所用LED芯片尺寸的不同，其他部分的結(jié)構(gòu)與直下式LED背光的結(jié)構(gòu)基本無(wú)異。

圖2 Mini-LED背光的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of Mini-LED backlight structure

3 Mini-LED背光技術(shù)在產(chǎn)品中的應(yīng)用

為了更好地展現(xiàn)出Mini-LED背光技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，本文從產(chǎn)品應(yīng)用的角度出發(fā)，首先概述了目前已展出或投入市場(chǎng)的多款產(chǎn)品。基于Mini-LED背光產(chǎn)品的發(fā)展路線如圖3所示，其各品牌廠商發(fā)布的Mini-LED背光的電子產(chǎn)品的具體參數(shù)如表1所示。Mini-LED背光技術(shù)與目前行業(yè)上流行的其他顯示技術(shù)相比，最大的優(yōu)勢(shì)就在于其在材料上沒有科學(xué)性難題，最容易也最快被量產(chǎn)并投入到市場(chǎng)中。

圖3 基于Mini-LED背光產(chǎn)品的發(fā)展路線，2018年節(jié)點(diǎn)處為各家發(fā)布mini-LED背光樣機(jī)。Fig.3 Development route of Mini-LED backlight products.Each company released Mini-LED backlight prototypes at the node in 2018.

表1 各品牌廠商發(fā)布的Mini-LED背光的電子產(chǎn)品參數(shù)Tab.1 Mini-LED backlight electronic product parameters released by various brands

2018年5月的美國(guó)顯示技術(shù)學(xué)會(huì)(Scociety of information display,SID)展上，京東方、友達(dá)、群創(chuàng)和華碩等公司，分別展出了152.4～685.8 mm(6～27 in)基于Mini-LED背光技術(shù)的產(chǎn)品樣機(jī)。在隨后2018年9月的柏林國(guó)際電子消費(fèi)品展覽會(huì)(Internationale Funkausstellung Berlin，IFA)展上，TCL電子在行業(yè)內(nèi)最早展示了基于Mini-LED背光技術(shù)的1 651 mm(65 in)TV樣機(jī)。2019年3月，TCL電子有限公司發(fā)布了使用Mini-LED背光技術(shù)的高端電視75X10，這是全球第一款將Mini-LED背光技術(shù)應(yīng)用于消費(fèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品。2020年,TCL電子在北美發(fā)布了低成本的Mini-LED背光電視R63系列，在維持高亮度、高對(duì)比度性能的同時(shí)，將LED的使用數(shù)量降低到3 800顆，以此來(lái)降低成本。

此外，據(jù)媒體報(bào)告，韓國(guó)三星將于2021年首次推出自己的Mini-LED背光電視，預(yù)計(jì)出貨量將超過(guò)200萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)需求將會(huì)很高。三星以Mini-LED背光+QLED的產(chǎn)品挑戰(zhàn)OLED電視。這一新產(chǎn)品將加入包括QLED智能電視和Micro-LED電視在內(nèi)的三星高端產(chǎn)品系列中，三星宣稱Mini-LED電視將提供比目前市面上的QLED智能電視更好的體驗(yàn)。

三星在2021年的Mini-LED背光電視系列包括1 398 mm(55 in)、1 651 mm(65 in)、1 905 mm(75 in)和2 159 mm(85 in)的顯示器尺寸，具備4 K分辨率，以及多個(gè)Mini-LED局部調(diào)光區(qū)，可將現(xiàn)有顯示器對(duì)比度由10 000∶1拉升至1 000 000∶1。采用直徑為100～300 μm的超小型LED芯片作為背光源，每臺(tái)電視使用8 000～30 000個(gè)LED芯片。

以O(shè)LED為其代表技術(shù)的LG公司近日有消息稱將在CES 2021上展出最新使用Mini-LED背光技術(shù)的QNED電視(Q代表量子點(diǎn)技術(shù)，N代表NanoCell系列名)。LG QNED電視的最大特征是采用了Mini-LED背光技術(shù)，并擁有多達(dá)2 500個(gè)控光分區(qū)。在面板層面，LG QNED電視將提供8 K分辨率和120 Hz刷新率的超高指標(biāo)。此外，美國(guó)的蘋果公司也將在2021年Q1季度發(fā)布其采用Mini-LED背光技術(shù)的326.6 mm(12.9 in)的Ipad產(chǎn)品。

綜上所述，Mini-LED背光技術(shù)已經(jīng)在TV產(chǎn)品中得到了實(shí)際的應(yīng)用，也取得了較好的市場(chǎng)反響，甚至有人說(shuō)2020年是Mini-LED背光顯示技術(shù)的元年。在2021年，世界主流消費(fèi)電子廠商將紛紛入局Mini-LED顯示技術(shù)，切入點(diǎn)都是Mini-LED背光。

目前在TV顯示技術(shù)領(lǐng)域，大的格局是LCD技術(shù)與OLED顯示技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。相比傳統(tǒng)LCD，OLED技術(shù)對(duì)LCD技術(shù)主導(dǎo)的TV產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。憑借其主動(dòng)發(fā)光的特性，省卻了LCD必需的背光源，首先在形態(tài)上帶來(lái)的輕與薄是顯而易見的，市場(chǎng)上厚度5 mm以下的OLED TV比比皆是。其次在畫質(zhì)方面也帶來(lái)了明顯的提升，尤其是在對(duì)比度和可視角度兩項(xiàng)指標(biāo)上。因?yàn)橹鲃?dòng)發(fā)光，所以不存在LCD TV的漏光問題，理論上不存在黑場(chǎng)漏光，即理論上對(duì)比度可以趨于無(wú)窮大。

而LCD TV顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)對(duì)背光和屏兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行不斷升級(jí)改進(jìn)，從而不斷提升LCD技術(shù)的顯示指標(biāo)，使LCD TV產(chǎn)品無(wú)論在形態(tài)和性能上都能接近或者超過(guò)OLED TV。在這種大環(huán)境下，Mini-LED背光技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如圖4所示，首先，Mini-LED背光技術(shù)可以在理論上實(shí)現(xiàn)高密度的分區(qū)，在技術(shù)上可以大幅提高LCD顯示的動(dòng)態(tài)對(duì)比度。其次，Mini-LED背光使用超多的芯片數(shù)量，每個(gè)芯片的驅(qū)動(dòng)電流只有5～10 mA，而實(shí)際這些芯片的額定驅(qū)動(dòng)電流通常都在50～100 mA左右，所以我們的使用電流遠(yuǎn)低于其額定電流，而且由于在Mini-LED背光方案中，LED芯片會(huì)均勻的分布在整個(gè)顯示區(qū)域，散熱面積大，熱量分布均勻，這些特性都有助于實(shí)現(xiàn)Mini-LED背光TV產(chǎn)品的高亮度[7]。高亮度和高對(duì)比度及普遍應(yīng)用于TV產(chǎn)品的量子點(diǎn)高色域技術(shù)，就可以在高動(dòng)態(tài)范圍圖像(High-Dynamic Range，HDR)層面超過(guò)OLED，增加LCD TV產(chǎn)品在終端的競(jìng)爭(zhēng)力[8]。

圖4 Mini-LED背光在TV上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)Fig.4 Technical advantages of Mini-LED backlight on TV

在外觀形態(tài)上，由于Mini-LED背光方案通常混光距離(Optical distance，OD)較小，一般小于5 mm，在整機(jī)厚度上遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的LCD直下式背光產(chǎn)品，在外觀形態(tài)上接近OLED，彌補(bǔ)了LCD TV的短板，在高端機(jī)層面可以與OLED TV一較高下[9]。

總之，在綜合顯示性能和外觀形態(tài)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)上，Mini-LED背光技術(shù)可以助力傳統(tǒng)LCD技術(shù)在成本提升有限的情況下，最大限度地提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，在TV顯示領(lǐng)域，助力LCD顯示技術(shù)戰(zhàn)勝OLED。這是Mini-LED背光技術(shù)對(duì)于LCD TV最為重要的貢獻(xiàn)和價(jià)值。

4 Mini-LED背光在技術(shù)層面的難點(diǎn)

Mini-LED背光技術(shù)雖然已經(jīng)開始應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，但仍然存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)(圖5)。本文將從技術(shù)層面出發(fā)，分別闡述Mini-LED背光在芯片、巨量轉(zhuǎn)移、缺陷管理、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、背板技術(shù)以及混色6個(gè)方面所面臨的技術(shù)問題與挑戰(zhàn)[1]。

圖5 Mini-LED背光面臨的技術(shù)難點(diǎn)匯總Fig.5 Summary of technical difficulties faced by Mini-LED backlight

4.1 芯片技術(shù)的難點(diǎn)

首先是芯片的良率問題。Mini-LED背光所用芯片因?yàn)槭艿骄€寬精度和電極遮光的影響，芯片自身的亮度降低，從而影響到Mini-LED背光所用芯片晶圓的良率。目前Mini-LED背光所用芯片晶圓的裁切良率一般為75%左右[10]。其次是波長(zhǎng)一致性的問題，Mini-LED所用芯片通常采用化學(xué)氣相沉積的方式生產(chǎn)，化學(xué)氣相沉積法存在膜厚均一性的問題，這個(gè)問題反饋到芯片性能上就是發(fā)光波長(zhǎng)一致性的問題。LED產(chǎn)業(yè)一般采用多次分選技術(shù)解決這一問題，通常一個(gè)規(guī)格(Bin)的精度為2.5 nm，而Mini-LED背光技術(shù)所用的芯片，由于數(shù)量巨大，且涉及到亮度和色度一致性的問題，需要規(guī)格的精度達(dá)到1～1.5 nm才能滿足應(yīng)用的要求。這就同時(shí)對(duì)晶圓的品質(zhì)(優(yōu)化晶圓生長(zhǎng)過(guò)程，提高芯片的波長(zhǎng)一致性)和后續(xù)的分選精度提出了更高的要求。此外，隨著芯片尺寸的大幅減小，在小電流驅(qū)動(dòng)下，芯片自身外量子效率也會(huì)隨之下降。Mini-LED背光芯片在小電流下工作時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)大幅下降[11]，相比綠光和紅光芯片而言，藍(lán)光芯片的光電轉(zhuǎn)換效率下降幅度較小，能夠滿足實(shí)際產(chǎn)品的應(yīng)用要求，這也是為什么目前基于Mini-LED背光的產(chǎn)品基本都采用藍(lán)光LED芯片配合光轉(zhuǎn)換材料實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射的原因，其中光轉(zhuǎn)換材料的選擇又以量子點(diǎn)材料為最佳，量子點(diǎn)材料的引入可以提升Mini-LED背光產(chǎn)品的色域。

續(xù) 表

4.2 轉(zhuǎn)移技術(shù)的難點(diǎn)

Mini-LED背光技術(shù)的芯片轉(zhuǎn)移難度雖然無(wú)法與Micro-LED和Mini-LED顯示技術(shù)所需的巨量轉(zhuǎn)移相提并論，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨著轉(zhuǎn)移效率和良率的問題。轉(zhuǎn)移效率和良率直接影響了Mini-LED背光產(chǎn)品的成本，例如目前1 905 mm(75 in)Mini-LED背光燈板加驅(qū)動(dòng)的報(bào)價(jià)普遍在傳統(tǒng)燈板加驅(qū)動(dòng)報(bào)價(jià)的10倍以上。兩種背光之間的巨大價(jià)格差直接阻礙了Mini-LED背光技術(shù)在終端顯示市場(chǎng)中的應(yīng)用和推廣。Mini-LED芯片的轉(zhuǎn)移通過(guò)高速貼片機(jī)或固晶機(jī)實(shí)現(xiàn)，Mini-LED芯片由于其焊點(diǎn)面積小，因錫膏檢查設(shè)備(SPI)設(shè)備的檢測(cè)精度不足，空洞率較高，容易造成焊點(diǎn)假焊的現(xiàn)象，這兩種轉(zhuǎn)移方式均不可避免，尤其在通過(guò)回流焊之后，假焊現(xiàn)象更容易造成轉(zhuǎn)移的不良[12]。

轉(zhuǎn)移的精度和速度也是Mini-LED背光技術(shù)所面臨的技術(shù)難點(diǎn)，而且這兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)相互矛盾。通常情況下，首先要保證轉(zhuǎn)移的精度，在此基礎(chǔ)上再盡可能地提高轉(zhuǎn)移速度。使用板上芯片封裝(COB)轉(zhuǎn)移方式的Mini-LED背光，要求轉(zhuǎn)移精度在10～20 μm之間，目前行業(yè)內(nèi)較好的固晶機(jī)可以在保證此精度的前提下將轉(zhuǎn)移速度提升至50 K。當(dāng)然，也有使用激光轉(zhuǎn)移技術(shù)的公司宣稱轉(zhuǎn)移速度可以達(dá)到200 K。但無(wú)論如何，目前Mini-LED芯片轉(zhuǎn)移技術(shù)的效率和速度離終端應(yīng)用的需求仍有一定差距。

4.3 缺陷管理的難點(diǎn)

此處缺陷的概念不僅是指在轉(zhuǎn)移過(guò)程中的不良，也包括芯片的微缺陷不良、基板和焊盤的不良、刷錫膏的不良等。由于Mini-LED背光燈板使用相關(guān)部品的一致性和良率要求都比傳統(tǒng)的背光燈板高得多，為了盡可能地提高轉(zhuǎn)移制程的直通率和效率，需要配備專業(yè)的設(shè)備對(duì)相關(guān)部品進(jìn)行自動(dòng)的缺陷檢測(cè)與篩查[13-14]。

芯片轉(zhuǎn)移過(guò)程中的缺陷檢測(cè)與篩查必不可少。例如在回流焊之前對(duì)焊盤位置和錫膏厚度的檢測(cè)，在回流焊之后對(duì)于轉(zhuǎn)移缺陷和死燈的檢測(cè)，以及檢測(cè)之后的自動(dòng)維修等。這些檢測(cè)步驟和環(huán)節(jié)作為轉(zhuǎn)移制程中良率的補(bǔ)充工藝，對(duì)Mini-LED背光燈板技術(shù)至關(guān)重要。

4.4 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的難點(diǎn)

Mini-LED背光技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電流較小(<10 mA)，這就對(duì)驅(qū)動(dòng)IC控制電流的精度提出了高要求。一般需要將Mini-LED背光的驅(qū)動(dòng)電流精度控制在±1.5%范圍內(nèi)，才能提供穩(wěn)定的畫面輸出，而一般傳統(tǒng)LED背光的電流驅(qū)動(dòng)精度僅為±10%左右。由于目前Mini-LED背光中使用的芯片數(shù)量較多，整機(jī)功率增加，因此通常采用共陰式驅(qū)動(dòng)IC，以此來(lái)降低Mini-LED的功耗和溫度。為了降低驅(qū)動(dòng)成本，Mini-LED背光使用的驅(qū)動(dòng)IC通道數(shù)越來(lái)越多，需要提高多通道電流的穩(wěn)定性和精度來(lái)滿足應(yīng)用的需求。如果考慮到為紅綠藍(lán) Mini-LED背光的需求，紅綠藍(lán)三基色芯片的驅(qū)動(dòng)電流和電壓均不同，且涉及到亮度和顏色一致性問題，屆時(shí)將會(huì)對(duì)Mini-LED的驅(qū)動(dòng)技術(shù)提出更高的挑戰(zhàn)。

4.5 背板技術(shù)的難點(diǎn)

背板的材質(zhì)可以分為玻璃基板和印刷電路板(PCB)。這兩種基板各有優(yōu)劣，目前基本以印刷電路板為主，未來(lái)玻璃基板可能會(huì)成為主流。

印刷電路板由玻璃纖維、金屬層和各種圖層復(fù)合在一起組成，具有很高的韌性，不易因碰撞造成損傷。印刷電路板制程成熟，可以根據(jù)不同需求搭配印刷電路板層疊厚度與線路，在開發(fā)階段具有很高的靈活性和開發(fā)效率。印刷電路板的尺寸可以隨意變化，不受限制，驅(qū)動(dòng)IC可放置在印刷電路板后面，減少無(wú)效區(qū)，提升拼接的兼容性。但是印刷電路板存在成本高、尺寸穩(wěn)定性差、基板本身的平整性差、受熱或過(guò)回流焊后容易板材翹曲等問題。

玻璃基板與印刷電路板相反，首先在做多層線路時(shí)，玻璃基板使用TFT的光罩工藝來(lái)制作線路，雖然初期開發(fā)時(shí)一次性投入大，但是玻璃基板成本低，以4層板為例，其價(jià)格預(yù)計(jì)僅為印刷電路板的1/3。而且玻璃基板的平整度高(>99.9999%)，適合大面積高精度的Mini-LED背光芯片的轉(zhuǎn)移。由于使用光罩工藝，玻璃基板的線路和焊盤的精度極高，與印刷電路板不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。如果用薄膜晶體管(TFT)的主控制板驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)成本將大幅降低[14]。

盡管玻璃基板有以上這些優(yōu)勢(shì)，但仍有幾個(gè)問題亟需解決。首先是電流線損(IR Drop)問題，由于TFT基板的線路電遷移率低，電流的線阻較大，造成電流輸入端與輸出端的電流分布不均，從而造成亮度差異較大。其次，TFT-LCD一般使用電壓驅(qū)動(dòng)，而Mini-LED背光技術(shù)使用的是電流驅(qū)動(dòng)，電壓驅(qū)動(dòng)模式下較小的電壓波動(dòng)對(duì)于TFT-LCD的顯示性能影響不大，但當(dāng)電壓波動(dòng)轉(zhuǎn)換成電流波動(dòng)時(shí)，對(duì)亮度的影響較大。除此之外，還存在溫升、可靠性等一系列問題。

4.6 顏色形成的技術(shù)難點(diǎn)

Mini-LED背光使用藍(lán)光芯片時(shí)，由于波長(zhǎng)一致性、驅(qū)動(dòng)電壓、電流波動(dòng)的影響，在背光全白場(chǎng)檢測(cè)中經(jīng)常出現(xiàn)白場(chǎng)亮度不均或色度不均的問題[15]。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中，波長(zhǎng)一致性的問題通常通過(guò)混規(guī)格的方法來(lái)解決。但一般混規(guī)格都是在完成封裝后再進(jìn)行，將已經(jīng)分好規(guī)格的LED按照不同算法選擇混合，而Mini-LED背光通常使用板上芯片封裝的方案，芯片按照同一規(guī)格排布在藍(lán)膜上，如果在轉(zhuǎn)移過(guò)程中進(jìn)行混規(guī)格就會(huì)降低轉(zhuǎn)移的速度，同時(shí)大幅增加轉(zhuǎn)移的難度，所以目前顏色形成中出現(xiàn)的光色不均勻性的問題，一般采用增加膜片的層數(shù)和擴(kuò)散度，或者使用D-mura技術(shù)解決，但這些方法都會(huì)犧牲Mini-LED背光的亮度，增加功耗，進(jìn)而容易造成熱量集中等問題[16]。

5 Mini-LED背光在應(yīng)用層面的難點(diǎn)

除了Mini-LED背光面臨技術(shù)層面的問題外，在應(yīng)用層面也面臨著多方面的挑戰(zhàn)，本文從技術(shù)必需性、價(jià)格、分區(qū)合理性、節(jié)能、環(huán)境光影響、光暈效應(yīng)(Halo Effect)6個(gè)方面進(jìn)行闡述，如圖6所示。

圖6 Mini-LED背光技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)Fig.6 Challenges of Mini-LED backlight technology application

5.1 技術(shù)必需性

如前面在Mini-LED背光的定義中所述，在應(yīng)用端比較突出的問題是75～300 μm芯片存在的必要性。這個(gè)尺寸范圍內(nèi)的芯片對(duì)應(yīng)的Mini-LED背光對(duì)TV產(chǎn)品性能的提升幅度，使用滿天星的背光方案或多分區(qū)的背光方案也可以達(dá)到[17]。這并不是否定Mini-LED背光技術(shù)的存在價(jià)值，而是需要整個(gè)行業(yè)根據(jù)其特性能夠進(jìn)一步開發(fā)出新的功能，從給消費(fèi)者賦能的角度促進(jìn)Mini-LED背光技術(shù)的發(fā)展。

5.2 價(jià)格挑戰(zhàn)

據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)估算，蘋果公司預(yù)計(jì)在2021年3月發(fā)布Ipad Pro產(chǎn)品，該產(chǎn)品搭載了Mini-LED背光技術(shù)，尺寸為326.6 mm(12.9 in)，預(yù)計(jì)使用10 000顆Mini-LED 芯片，預(yù)計(jì)其Mini-LED背光光源部分的成本將比傳統(tǒng)的同尺寸LCD顯示屏高166%，比同尺寸OLED的顯示屏高32%[18-19]。

使用Mini-LED背光技術(shù)的1 651 mm(65 in)電視，在背光源部分的成本為傳統(tǒng)側(cè)入式機(jī)型的148%，是傳統(tǒng)直下式的2倍。高成本來(lái)自于芯片成本，轉(zhuǎn)移、檢測(cè)、修復(fù)的工藝成本，多層電路基板的成本，多分區(qū)驅(qū)動(dòng)造成的驅(qū)動(dòng)成本。相比于產(chǎn)品本身采用了何種顯示技術(shù)，消費(fèi)者更加關(guān)心的是顯示終端的性價(jià)比，所以如何在未來(lái)幾年內(nèi)大幅度降低Mini-LED背光技術(shù)的應(yīng)用成本是該技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向[20]。

5.3 光暈效應(yīng)的影響

光暈效應(yīng)即為光暈之意。在使用分區(qū)控制技術(shù)中，單位分區(qū)的光擴(kuò)散的區(qū)域即為光暈區(qū)[21]。

傳統(tǒng)認(rèn)為光暈的區(qū)域越小越好，但實(shí)際上如果將Mini-LED背光中的光暈做到極小，在實(shí)現(xiàn)區(qū)域調(diào)光技術(shù)中會(huì)出現(xiàn)類似于馬賽克的效果，顯示效果反而會(huì)下降。反之，如果光暈區(qū)域太大也會(huì)影響Mini-LED背光實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度的效果。所以如何能夠量化地定義光暈效應(yīng)，并且能根據(jù)實(shí)際需要選取終端需要的光暈值，是Mini-LED背光技術(shù)走向應(yīng)用所面臨的一個(gè)重要課題。此外，隨著Mini-LED背光中的混光距離變化，產(chǎn)生的光暈效果不同，所需要的調(diào)制算法也就不同。所以光暈效應(yīng)與混光距離以及分區(qū)數(shù)量都有密切的關(guān)系。如何配合液晶屏的類型和算法，定義并設(shè)計(jì)出合理的光暈值，對(duì)于發(fā)揮Mini-LED背光在終端應(yīng)用中的最大價(jià)值尤為重要。

5.4 分區(qū)的合理性

分區(qū)數(shù)量是衡量Mini-LED背光技術(shù)的重要指標(biāo)，也是決定性能、方案以及成本的關(guān)鍵參數(shù)，其關(guān)系如圖7所示。

圖7 分區(qū)數(shù)量與性能、解決方案之間的衡量參數(shù)。Fig.7 Measurement parameters between the number of partitions,performance,and solutions.

從理論上講，Mini-LED背光的分區(qū)數(shù)越多越好，如果能做到像素級(jí)分區(qū)，就可以追平甚至超越OLED的顯示效果。但隨著分區(qū)數(shù)量的上升，其驅(qū)動(dòng)成本、LED的使用數(shù)量、背板線路的復(fù)雜程度都會(huì)造成成本的直線上升。

此外，顯示技術(shù)最終還是靠人眼來(lái)評(píng)價(jià)和感知，理論參數(shù)值的提高不意味著人眼感知也能夠提高。通過(guò)設(shè)計(jì)并進(jìn)行主觀實(shí)驗(yàn)，可以確定人類對(duì)光暈效應(yīng)的視覺感知極限。峰值信噪比(PSNR)是一種用于量化顯示圖像和目標(biāo)圖像之間差異的評(píng)估指標(biāo)，這個(gè)值在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)大于47.4 dB?；诖?，可以提出對(duì)分區(qū)數(shù)量的要求：對(duì)于高對(duì)比度 5 000∶1的LCD面板，超過(guò)200個(gè)分區(qū)即可，對(duì)于對(duì)比度 2 000∶1的LCD面板，需要超過(guò)3 000個(gè)調(diào)光區(qū)域[22]。

所以如何在性能與成本之間選擇一個(gè)平衡點(diǎn)，在保證人眼感知性能的前提下，盡量減少分區(qū)的數(shù)量是顯示終端在Mini-LED背光技術(shù)應(yīng)用時(shí)的一個(gè)重要課題。

5.5 環(huán)境光的影響

近幾年關(guān)于環(huán)境光對(duì)對(duì)比度、色域影響的研究很多，環(huán)境光的問題之所以能夠吸引眾多的研究人員深入其中，就在于終端工作的場(chǎng)景是伴隨有環(huán)境光的。而技術(shù)人員在測(cè)試顯示終端性能時(shí)，通常是在暗室條件下測(cè)量，這樣測(cè)量的顯示指標(biāo)并不能等同于消費(fèi)者在實(shí)際使用過(guò)程中的感知[23]。

正是由于環(huán)境光對(duì)于顯示效果，尤其是對(duì)比度有較大的影響，誕生出了環(huán)境光對(duì)比度的定義和計(jì)算方法。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，LCD與OLED TV當(dāng)屏幕反光亮度大于或接近LCD背光的漏光亮度時(shí)，二者的顯示效果就相接近了[24]。如果LCD的上偏光片使用了抗鏡面(Antiglass，AG)和減反射(Antireflection，AR)處理工藝，即使沒有多分區(qū)的區(qū)域調(diào)光技術(shù)，LCD的顯示效果，尤其是對(duì)比度的效果，也會(huì)得到顯著提升。

簡(jiǎn)而言之，在環(huán)境光的影響下，Mini-LED背光技術(shù)所提供的高亮度、高色域的性能也許比多分區(qū)更有價(jià)值。如何衡量環(huán)境光影響下Mini-LED背光技術(shù)在TV終端的應(yīng)用也是直接影響到終端消費(fèi)者體驗(yàn)的重要因素。

5.6 節(jié)能

理論上Mini-LED背光技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電流小，又有分區(qū)控制技術(shù)的加持，Mini-LED背光技術(shù)的能耗被認(rèn)為將遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的LCD TV。以1 905 mm(75 in)TV為例，一般傳統(tǒng)的LCD TV 背光功率在250 W左右，但使用Mini-LED背光的功率一般會(huì)超過(guò)350 W。高出的100 W主要有幾個(gè)來(lái)源，低電流驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，芯片的光電轉(zhuǎn)換效率低，當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)量增多后，驅(qū)動(dòng)芯片的耗電量將會(huì)增加，此外驅(qū)動(dòng)板使用低電壓、大電流供電，會(huì)造成線損增加，電源效率低[25]。

為了解決這些問題，芯片廠家積極開發(fā)電流驅(qū)動(dòng)下高效率的Mini-LED專用芯片。此外，使用多PN節(jié)復(fù)合(MJT)技術(shù)，將多個(gè)PN結(jié)復(fù)合，將芯片的驅(qū)動(dòng)電壓從原來(lái)的3 V提高到12 V或24 V，以此來(lái)減少線損，提高電源的使用效率。在驅(qū)動(dòng)IC方面，使用共陰極、動(dòng)態(tài)節(jié)能、黑屏節(jié)能以及低轉(zhuǎn)折節(jié)能等技術(shù)來(lái)降低驅(qū)動(dòng)IC的能耗[26]。從以上解決方案來(lái)看，未來(lái)一兩年內(nèi)，Mini-LED背光技術(shù)的功耗問題有望取得較大進(jìn)展。

6 結(jié) 論

Mini-LED背光技術(shù)在TV等顯示終端的應(yīng)用是近年來(lái)最具前景和革命性的事件，國(guó)外顯示巨頭如三星、LG和蘋果等公司紛紛入局，相繼發(fā)布自家的Mini-LED背光產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，TCL最早發(fā)布了應(yīng)用Mini-LED背光技術(shù)的電視產(chǎn)品，小米、海信、創(chuàng)維等公司也逐步跟進(jìn)[27]。

盡管Mini-LED背光技術(shù)可以在外觀形態(tài)、對(duì)比度、亮度、色域等方面助力LCD產(chǎn)品在與OLED 產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)[28-29]。但目前Mini-LED背光技術(shù)并不是完全成熟的，與其他新型顯示技術(shù)相比，也許沒有科學(xué)級(jí)的問題要突破，但其自身的技術(shù)方案還不成熟。從產(chǎn)業(yè)化的角度看，距離真正的大規(guī)模量產(chǎn)仍有差距。

在應(yīng)用上，也有一些關(guān)鍵問題需要進(jìn)一步研究和解決。其中各個(gè)問題之間仍具復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，分區(qū)數(shù)與成本、光暈、算法等具有極強(qiáng)的相關(guān)性，在這方面仍然缺乏綜合性與系統(tǒng)性的研究，無(wú)法將單個(gè)要素的研究成果有機(jī)地整合，以達(dá)到綜合用戶體驗(yàn)、性能、成本的最佳Mini-LED背光技術(shù)方案。

面對(duì)即將到來(lái)的顯示技術(shù)大爆發(fā)時(shí)代，Mini-LED背光技術(shù)已然成為當(dāng)下研究最為火熱也是最貼近量產(chǎn)的一項(xiàng)應(yīng)用型技術(shù)。除了目前已經(jīng)成功商業(yè)化的基于藍(lán)光芯片加量子點(diǎn)膜片光轉(zhuǎn)換技術(shù)之外，未來(lái)基于紅綠藍(lán) Mini-LED背光技術(shù)的開發(fā)也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。從顯示技術(shù)的發(fā)展看，多色分開控制的紅綠藍(lán) Mini-LED背光將會(huì)成為下一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)。