當漫步在商場, 有沒有發現眼前的電子廣告牌似乎少了些什麼東西? 沒錯! 原本切割畫面惱人的黑線怎麼都不見了. 拜近年LED價格快速下滑所賜, 小點間距LED顯示屏大張旗鼓進入室內廣告應用, 取代原本的液晶顯示器拼接屏, 也消弭了液晶顯示器邊框所造成的黑線(見圖1, 圖2).
圖1 液晶顯示器拼接屏, 位於桃園國際機場第二航廈采盟免稅店上方.
圖2 小點間距LED顯示屏, 位於桃園國際機場第二航廈升恒昌免稅店上方.
除了商用顯示外, 小點間距LED顯示屏挾著高亮度, 高對比度, 無拼接縫的優勢, 逐步在中控室, 室內劇院等應用發力, 取代背投拼接與液晶顯示器拼接.
2017年7月, 三星電子在首爾樂天戲院建置了第一個以小點間距LED顯示屏為播放屏幕的電影院, 該顯示屏大小為406英吋, 解析度達到4K(4,096×2,160), 亮度則有146fL, 高亮度的屏幕有利於顯示3D影像, 以往配戴3D眼鏡後會覺得影像變暗, 此屏幕就不會出現這個問題, 並且支援HDR顯示, 亦符合DCI播放要求. 三星電子此舉將小點間距LED顯示屏的應用推上了另一個頂峰(圖3).
圖3 三星Cinema Screen 圖片來源: Samsung
早在2016年6月, SONY在Infocomm Las Vegas展示出全球第一面以MicroLED為顯示光源的大型顯示屏(圖4), 其尺寸高達9.7m×2.7m, 解析度達8192× 2048, 點間距為1.26mm, SONY稱之為CLEDIS(Crystal LED Integrated Structure). 其實, CLEDIS並非SONY首次展出以MicroLED為顯示光源的顯示器, 早在2012年CES, SONY就曾展出以MicroLED為顯示光源的55吋電視, 當時稱之為Crystal LED Display(CLED Display)(圖5), 可謂MicroLED Display的濫觴, 可惜CLED Display後繼無人, 而CLEDIS 220吋8K的顯示屏要價高達103萬美元, 令人望之卻步, 至今亦無安裝實績.
圖4 SONY CLEDIS
圖5 SONY CLED Display
ABI Research研究顯示數字顯示廣告牌的全球產值於2016年將由2010年之13億美元大幅成長至45億美元; 此外, 2015MarketsandMarkets調查報告亦指出全球數字顯示廣告牌的產值將於2020年達到237.6億美元, 其年複合成長率將達8.18%(2015~2020). 依據LEDinside市場數據, LED顯示屏產值將於2020年達到50億美元, 其中小間距LED顯示屏的產值可達近13.5億美元, 年複合成長率高達32.42%(2015~2020), 遠高於全球數字顯示廣告牌年複合成長率的平均值(表1). 筆者謹利用下文簡介MicroLED的技術優劣與瓶頸.
表1 LEDinside預估LED顯示屏產值
無封裝LED顯示器獨具優勢
LED是電轉光的元器件, 以觀賞者立場, 光學表現首重於一切, 為何無封裝形式LED勝過封裝形的LED, 以下舉兩個例子說明:
. 消除摩爾紋
然而, 現行的小點間距LED顯示屏解決方案並非完美, 現行光源多是表貼三合一LED, 因LED封裝膠體緣故, 目前我們經常會碰到使用手機或是相機拍LED顯示屏時, 發現照片上出現摩爾紋(Moire Effect), 如圖6所示. 原理就是在兩個頻率接近的等幅正弦波迭加, 合成訊號的幅度將按照兩個頻率之差發生變化. 如果在感光組件裡面畫素的空間頻率與影像中條紋的空間頻率接近, 就很容易會產生摩爾紋.
圖6 以相機拍攝LED顯示屏的摩爾紋
. 可視角
光學特性顯示, MicroLED光場半公角140度(圖7)大於傳統SMD LED的110度(圖8), 燈板視角規格將超過目前既有燈板規格140度. MicroLED無色偏水平/垂直視角﹥140o/125o, 亦高於傳統SMD結構之約140o/60o. 側視時, 亦不會因面罩或是SMD封裝形成視覺上塊狀的缺陷, 如圖9.
圖7 MicroLED光場
圖8 SMD LED光場
圖9 SMD LED顯示屏側視
因此有人嘗試採用COB(Chip On Board)無封裝形式的LED, 避免上述空間幹涉產生的摩爾紋與視角等問題. 依晶片結構區分, COB可再細分為正裝(Face-Up Chip)與倒裝(Flip-Chip)兩種形式. 在圖10, 正裝形式的COB中, 電極與導線皆在出光面, 其缺點為: 導線(Bonding Wire)會影響到LED晶片出光角度, 電極與導線等金屬成分造成反射會給予觀賞者強烈的鏡面反射感, 降顯示屏的對比度.
筆者認為圖11的倒裝晶片(Flip-Chip)是COB無封裝形式的LED較好的解決定方案, 以成本論, 少了打線的工費與材料; 以光學論, 沒有導線造成的出光幹涉, 出光面完整向上. Bonding Pad朝下, 顯示屏的對比度亦相對提高. 若以晶寸尺寸區分, 大於100μm×100μm, 且帶有基板, 稱之為Mini-LED, 而小於這個尺寸且無基板則稱之為MicroLED.
主動/被動驅動優劣互補
LED顯示的驅動架構可分為被動式(Passive Matrix)(圖12)與主動式(Active Matrix)(圖13), 兩種驅動架構優缺點剛好是互補的. 被動式驅動, 採用循序掃瞄的驅動方式, 掃瞄線依設定的方式逐列開啟, 當電流通過時, 掃瞄線才會被點亮, 其結構較主動式驅動簡單, 且不需使用到TFT製程, 缺點是由於電極的公用形成交叉效應外, 兩個發光像素之間就可能有相互串擾的現象, 即一個像素髮光, 另一個像素也可能發出微弱的光.
圖12 MicroLED被動式驅動架構
圖13 MicroLED主動式驅動架構
主動式驅動的每個像素配備具有開關功能的低溫多晶矽薄膜晶體管(Low Temperature Poly-Si Thin Film Transistor, LTP-Si TFT), 而且每個像素配備一個電荷存儲電容, 外圍驅動電路和顯示數組整個系統整合在同一玻璃基板上. 主動式驅動屬於靜態驅動方式, 具有存儲效應, 可進行100%負載驅動, 這種驅動不受掃描電極數的限制, 可以對各像素獨立進行選擇性調節. 主動式驅動無占空比問題, 驅動不受掃描電極數的限制, 易於實現高亮度和高解析度. 缺點是除了成本較高外, 在大面積玻璃基板上製作的LTPSTFT, 不同位置的TFT常常在諸如閾值電壓, 遷移率等電學參數上具有非均勻性, 這種非均勻性會轉化為LED顯示器件的電流差異和亮度差異, 並被人眼所感知, 即Mura現象. Oxide TFT雖然工藝的均勻性較好, 在長時間加壓和高溫下, 其閾值電壓會出現漂移, 由於顯示畫面不同, 面板各部分TFT的閾值漂移量不同, 會造成顯示亮度差異, 由於這種差異與之前顯示的映像有關, 因此常呈現為殘影現象, 也就是通常所說的殘像. 故, TFT基板的主動式驅動需要補償.
以LED大型拼接顯示, 採用PCB為基板, 所以皆採用被動式驅動架構, 當像素點間距變密, 行掃數提升, 則像素間串擾的現象就會變嚴重, 常見的串擾現象整理如下. 首先是鬼影, 鬼影最常出現在文字顯示時, 相鄰發光的LED原本並不點亮, 因為串擾而造成誤亮, 如圖14所示, 此問題需要藉由驅動IC修正成圖15的正常顯示.
圖14 顯示文字時出現鬼影
圖15 正常顯示
其次是, 周期性發生首行偏暗, 可以注意到圖16上方及中間都有第一行掃偏暗的現象. 第一行掃偏暗的現象是由LED燈點的寄生電容儲存的電荷經驅動晶片的通道泄放所引起的分流現象所造成, 由於第一行掃點亮後寄生電容中的電荷已泄放完畢, 所以偏暗現象通常只發生在第一行掃(正常顯示如圖17).
圖16 周期性首行偏暗
圖17 正常顯示
第三, LED亮度基本上與流過的電流大小成正比, 尤其是MicroLED這種高效率的LED, 些微的順向電流差異, 人眼就可以感覺出其亮度的差別. 在被動式驅動行掃架構下, 如果驅動IC間的電流一致性不佳, 對比於圖18的正常顯示內容, 很容易就產生以IC為單位的塊狀明暗顯示差異, 如圖19所示. 聚積科技第二代Precision Drive的驅動IC都能將驅動IC間的電流誤差控制在±1.5%以內. 而MicroLED的平均驅動電流將低至15μA以下, 電流誤差控制目標要壓縮至±1.0%以內, 對於驅動IC設計將是一大挑戰.
圖18 正常顯示
圖19 電流均一性不佳, 造成區塊不均
第四點是LED壞點造成的十字架亮線, 尤其在高行掃的設計, 十字架現象除了水平方向延伸的燈點誤亮外, 垂直方向的燈點誤亮也會隨行掃數變高而延伸, 一旦有LED壞點出現時, 十字架現象會相當明顯, 造成顯示畫面瑕疵. 圖20使用測試圖案為白色單色斜掃樣式, LED壞點故障情形為藍光LED故障, 因此壞點會偏黃色, 同時有以壞點為中心的十字架現象產生; 圖21為開啟驅動IC內建的消除十字架功能後的測試實拍, 可觀察到十字架現象完全消除.
圖20 LED壞點隔離造成的十字亮線
圖21 啟用壞點隔離技術
MicroLED仍然是最終解決方案
LED一向給予人們節能高效率的印象, 至少在白光LED取代傳統照明確實是如此, 可是LED顯示屏的耗電量卻不比液晶顯示器低, 甚至更高. 原因在於, LED顯示屏上表示每個像素點的LED是用來顯示而非照明, R/G/B三原色的光強必須互相匹配, 彼此妥協, 所以並不是操作在最高效率的電流, 若將R/G/B三原色的LED都操作在最高效率的電流, 所發出的顏色對人眼來說是非常奇怪的. 在MicroLED突破技術與良率瓶頸前, Mini-LED被視為MicroLED的前哨戰, 現今Mini-LED晶片尺寸多落5×9mil至4×7mil, 以5×9mil晶片尺寸為例, LED操作電流為500μA時, 電流密度為1.65A/cm2, 而在LED最佳的Internal Quantum Efficiency約略落在電流密度3~10A/cm2, 倘若我們能夠將晶片尺寸縮小至80×80μm, 則電流密度將提升至7.8A/cm2. 以圖22的藍光LED為例, 效率則可提升9.4%.
圖22 藍光LED電流密度與效率關係
MicroLED另一個迷人的地方在於成本的樽節, 假以時日MicroLED的轉移良率能提高到99.999%, 單就材料成本來看, 晶粒尺寸80×80μm的MicroLED, 比5×9mil的Mini-LED節省了80%的材料成本 , 若是放大到整個系統與SMD LED比較, 如圖23, 以P1.25 LED顯示屏為例, 在像素成本降低了82%, 整屏成本降低了32%.
圖23 P1.25 LED顯示屏成本比較
自2014年Apple收購Luxvue以來, MicroLED吸引了眾人的目光, 供應鏈中, 從上遊磊晶, 到巨量轉移, 驅動IC與下遊的系統整合, 許多廠商競相投入這個市場. MicroLED對比於習知的各種顯示技術的優勢是明確的, 但伴隨而來的挑戰也是巨大的. 磊晶, 巨量轉移, 驅動IC等每個步驟都有艱難的課題要被克服, 筆者相信, 在各家廠商努力之下, 在2018年, 我們將可以看到MicroLED商業化的產品, 不論是大型顯示器, 頭戴式裝置或是微型投影.