浅析从LED到Micro-LED的演变史

浅析从LED到Micro-LED的演变史从历史上看，LED的芯片尺寸一直都很大。第一个LED显示屏使用了独立的红色，绿色和蓝色LED芯片。每个LED芯片都封装在具有电气连接和光学元件的独立外壳中。这个LED的尺寸大小意味着像素间距不会太小（20mm左右是一个典型值），2000年我们曾报道过Lighthouse实现10mm到5mm像素间距突破的消息。如果像素间距很大而观看距离又很近，那么所显示的图像质量会很差。业内有这样一个经验，为了保证合适的观看效果，每毫米的像素间距至少需要1米的观看距离。不过，我觉得每毫米的像素间距对应1.5米观看距离会更理想。如果你想现在制作一款像素间距为20毫米的LED显示屏，那么你就需要在20米距离外观看它。这意味着，使用这种技术的大多数显示器都需要安装在室外或非常大的空间内，用于远距离观看。三色LED最初看起来和普通的单个LED一样为了改善这一点，LED器件封装商开始采用三个独立的LED芯片，并将它们像单个LED一样封装在一起，不过这种封装可以产生不同的混色光。这种架构是所有小间距LED的基础，这些LED在公共场所使用得越来越普遍，即使从相对近的距离观看，效果也还好。最初，它们看起来像带有透镜的独立LCD，但随后这种设计就被能够实现LED表贴在PCB上的SMD架构所取代。设计人员可以继续使LED封装越来越小，以进一步缩小成品显示器的像素间距。目前，基于这种新架构LED的显示器的像素间距大约只有0.9毫米。亿光（Everlight）于2016年在Electronica上展示的SMD显示芯片。图片：Meko由于需要散热，基于这种尺寸LED的显示器设计变得棘手，它的亮度比大多数的LED显示器低得多。不过也有特殊情况，比如像SiliconCore（美国硅芯片技术公司）这样的供应商就通过不同架构和驱动方法的使用，在同样的LED尺寸下，就比其他供应商做得更好，从而能够从众多的LED供应商中脱颖而出。索尼2016年通过在CinemaCon（美国电影产业大会）和Infocomm（美国国际视听展）上展示其CrystalLED技术，真正在这个市场中引起轩然大波。这项技术改变了传统设计，使用极小的LED芯片并在其周围设计极大的黑色区域。这比传统方法可以实现更好的黑色水平（BlackLevel）。索尼将LED芯片直接安装在电路板上，这种技术被称为“板上芯片”（CoB，ChiponBoard）技术。其他公司也一直在尝试开发相同概念的产品，不过效果参差不齐。虽然索尼已经做得很好–但是成本原因，这种芯片和方案还不能获得更高的商业价值。2016Infocomm上拍摄的索尼CrystalLED特写画面：LED和黑色区域。图片：Meco然而，索尼在这款显示器的设计上所做的只是为了展示LED显示器到底有多优秀。由于LED是自发光而且没有速度问题，因此视角问题几乎可以不考虑，而色域和寿命更是具有吸引力。所以，这是一项值得进一步研究开发的技术。此外，LED是将电子转换为光子的最有效方式之一，从保护环境的角度看也很有优势。其实，索尼在2012年基于电视产品已经展示了相同的概念，当时它在CES上展示了一款55英寸全高清电视。这款产品看起来非常吸引人，有传闻说它是在几个月的时间里手工完成的！也就是说，这款电视所使用的600多万颗LED是完全通过人工单独转移的。不过，索尼制作这款产品只是作为技术展示，迄今为止尚未将它商品化。因此，就我们关心的问题而言，索尼使用的LED实际上是micro-LED，对于许多人来说，尺寸小于100微米的LED即为micro-LED。同样在研究开发LED显示器的三星显示器公司，显然更愿意使用自己的理解来定义micro-LED。三星对外宣称“TheWall”为micro-LED显示器，尽管这些LED芯片的实际尺寸约为0.4mmx0.125mm。三星在CES上展示的图像：左侧是连续LED芯片的显微图像，右侧是146英寸“TheWall”电视。图片：Meko三星“TheWall”显示器用的LED芯片比索尼CrystalLED大得多。图片：Meco三星说其今年在CES上展示的“TheWall”显示器使用了micro-LED芯片，它在新闻发布会上还展示了该“micro-LED”芯片的显微图像，根据对角线和分辨率计算，其像素间距为0.82毫米。根据拍摄到的图像计算，图中的LED尺寸为410微米×124微米。它们与索尼的CystalLED所用LED像素区别很大。索尼在引述时，谈到其像素面积小于0.003mm²，这意味着LED芯片的每一边（假设该LED芯片是正方形）为54微米，这符合我们对micro-LED的定义。另一方面，三星的“TheWall”显示器所用LED的面积约为0.051mm²，这是索尼的17倍。尽管Mini-LED很可能直接用于小间距显示器，但目前正在讨论的应用主要还是LCD显示器的直下式背光。究其原因，首先LCD制造商急需要增加其相对于OLED面板，在高对比度显示器领域的竞争力，比如电视和车载应用。在汽车行业，使用大量mini-LED来提升黑色水平，可以很好地解决汽车制造商目前面临的两个问题。高的黑色水平意味着面板可以消失在背景中，当显示器通电时，常见的显示器矩形轮廓会变得不明显，这在传统背光情况下只可能发生在黑暗环境中。汽车设计师不喜欢矩形显示器的轮廓。这也意味着您可以接受使用并排的两个显示屏来取代单个的超宽显示屏，这可以降低成本。OLED面板能够实现很高的黑色水平，但是将OLED面板用于车载产品仍然是一个挑战。奥迪已经在其新款e-tronSUV中安装了OLED显示屏来取代后视镜，但在调整后的短时间内，该显示屏不能显示动态的图像。另一方面，在仪表板显示器或中央显示器中，通常存在许多需要静态显示的内容，这会加重OLED面板的图像残留（ImageSticking）问题。在电视应用中，OLED面板具有非常吸引人的黑色水平，但它很难在高亮度工作条件下显示同时具有高亮度和高饱和度的画面。用于电视的大型OLED面板也只能从LGDisplay获得，这让一些电视机制造商失去议价权（对于三星同样如此）。在CES展会上，三星在其自己的创新室里展示了一台采用最新版VALCD技术的电视（改善了视角特性），这款产品设计使用了具有千个分区的直下式背光。它与LG的OLED显示器并排展示，背光几乎没有光晕，峰值亮度和色彩量也确实令人印象深刻。现在看，这两种应用都需要非常大量的mini-LED。鉴于LED是从晶圆切割的半导体，这意味着为了将成本保持在可接受的程度，LED芯片必须非常小。如果LED芯片太大，你根本无法在晶圆层面限制生产成本。据我所知，大多数LED芯片都是用4英寸晶圆制造的。根据粗略计算，如果芯片面积设计为0.5平方毫米，4英寸的晶圆可以制造出20,000到30,000颗mini-LED。然而，如果芯片面积降到0.2平方毫米，这意味着同样的晶圆可以制造出六到七倍数量的mini-LED。所以，在我看来，虽然有些人认为是0.5平方毫米是mini-LED的合理尺寸，但是我还是觉得这个尺寸太大了。对于目前正在开发的这些应用来说，这种尺寸的mini-LED还是太贵了。IHSMarkit已经说过，按照目前的价格，mini-LED液晶显示器太贵了。在此基础上，我将micro-LED的尺寸定义为每边“小于100微米”，而mini-LED的最大边长为100微米到200微米。在调研撰写这篇文章时，我刚好在今年夏天YoleDéveloppement公司EricVirey分析师的演讲报告中看到一些非常好的图片（如下图）。在那篇专业的博客内容中，LEDInside使用200微米作为mini-LED的上限尺寸，而下限尺寸为50微米。Yole强调的一个关键区别是，虽然mini-LED可以封装为SMD或CoB器件，但micro-LED是严格使用CoB架构的，micro-LED的芯片直接连接到电路板上。Yole关于micro-LED技术的发展介绍图示另一种定义方案是使用面积而不是边长作为特征参数。使用这种方式，这意味着我们对micro-LED的定义是面积小于0.01mm²，而mini-LED是从0.01平方毫米到0.04平方毫米。