当漫步在商场, 有没有发现眼前的电子广告牌似乎少了些什么东西? 没错! 原本切割画面恼人的黑线怎么都不见了. 拜近年LED价格快速下滑所赐, 小点间距LED显示屏大张旗鼓进入室内广告应用, 取代原本的液晶显示器拼接屏, 也消弭了液晶显示器边框所造成的黑线(见图1, 图2).
图1 液晶显示器拼接屏, 位于桃园国际机场第二航厦采盟免税店上方.
图2 小点间距LED显示屏, 位于桃园国际机场第二航厦升恒昌免税店上方.
除了商用显示外, 小点间距LED显示屏挟着高亮度, 高对比度, 无拼接缝的优势, 逐步在中控室, 室内剧院等应用发力, 取代背投拼接与液晶显示器拼接.
2017年7月, 三星电子在首尔乐天戏院建置了第一个以小点间距LED显示屏为播放屏幕的电影院, 该显示屏大小为406英吋, 分辨率达到4K(4,096×2,160), 亮度则有146fL, 高亮度的屏幕有利于显示3D影像, 以往配戴3D眼镜后会觉得影像变暗, 此屏幕就不会出现这个问题, 并且支持HDR显示, 亦符合DCI播放要求. 三星电子此举将小点间距LED显示屏的应用推上了另一个顶峰(图3).
图3 三星Cinema Screen 图片来源: Samsung
早在2016年6月, SONY在Infocomm Las Vegas展示出全球第一面以MicroLED为显示光源的大型显示屏(图4), 其尺寸高达9.7m×2.7m, 分辨率达8192× 2048, 点间距为1.26mm, SONY称之为CLEDIS(Crystal LED Integrated Structure). 其实, CLEDIS并非SONY首次展出以MicroLED为显示光源的显示器, 早在2012年CES, SONY就曾展出以MicroLED为显示光源的55吋电视, 当时称之为Crystal LED Display(CLED Display)(图5), 可谓MicroLED Display的滥觞, 可惜CLED Display后继无人, 而CLEDIS 220吋8K的显示屏要价高达103万美元, 令人望之却步, 至今亦无安装实绩.
图4 SONY CLEDIS
图5 SONY CLED Display
ABI Research研究显示数字显示广告牌的全球产值于2016年将由2010年之13亿美元大幅成长至45亿美元; 此外, 2015MarketsandMarkets调查报告亦指出全球数字显示广告牌的产值将于2020年达到237.6亿美元, 其年复合成长率将达8.18%(2015~2020). 依据LEDinside市场数据, LED显示屏产值将于2020年达到50亿美元, 其中小间距LED显示屏的产值可达近13.5亿美元, 年复合成长率高达32.42%(2015~2020), 远高于全球数字显示广告牌年复合成长率的平均值(表1). 笔者谨利用下文简介MicroLED的技术优劣与瓶颈.
表1 LEDinside预估LED显示屏产值
无封装LED显示器独具优势
LED是电转光的元器件, 以观赏者立场, 光学表现首重于一切, 为何无封装形式LED胜过封装形的LED, 以下举两个例子说明:
. 消除摩尔纹
然而, 现行的小点间距LED显示屏解决方案并非完美, 现行光源多是表贴三合一LED, 因LED封装胶体缘故, 目前我们经常会碰到使用手机或是相机拍LED显示屏时, 发现照片上出现摩尔纹(Moire Effect), 如图6所示. 原理就是在两个频率接近的等幅正弦波迭加, 合成信号的幅度将按照两个频率之差发生变化. 如果在感光组件里面画素的空间频率与影像中条纹的空间频率接近, 就很容易会产生摩尔纹.
图6 以相机拍摄LED显示屏的摩尔纹
. 可视角
光学特性显示, MicroLED光场半公角140度(图7)大于传统SMD LED的110度(图8), 灯板视角规格将超过目前既有灯板规格140度. MicroLED无色偏水平/垂直视角﹥140o/125o, 亦高于传统SMD结构之约140o/60o. 侧视时, 亦不会因面罩或是SMD封装形成视觉上块状的缺陷, 如图9.
图7 MicroLED光场
图8 SMD LED光场
图9 SMD LED显示屏侧视
因此有人尝试采用COB(Chip On Board)无封装形式的LED, 避免上述空间干涉产生的摩尔纹与视角等问题. 依芯片结构区分, COB可再细分为正装(Face-Up Chip)与倒装(Flip-Chip)两种形式. 在图10, 正装形式的COB中, 电极与导线皆在出光面, 其缺点为: 导线(Bonding Wire)会影响到LED芯片出光角度, 电极与导线等金属成分造成反射会给予观赏者强烈的镜面反射感, 降显示屏的对比度.
笔者认为图11的倒装芯片(Flip-Chip)是COB无封装形式的LED较好的解决定方案, 以成本论, 少了打线的工费与材料; 以光学论, 没有导线造成的出光干涉, 出光面完整向上. Bonding Pad朝下, 显示屏的对比度亦相对提高. 若以晶寸尺寸区分, 大于100μm×100μm, 且带有基板, 称之为Mini-LED, 而小于这个尺寸且无基板则称之为MicroLED.
主动/被动驱动优劣互补
LED显示的驱动架构可分为被动式(Passive Matrix)(图12)与主动式(Active Matrix)(图13), 两种驱动架构优缺点刚好是互补的. 被动式驱动, 采用循序扫瞄的驱动方式, 扫瞄线依设定的方式逐列开启, 当电流通过时, 扫瞄线才会被点亮, 其结构较主动式驱动简单, 且不需使用到TFT制程, 缺点是由于电极的公用形成交叉效应外, 两个发光像素之间就可能有相互串扰的现象, 即一个像素发光, 另一个像素也可能发出微弱的光.
图12 MicroLED被动式驱动架构
图13 MicroLED主动式驱动架构
主动式驱动的每个像素配备具有开关功能的低温多晶硅薄膜晶体管(Low Temperature Poly-Si Thin Film Transistor, LTP-Si TFT), 而且每个像素配备一个电荷存储电容, 外围驱动电路和显示数组整个系统集成在同一玻璃基板上. 主动式驱动属于静态驱动方式, 具有存储效应, 可进行100%负载驱动, 这种驱动不受扫描电极数的限制, 可以对各像素独立进行选择性调节. 主动式驱动无占空比问题, 驱动不受扫描电极数的限制, 易于实现高亮度和高分辨率. 缺点是除了成本较高外, 在大面积玻璃基板上制作的LTPSTFT, 不同位置的TFT常常在诸如阈值电压, 迁移率等电学参数上具有非均匀性, 这种非均匀性会转化为LED显示器件的电流差异和亮度差异, 并被人眼所感知, 即Mura现象. Oxide TFT虽然工艺的均匀性较好, 在长时间加压和高温下, 其阈值电压会出现漂移, 由于显示画面不同, 面板各部分TFT的阈值漂移量不同, 会造成显示亮度差异, 由于这种差异与之前显示的图像有关, 因此常呈现为残影现象, 也就是通常所说的残像. 故, TFT基板的主动式驱动需要补偿.
以LED大型拼接显示, 采用PCB为基板, 所以皆采用被动式驱动架构, 当像素点间距变密, 行扫数提升, 则像素间串扰的现象就会变严重, 常见的串扰现象整理如下. 首先是鬼影, 鬼影最常出现在文字显示时, 相邻发光的LED原本并不点亮, 因为串扰而造成误亮, 如图14所示, 此问题需要藉由驱动IC修正成图15的正常显示.
图14 显示文字时出现鬼影
图15 正常显示
其次是, 周期性发生首行偏暗, 可以注意到图16上方及中间都有第一行扫偏暗的现象. 第一行扫偏暗的现象是由LED灯点的寄生电容储存的电荷经驱动芯片的信道泄放所引起的分流现象所造成, 由于第一行扫点亮后寄生电容中的电荷已泄放完毕, 所以偏暗现象通常只发生在第一行扫(正常显示如图17).
图16 周期性首行偏暗
图17 正常显示
第三, LED亮度基本上与流过的电流大小成正比, 尤其是MicroLED这种高效率的LED, 些微的顺向电流差异, 人眼就可以感觉出其亮度的差别. 在被动式驱动行扫架构下, 如果驱动IC间的电流一致性不佳, 对比于图18的正常显示内容, 很容易就产生以IC为单位的块状明暗显示差异, 如图19所示. 聚积科技第二代Precision Drive的驱动IC都能将驱动IC间的电流误差控制在±1.5%以内. 而MicroLED的平均驱动电流将低至15μA以下, 电流误差控制目标要压缩至±1.0%以内, 对于驱动IC设计将是一大挑战.
图18 正常显示
图19 电流均一性不佳, 造成区块不均
第四点是LED坏点造成的十字架亮线, 尤其在高行扫的设计, 十字架现象除了水平方向延伸的灯点误亮外, 垂直方向的灯点误亮也会随行扫数变高而延伸, 一旦有LED坏点出现时, 十字架现象会相当明显, 造成显示画面瑕疵. 图20使用测试图案为白色单色斜扫样式, LED坏点故障情形为蓝光LED故障, 因此坏点会偏黄色, 同时有以坏点为中心的十字架现象产生; 图21为开启驱动IC内建的消除十字架功能后的测试实拍, 可观察到十字架现象完全消除.
图20 LED坏点隔离造成的十字亮线
图21 启用坏点隔离技术
MicroLED仍然是最终解决方案
LED一向给予人们节能高效率的印象, 至少在白光LED取代传统照明确实是如此, 可是LED显示屏的耗电量却不比液晶显示器低, 甚至更高. 原因在于, LED显示屏上表示每个像素点的LED是用来显示而非照明, R/G/B三原色的光强必须互相匹配, 彼此妥协, 所以并不是操作在最高效率的电流, 若将R/G/B三原色的LED都操作在最高效率的电流, 所发出的颜色对人眼来说是非常奇怪的. 在MicroLED突破技术与良率瓶颈前, Mini-LED被视为MicroLED的前哨战, 现今Mini-LED芯片尺寸多落5×9mil至4×7mil, 以5×9mil芯片尺寸为例, LED操作电流为500μA时, 电流密度为1.65A/cm2, 而在LED最佳的Internal Quantum Efficiency约略落在电流密度3~10A/cm2, 倘若我们能够将芯片尺寸缩小至80×80μm, 则电流密度将提升至7.8A/cm2. 以图22的蓝光LED为例, 效率则可提升9.4%.
图22 蓝光LED电流密度与效率关系
MicroLED另一个迷人的地方在于成本的樽节, 假以时日MicroLED的转移良率能提高到99.999%, 单就材料成本来看, 晶粒尺寸80×80μm的MicroLED, 比5×9mil的Mini-LED节省了80%的材料成本 , 若是放大到整个系统与SMD LED比较, 如图23, 以P1.25 LED显示屏为例, 在像素成本降低了82%, 整屏成本降低了32%.
图23 P1.25 LED显示屏成本比较
自2014年Apple收购Luxvue以来, MicroLED吸引了众人的目光, 供应链中, 从上游磊晶, 到巨量转移, 驱动IC与下游的系统集成, 许多厂商竞相投入这个市场. MicroLED对比于习知的各种显示技术的优势是明确的, 但伴随而来的挑战也是巨大的. 磊晶, 巨量转移, 驱动IC等每个步骤都有艰难的课题要被克服, 笔者相信, 在各家厂商努力之下, 在2018年, 我们将可以看到MicroLED商业化的产品, 不论是大型显示器, 头戴式装置或是微型投影.