Micro-LED顯示的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)挑戰(zhàn)

季洪雷, 張萍萍， 陳乃軍， 王代青， 張 彥， 葛子義

(1.中國科學院 寧波材料技術(shù)與工程研究所, 浙江 寧波 315201；2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3.北京理工大學 材料學院， 北京 100081；4. TCL電子有限公司研發(fā)中心，廣東 深圳 518000； 5. 寧波激智科技股份有限公司, 浙江 寧波 315000)

1 引 言

Micro-LED顯示利用微米尺寸(一般小于50 μm)無機LED器件作為發(fā)光像素，來實現(xiàn)主動發(fā)光矩陣式顯示。從顯示技術(shù)原理來講，Micro-LED與有機發(fā)光二極管(Oganic light emitting diodes, OLED)、量子點發(fā)光二極管(Quantum dot light emitting diodes, QLED)都屬于主動發(fā)光式顯示技術(shù)。但與OLED、QLED顯示技術(shù)不同，Micro-LED顯示使用無機GaN等LED發(fā)光芯片，發(fā)光性能優(yōu)異、壽命長，其產(chǎn)業(yè)化所面臨的主要是集成工藝及其相關(guān)材料的問題。

Micro-LED由于其優(yōu)異的性能和潛在的應(yīng)用價值，自被提出以來，學術(shù)界已經(jīng)掀起了相關(guān)技術(shù)研究的浪潮。谷歌學術(shù)數(shù)據(jù)顯示，這一領(lǐng)域的文獻數(shù)量在2006年開始呈指數(shù)型增長，截止2019年，Micro-LED領(lǐng)域已有近3 000篇出版文獻，而且這種高速增長的趨勢預(yù)計還將持續(xù)一段時間。

隨著Micro-LED顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)化也越發(fā)受到關(guān)注。蘋果、三星、索尼、LG、華星光電、京東方、友達等國際知名公司紛紛加入到Micro-LED顯示的技術(shù)開發(fā)中。此外，很多從事Micro-LED顯示技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司也相繼成立，如Ostendo、Optovate、Luxvue、PlayNitride等。以2014年蘋果公司收購Luxvue為起點，Micro-LED顯示技術(shù)進入快速發(fā)展階段，2018年以后進入爆發(fā)期。同時，國內(nèi)的終端廠、芯片廠也紛紛加入Micro-LED陣營。雖然Micro-LED的顯示應(yīng)用前景逐漸明朗，然而現(xiàn)階段還存在很多的技術(shù)挑戰(zhàn)有待解決。

本文從消費電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展全鏈條技術(shù)出發(fā)，首先介紹了Micro-LED顯示的定義，總結(jié)了Micro-LED顯示的主要優(yōu)勢，分析了目前Micro-LED顯示技術(shù)存在的集成工藝問題，最后，從終端應(yīng)用出發(fā)，對Micro-LED顯示技術(shù)的未來發(fā)展方向進行了展望。

2 Micro-LED顯示技術(shù)的定義

Micro-LED通常是以發(fā)光LED芯片尺寸來定義的，一般來說我們將尺寸小于50 μm的LED芯片稱為Micro-LED。由于芯片尺寸很小，芯片的長寬小于芯片的高度時會造成芯片高度大于固晶面的尺寸，不利于芯片在基板固定時的穩(wěn)定，所以通常使用激光剝離去除Micro-LED 芯片的基板，以滿足后續(xù)操作工藝的需求。因此，LED領(lǐng)域也將去除基板作為Micro-LED的重要特征。

顯示產(chǎn)品一般以人的感知極限作為技術(shù)分類的判斷依據(jù)。對于Micro-LED顯示技術(shù)而言，顯示應(yīng)用場景是決定芯片尺寸的主要因素，也可以作為區(qū)分Micro-LED顯示技術(shù)的重要特征。從消費電子終端應(yīng)用的角度出發(fā)，對于Micro-LED的定義應(yīng)該根據(jù)觀看距離和人眼的極限分辨率進行計算，分別在不同的應(yīng)用領(lǐng)域來定義Micro-LED顯示技術(shù)。例如，如果按照發(fā)光面積占像素面積的10%計算，在虛擬現(xiàn)實(Virtual reality, VR)和增強顯示(Augmented reality, AR)應(yīng)用時，觀看距離約為5 cm左右，像素密度需要達到1 800 ppi左右，此時Micro-LED芯片的尺寸應(yīng)為3～5 μm；254 mm(10 in)～304.8 mm(12 in)平板顯示器則需要至少300 ppi的像素密度，對應(yīng)的芯片尺寸為20～30 μm；而滿足1 905 mm(75 in)大屏顯示器件所需的43 ppi的像素密度，芯片尺寸往往在200 μm左右。

從封裝角度出發(fā)， Micro-LED技術(shù)也可以分為無封裝的板上芯片(Chip on board, COB)、玻璃上芯片(Chip on glass, COG)技術(shù)和有封裝的4合一、未來的N合一技術(shù)兩類。從現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展的情況看，這兩項技術(shù)各有優(yōu)缺點。COB和COG技術(shù)顯示效果好，但技術(shù)難度高，在良率、轉(zhuǎn)移、維修等方面處于劣勢。反之，N合一封裝技術(shù)具有關(guān)鍵技術(shù)難度小、成本低等優(yōu)勢，但在顯示效果上仍然需要不斷地改善和提升。

綜上，目前Micro-LED的定義尚未有行業(yè)標準形成，對于不同的應(yīng)用場景、研究環(huán)境，不同的學者、專家對Micro-LED有著不同的理解。如何建立Micro-LED行業(yè)標準是未來亟待開展的工作之一。

3 Micro-LED顯示技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)勢

Micro-LED顯示技術(shù)是繼藍光GaN材料[1]和白光LED照明之后LED領(lǐng)域的最重要進展之一。圖1簡單回顧了Micro-LED的發(fā)展歷程，從中可以發(fā)現(xiàn)這一領(lǐng)域重要進展都是來自于集成工藝的突破。1999年美國Cree公司申請的“用于增強光提取的Micro-LED”專利是第一篇關(guān)于Micro-LED顯示技術(shù)的文獻[2]。2000年，堪薩斯州立大學江紅星等報道了Micro-LED顯示技術(shù)[3]，并在2001年構(gòu)建出無源驅(qū)動的藍光Micro-LED矩陣[4]。2006年，香港科技大學申請了倒扣焊集成Micro-LED的專利，利用這一技術(shù)在2009年制造出有源驅(qū)動的藍光Micro-LED[5]。兩年后，他們采用紅綠藍三色熒光粉作為轉(zhuǎn)光材料實現(xiàn)了Micro-LED的全彩化顯示[6]。2012年和2013年，索尼公司和香港科技大學分別推出Micro-LED首款電視“Crystal LED Display”和Micro-LED首款全彩投影儀[7]。2015年，Lumiode和哥倫比亞大學合作完成了Micro-LED與硅晶體管薄膜在一個晶圓上的集成[8]。同年，臺灣交通大學和香港科技大學合作通過噴墨打印構(gòu)造了全彩化的量子點轉(zhuǎn)光Micro-LED[9]。2017年，韓國機械研究所提出滾輪轉(zhuǎn)印技術(shù)，實現(xiàn)了在柔性基底上的巨量轉(zhuǎn)移[10]?？梢灶A(yù)期，未來Micro-LED顯示的發(fā)展仍將朝著微縮化、集成化[11]、陣列轉(zhuǎn)移化和全彩化進一步發(fā)展。

圖1 Micro-LED發(fā)展歷程圖Fig.1 Development history of micro-LED

LCD、OLED、QLED和Micro-LED顯示器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖中可以看出，Micro-LED顯示器結(jié)構(gòu)簡單，有效降低了光在顯示器內(nèi)部的損失，減小了顯示器的厚度，更加便于顯示屏的集成。

圖2 TFT-LCD、OLED、QLED、Micro-LED顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖。Fig.2 Structure diagram of TFT-LCD, OLED, QLED and Micro-LED displays.

相比于OLED、QLED等其他的自發(fā)光技術(shù)，雖然Micro-LED顯示技術(shù)較晚進入到人們的視野中，通過表1可以發(fā)現(xiàn)，從表現(xiàn)出的性能看，Micro-LED顯示具有顯著優(yōu)勢[12]。

表1 顯示技術(shù)的比較[13-14]Tab.1 Comparison of display technologies[13-14]

3.1 顯示畫面品質(zhì)高

在現(xiàn)有功率不變的情況下，Micro-LED顯示屏由于沒有光阻和濾光片的限制，亮度可以輕松達到2 000～4 000 cd/m2，半功率視角在170 °以上，結(jié)合表面黑化技術(shù)和高動態(tài)范圍(HDR)控制技術(shù)，可以實現(xiàn)超高對比度和高品質(zhì)的HDR顯示效果[15]。

3.2 能量利用效率高

傳統(tǒng)的LCD的光透過率僅為5%左右，光學效率較差，但由于Micro-LED是紅綠藍自發(fā)光顯示技術(shù)，沒有透過率的限制，在達到同等亮度的情況下，理論上功耗要比LCD顯示器低90%。此外，LED芯片屬于成熟材料，電光轉(zhuǎn)換效率高，Micro-LED顯示理論上功耗僅為OLED顯示的50%[16]。

3.3 使用壽命長

Micro-LED顯示技術(shù)使用無機物半導體作為發(fā)光材料，性能穩(wěn)定，材料壽命長。相較于OLED的有機發(fā)光半導體材料和QLED的量子點材料，在耐溫、抗水氧、抗老化方面具有天然的優(yōu)勢。

3.4 極限分辨率高

Micro-LED由于具有極小的微觀尺寸，在制作高分辨率顯示器件中具有較大的優(yōu)勢，目前主要需要克服的是工藝問題，而非科學問題。這也就是為什么各種Micro-LED顯示器件能在短時間內(nèi)被各個廠商不斷展出，且其性能參數(shù)可以不斷刷新記錄的原因。

4 Micro-LED關(guān)鍵技術(shù)問題分析

雖然Micro-LED顯示技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢，但該技術(shù)尚不成熟，在芯片、背板、巨量轉(zhuǎn)移、全彩化、接合、驅(qū)動和檢測維修等方面仍然存在一些技術(shù)瓶頸。此外， Micro-LED晶粒的發(fā)光效率、波長一致性和良率還沒有達到Micro-LED彩色化顯示的要求[17]。

4.1 芯片技術(shù)

從芯片的技術(shù)角度看，首先是外延過程中的波長均勻性問題?，F(xiàn)階段Micro-LED晶圓的波長一致性可以達到3～5 nm，而要量產(chǎn)化，需要在3 nm波長均勻性的條件下生產(chǎn)良率達到90%以上[18]。

其次是隨著芯片尺寸的縮減，芯片發(fā)光效率急速降低的問題。藍光和綠光使用的是GaN芯片，雖然也有發(fā)光效率下降問題，但仍然可以支持產(chǎn)品應(yīng)用。但紅光屬于GaAs芯片，發(fā)光效率低，而且在芯片尺寸小于50 μm時，紅色芯片幾乎不發(fā)光[19]。針對這一問題，南昌大學的江風益院士團隊利用高效的InGaN基橙-紅光LED技術(shù)，大幅提高了紅光LED的發(fā)光效率[20]。

此外，在器件構(gòu)造過程中，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕會造成Micro-LED芯片側(cè)壁的損傷，從而產(chǎn)生嚴重的表面缺陷態(tài)，并可能出現(xiàn)漏電問題，進而影響芯片發(fā)光特性和可靠性。

4.2 背板技術(shù)

目前在消費電子領(lǐng)域Micro-LED技術(shù)使用的背板有兩種，一種是印刷電路板(Printed circuit board, PCB)，另一種是玻璃基板。

由于Micro-LED芯片電極很小，而PCB的膨脹收縮比率較大，且PCB容易翹曲，因此在巨量轉(zhuǎn)移中，尺寸穩(wěn)定性和PCB的翹曲通常會造成轉(zhuǎn)移效果不良。

玻璃基板的尺寸穩(wěn)定性好，但需要注意玻璃基板的橫向和縱向尺寸變化的非等向性。且玻璃基板的電極一般使用光刻工藝加工，精度高。未來玻璃基板在應(yīng)用上更具競爭力。

4.3 巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)

芯片制作完成后，需要通過巨量轉(zhuǎn)移將其轉(zhuǎn)移到驅(qū)動電路背板上。目前Micro-LED的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)主要有拾取釋放法、激光轉(zhuǎn)移技術(shù)、流體自組裝技術(shù)和滾輪轉(zhuǎn)印技術(shù)。

拾取放置技術(shù)是利用不同轉(zhuǎn)移頭將Micro-LED做拾取和放置，而這些轉(zhuǎn)移頭可以利用范德華力、磁力或靜電力吸附等達到巨量轉(zhuǎn)移的目的。X-Celeprint公司[21]采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsilo-xane, PDMS)彈性體印章作為載體，轉(zhuǎn)移過程如圖3(a)所示。彈性印章依靠范德華力將Micro-LED陣列從其原生基板轉(zhuǎn)移到目標背板上，且彈性體在數(shù)千次轉(zhuǎn)移循環(huán)過程中不會有明顯的變化。晶圓級印章被證明能夠在一次轉(zhuǎn)印操作中轉(zhuǎn)移超過80 000個75 μm × 90 μm的芯片[22]

傳統(tǒng)的激光轉(zhuǎn)移技術(shù)如圖3(b)所示，是利用激光剝離技術(shù)將藍寶石基板與Micro-LED分離，從而完成轉(zhuǎn)移，但這可能會在芯片表面產(chǎn)生凹陷或裂紋等損傷。針對這一問題，Ezhilarasu等[23]通過采用激光可脫粘的熱塑性聚酰亞胺將Micro-LED粘接在臨時的玻璃基板上，然后再采用激光剝離，這種方法可以實現(xiàn)99%的良率。

流體自組裝技術(shù)如圖3(c)所示，是利用流體的拖拽力，將Micro-LED轉(zhuǎn)移到背板上。這一技術(shù)是由eLux公司提出的，襯底上的接觸位被設(shè)計成井狀，Micro-LED隨懸浮液流動就會落入這些井中，從而實現(xiàn)自組裝[24]。

滾輪轉(zhuǎn)印技術(shù)是在2017年由韓國機械材料研究所[10]提出的，其過程如圖3(d)所示，通過使用軟的滾輪印章將μ-LED和TFT從晶圓上進行三次轉(zhuǎn)移，能夠?qū)崿F(xiàn)在柔性基底上構(gòu)建Micro-LED陣列。這種方法的對準精度在3 μm以內(nèi)，良率接近99.9%。

圖3 巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)。(a)彈性印章微轉(zhuǎn)移技術(shù)；(b)激光轉(zhuǎn)移技術(shù)；(c)流體自組裝技術(shù)；(d)滾輪轉(zhuǎn)印技術(shù)。Fig.3 Mass transfer technology. (a) elastomer stamp micro-transfer printing technology; (b) Laser-induced transfer; (c) Fluidic assembly method; (d) Roll-transfer printing.

就巨量轉(zhuǎn)移的技術(shù)而言，首先面臨的共性問題就是精度。Micro-LED巨量轉(zhuǎn)移以半導體精密度為基準，要求轉(zhuǎn)移的精度為±1 μm。其次，還要求轉(zhuǎn)移具有極高的良率。芯片數(shù)量越多，對巨量轉(zhuǎn)移的良率要求越高。以4 K全彩顯示器為例，為了將不良子像素的數(shù)量減少到大約22個，需要高達99.9999%的良率[25]。此外，為實現(xiàn)量產(chǎn)，單小時產(chǎn)能(Units per hour, UPH)至少要達到20 000 000片。

4.4 全彩化技術(shù)

Micro-LED的全彩化技術(shù)主要有4種：三色RGB法、紫外/藍光Micro-LED+轉(zhuǎn)光材料法、透鏡合成法和特殊結(jié)構(gòu)法。

三色RGB法如圖4(a)所示，是將紅綠藍LED芯片分別放置在基板上，三基色芯片分別發(fā)光的全彩化技術(shù)。Peng等[26]利用COB技術(shù)將單色的紅、綠、藍LED進行集成，構(gòu)造了全彩Micro-LED顯示器。為了避免紅綠藍芯片的巨量轉(zhuǎn)移，韓國光州技術(shù)研究所[27]首先通過選擇性區(qū)域生長將由同一材料體系(InGaN)組成的綠色和藍色LED整體集成在藍寶石襯底上，之后通過粘接技術(shù)將紅光LED與藍/綠LED結(jié)合起來，從而在單個晶圓上實現(xiàn)了全彩化。

圖4 (a)三色RGB法；(b)紫外/藍光Micro-LED+轉(zhuǎn)光材料法。Fig.4 (a) Three-color RGB method； (b) UV/blue Micro-LED + conversion material method.

采用紫外或藍光LED加上納米熒光粉或量子點材料進行光轉(zhuǎn)換也能夠?qū)崿F(xiàn)全彩化，這一方法所構(gòu)造的Micro-LED的結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。Han等[9]采用氣溶膠噴射技術(shù)在紫外光Micro-LED陣列上構(gòu)造出紅綠藍量子點轉(zhuǎn)光層，實現(xiàn)了Micro-LED的全彩化，并設(shè)置分布式布拉格反射器增加了UV光子的利用率。之后，他們又使用光刻膠作為阻擋壁，有效地抑制了相鄰像素之間的光串擾[28]。

透鏡合成法是通過分別構(gòu)造紅綠藍單色的Micro-LED，然后采用透鏡進行光的合成，從而實現(xiàn)全彩化。劉召軍等[7]采用這一方法構(gòu)造了結(jié)構(gòu)簡單、光利用效率高的投影儀。

近年來，研究者還通過設(shè)計特殊的芯片結(jié)構(gòu)等方法實現(xiàn)全彩化。Hussein等[29]在氮化物LED的多有源區(qū)中設(shè)計了中間載流子阻擋層，通過控制電流密度能夠有效地控制有源區(qū)的載流子注入分布，實現(xiàn)特定波長的光發(fā)射，進而實現(xiàn)全彩化。

三色RGB法用于大像素顯示構(gòu)造時，巨量轉(zhuǎn)移的芯片數(shù)量多、難度大。另外，目前紅光LED效率不高也是這種方法發(fā)展的一大障礙。第二種方法則對轉(zhuǎn)光材料有很高的要求，由于Micro-LED應(yīng)用于手機、電腦、電視等消費電器件中，因此需要材料具有較高的穩(wěn)定性，要求色轉(zhuǎn)換材料至少需要符合可持續(xù)累積使用10 000 h的水準之上。另外，波長的均一性差異需要小于10 nm才能符合Micro-LED顯示無色偏的需求[30]。而目前用作色轉(zhuǎn)換的熒光粉材料的顆粒尺寸大，在小尺寸的像素上易造成沉積不均勻，量子點材料尺寸小，但是存在穩(wěn)定性較差且壽命短等問題[31]。透鏡合成法雖然簡單，但是使用范圍窄，僅適用于投影儀的構(gòu)建。最后一種方法雖然能夠同時避免使用高成本的巨量轉(zhuǎn)移和色轉(zhuǎn)換材料，但是尚處在研究階段，并不成熟。

4.5 接合技術(shù)

Micro-LED的接合技術(shù)主要分3種：預(yù)置錫膏技術(shù)、金屬共晶鍵合技術(shù)、微管技術(shù)。

預(yù)置錫膏技術(shù)與傳統(tǒng)的焊錫技術(shù)類似，錫膏以合金、助焊劑及抗垂流劑為主，可分為高溫和低溫錫膏。目前主要以低溫錫膏為主，熔點為142 ℃。將微米級的錫粉預(yù)噴涂在PCB上或芯片的電極上，然后將Micro-LED芯片放置在正確的位置后，在低溫回流焊下，預(yù)置錫膏在表面張力的作用下，自動聚積到Micro-LED的金屬電極下，以達到導電的目的[32]。由于Micro-LED電極之間距離很小，使用錫膏工藝容易造成Micro-LED正負極之間導通，形成微短路現(xiàn)象，因此使用錫膏工藝一般適用于80 μm以上的芯片[33]。

金屬共晶鍵合技術(shù)：芯片底部采用錫或金錫等合金做接觸面鍍層，芯片可焊接于鍍有金或銀的基板上，當基板被加熱至共晶溫度時，金或錫元素滲透到金錫合金層中，形成導通電流的共晶鍵[34]。隨著芯片尺寸的縮小，芯片與驅(qū)動電路基底熱膨脹系數(shù)的差異會導致難以對準和殘余應(yīng)力的問題[35]。因此，共晶焊只適用于20 μm以上Micro-LED芯片。

微管技術(shù)一般用于10 μm以下Micro-LED的接合，通常在硅基板上使用。在具有Micro-LED倒裝芯片的GaN晶片上，焊盤由相對柔軟的材料形成，當兩個基板在室溫下壓在一起時，微管將自身嵌入電極中，CMOS硅基陣列與Micro-LED之間形成機械和電性連接[35]。Templier[36]利用這種方法構(gòu)造了像素間距為10 μm、像素為873 × 500的主動式驅(qū)動Micro-LED。

4.6 驅(qū)動技術(shù)

Micro-LED的驅(qū)動技術(shù)可以分為主動式驅(qū)動及被動式驅(qū)動。目前，Micro-LED顯示一般采用主動驅(qū)動方式，在理想狀態(tài)下，每個紅綠藍像素配置一個驅(qū)動Micro-IC，而Micro-IC具備脈沖寬度調(diào)制功能，能通過占空比來調(diào)整亮度和色階，從而精確控制色彩變化[37]。因此，未來Micro-IC驅(qū)動是Micro-LED理想的顯示驅(qū)動方式。

由于Micro-LED驅(qū)動電流極小，且必須遵守V-I特性，但在小電流下LED芯片的發(fā)光效率并不成線性變化，因此在小電流驅(qū)動時會出現(xiàn)穩(wěn)定性不佳的狀況，通常會出現(xiàn)低灰階下亮度、色度不穩(wěn)定的問題。為了實現(xiàn)穩(wěn)定地控制電流輸出，需要輸入電流的精度控制在200 μA±1.5%范圍內(nèi)[38]。

4.7 檢測技術(shù)

LED的檢測技術(shù)大致可以分為接觸式光電檢測技術(shù)、光致發(fā)光檢測技術(shù)和非接觸式電致發(fā)光檢測技術(shù)。傳統(tǒng)LED產(chǎn)業(yè)使用接觸式光電檢測技術(shù)來測試LED芯片的光電性能，但產(chǎn)能不高。且由于Micro-LED芯片電極很小，且數(shù)量眾多，接觸式檢測方法并不適用。光致發(fā)光檢測技術(shù)是一種無接觸檢測技術(shù)，能夠獲取Micro-LED的亮度和發(fā)光波長，從而用于檢測出壞點，但是檢測精度不高。非接觸式電致發(fā)光檢測技術(shù)是當Micro-LED芯片小于80 μm時，采用光學CCD的方式，檢測Micro-LED外觀的微缺陷[39]。但對于Micro-LED芯片的電壓、電極不良、光學性質(zhì)異常等卻無法檢出?？傮w來說，目前尚沒有成熟的適用于Micro-LED芯片的檢測工藝。

4.8 維修技術(shù)

維修技術(shù)需要滿足維修精度、維修使用性、維修產(chǎn)能以及維修成本的要求。目前主要的維修方式有選擇性拾取維修、選擇性激光維修以及激光焊接技術(shù)。

在Micro-LED制程中，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)與檢測維修技術(shù)是影響Micro-LED 顯示屏良莠的關(guān)鍵[40]。而兩者又是強相關(guān)的關(guān)系，一次轉(zhuǎn)移的良率越高，后面所需要的檢測和維修的時間越少，成本越低。反之，如果要依靠后面的檢測和維修來解決一次轉(zhuǎn)移良率的問題，無疑是緣木求魚。所以在Micro-LED工藝方面，核心是解決一次巨量轉(zhuǎn)移的良率問題。

綜上，我們從Micro-LED顯示的全工藝的各個環(huán)節(jié)進行了分析，可以發(fā)現(xiàn)，Micro-LED在各個環(huán)節(jié)所面臨的技術(shù)瓶頸是共性的，歸結(jié)起來就是：精度→良率→效率→成本的問題。這幾個問題是逐層遞進，且具有因果關(guān)系。

Micro-LED顯示技術(shù)成立的前提就是精度，如果精度低，就難以實現(xiàn)高性能的Micro-LED顯示；在保證精度的前提下，良率和效率是降低成本的最重要因素，也是Micro-LED技術(shù)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的前提。目前Micro-LED各環(huán)節(jié)的技術(shù)基本處于提升精度的階段，距離良率和效率提升階段仍有一段距離。

5 Micro-LED應(yīng)用問題分析

Micro-LED顯示除了其自身的集成工藝問題外，在顯示終端應(yīng)用時，由于Micro-LED顯示自身的技術(shù)特點，有一些應(yīng)用問題，直接影響著終端顯示的效果，仍然缺乏完美的解決途徑。

5.1 抗環(huán)境光干擾問題

與LCD顯示技術(shù)不同，Micro-LED顯示上表面沒有濾光片，濾光片的一個重要作用就是可以大幅降低環(huán)境光對顯示效果的影響。而Micro-LED顯示技術(shù)只有通過增加基板上黑色區(qū)域的面積和吸光度來減少環(huán)境光對Micro-LED顯示對比度的影響。如圖5所示，如果環(huán)境光很強，這種影響就會被放大，最終影響顯示的效果[41]。

圖5 環(huán)境光反光現(xiàn)象Fig.5 Reflective phenomena of ambient light

5.2 大角度色偏問題

色偏問題主要由紅綠藍三色芯片光場分布不同和相鄰像素之間發(fā)光串擾問題造成。

在Micro-LED顯示技術(shù)應(yīng)用于大尺寸時，由于紅綠藍三色芯片的發(fā)光層不同，三色芯片的光場分布也不同。在大角度觀看Micro-LED顯示屏幕時容易出現(xiàn)色偏。這時，只有將紅綠藍三色芯片的光場分布曲線調(diào)整至完全一致，才能在大尺寸顯示中改善大角度偏色問題[30]。

而當Micro-LED顯示技術(shù)應(yīng)用于小尺寸時，由于相鄰像素間距很小，由于芯片出光發(fā)散角的問題，組成相鄰像素的紅綠藍三色芯片之間就會出現(xiàn)側(cè)向串光，需要對芯片的發(fā)光進行準直，才能實現(xiàn)較好的顯示效果[42]。

5.3 單色場和灰場均勻性的問題

由于Micro-LED顯示使用的芯片無法混規(guī)格，需要控制紅綠藍三基色芯片的波長波動范圍小于1.5 nm[43]。如圖6所示，由于Micro-LED顯示終端多為多塊拼接的，所以很難保證每一塊顯示單元上的所有芯片波長都能滿足此要求，另外由于每顆芯片的典型驅(qū)動電壓均有浮動，就會造成單色場每一塊Micro-LED顯示單元在光色一致性上有所差異[44]。

圖6 單色場不一致現(xiàn)象Fig.6 Inconsistency of monochromatic field

此外，由于拼接基板顏色一致性的問題和單元之間及單元之內(nèi)驅(qū)動電流的差異，會形成如圖7所示的灰場一致性的問題。目前行業(yè)內(nèi)為了解決這一問題，通常會采用逐點矯正技術(shù)，對每一個像素點的光色進行算法補償矯正。但耗時很長，無法滿足未來終端顯示器件大規(guī)模量產(chǎn)的需求。

圖7 灰場不一致現(xiàn)象Fig.7 Inconsistency of gray field

5.4 拼接問題

大尺寸的Micro-LED顯示器件是使用多塊顯示單元拼接形式組成的。在相鄰像素間距大于1.0 mm以上時，拼接造成的拼縫和邊緣損傷問題并不突出，但當相鄰像素間距小于0.5 mm時，拼接縫隙的寬度與像素間距相近，即在兩塊單元板相鄰像素的間距明顯大于板內(nèi)相鄰像素間距時，在整體畫面表現(xiàn)上，尤其是在大角度方向，拼接縫的問題就會比較明顯。此外，在小間距Micro-LED顯示時，Micro-LED芯片到單元板的邊距很小，一定會小于相鄰像素間距的一半，此時基板邊緣的電子線路設(shè)計和走線難度大增，在生產(chǎn)、搬運、組裝時輕微的碰撞都會造成基板邊緣電路不良或損壞邊緣LED芯片[45]。

5.5 驅(qū)動功率問題

雖然Micro-LED顯示技術(shù)沒有了LCD的透過率的限制，而且實現(xiàn)了像素級光學調(diào)控，光學的利用效率應(yīng)大幅提升、整機功率應(yīng)大幅降低，但由于像素級的控制，需要的驅(qū)動芯片數(shù)量較多，從而導致驅(qū)動芯片的功率大幅增加，且由于是低電壓、高電流驅(qū)動，導致電源效率低、線損大。以4K的Micro-LED大屏顯示為例，整機工作的額定功率為3 000 W，遠超同規(guī)格的OLED或LCD顯示裝置。此外，即使在待機的狀態(tài)下，功率也要達到1 000 W，主要是由于驅(qū)動芯片需要持續(xù)供電帶來的功耗[46]。而OLED或LCD的待機功率通常在0.5 W以下。

6 總結(jié)與展望

Micro-LED顯示技術(shù)是對目前主流顯示技術(shù)一個有效的補充，在應(yīng)用上填補了目前主流顯示技術(shù)的短板和空白，尤其是在超大和超小顯示應(yīng)用場景上。在超大顯示上利用其可拼接性，可以滿足大尺寸顯示的需求，利用其像素級控光達到的高亮度、高色域、高對比度性能，可以滿足在戶外、半戶外及影院場景下使用的需求。而超小顯示主要針對VR和AR技術(shù)的應(yīng)用，利用其超小的晶粒尺寸，可以實現(xiàn)上千像素密度的需求。

此外，Micro-LED 顯示的自發(fā)光和材料穩(wěn)定的特性使其在響應(yīng)時間和寬溫工作及儲存上具有優(yōu)勢，能滿足飛機等機載主顯示器在實時性和可靠性方面的要求[47]。在驅(qū)動和背板領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破后，使用透明塑料薄膜作為基板，還能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、透明、柔性Micro-LED顯示器件的構(gòu)造，可以將任意大小的顯示膜片貼敷于其他載體上，有望實現(xiàn)顯示無處不在。利用Micro-LED顯示技術(shù)具有納秒級響應(yīng)時間的特性，有可能實現(xiàn)真正的裸眼3D 顯示，或者利用這一特性將Micro-LED顯示器件作為網(wǎng)絡(luò)信號的發(fā)射和接受裝置。

由于Micro-LED顯示微縮化、集成化的特征，Micro-LED顯示技術(shù)尚不成熟，對芯片、背板、發(fā)光介質(zhì)等材料提出了更高的要求；同時，對工藝制程也有著更嚴苛的標準，傳統(tǒng)工藝需要加以改進，新工藝仍有待發(fā)展與開發(fā)。另外，在面向應(yīng)用時，終端顯示器還存在一系列問題。Micro-LED顯示剛開始進入消費電子領(lǐng)域，距離該技術(shù)大量普及和應(yīng)用尚有一段時間。但其所表現(xiàn)出來的特性，將很快在特殊應(yīng)用領(lǐng)域推廣開來，并且基于Micro-LED顯示技術(shù)的新功能也在不斷探索之中，也許這些新功能會給未來顯示領(lǐng)域帶來一次革命。