微發光二極體顯示器
微發光二極體顯示器，（英語：Micro Light Emitting Diode Display，縮寫為 Micro LED Display） ，是一種新興的平面顯示器，目前已有廠商應用在電視機上，如韓國三星電子展出的146寸4K電視機[1]和日本索尼展出的800寸Crystal LED 16K顯示系統。
歷史與現況
發光二極體（LED）於顯示器元件中的使用，起自於TFT-LCD背光模組的應用。TFT-LCD為一非自發光的平面顯示器，其元件功能類似光控制開關，需有一提供光源的背光模組。自1990年代TFT-LCD開始蓬勃發展時，即有廠商利用LED做為液晶顯示器之背光源，其具有高色彩飽和度、省電、輕薄等特點。然當時因成本過高、散熱不佳、光電效率低等因素，並未大量應用於TFT-LCD產品中。
至2000年代，將藍光LED chip封裝於含螢光粉的樹脂中而製成的白光LED，其製程、效能、成本已逐漸成熟；至2008年左右，白光LED背光模組（LED backlight module）呈現爆發性的成長，幾年間即全面取代傳統的冷陰極管背光（CCFL backlight module），其應用領域由手機、平板電腦、筆記型電腦、桌上型顯示器，乃至電視和公用看板。
然而，因TFT-LCD非自發光的顯示原理所致，其open cell穿透率約在7%以下，造成TFT-LCD的光電效率低落；且白光LED所能提供的色飽和度仍不如三原色LED（紅光LED、綠光LED、藍光LED），大部份TFT-LCD產品約僅72% NTSC；再則，於室外環境下，TFT-LCD亮度無法提昇至1000nits以上，致使影像和色彩辨識度低，為其一大應用缺陷。
故另一種直接利用三原色LED做為自發光顯示畫素的LED Display或Micro LED Display的技術也正在發展中。隨著LED的成熟與演進，LED Display或Micro LED Display自2010年代起開始有著不一樣的面貌呈現。SONY在2012年展示55吋FHD「Crystal LED Display」原型機，係利用表面黏著技術（SMT, surface-mount technology）或COB技術（Chip on board），將LED chip黏著於電路基板上，高達6.2百萬（1920x1080x3）顆LED chip做為高解析的顯示畫素，對比可達百萬比一，色飽和度可達140% NTSC，無反應時間和使用壽命問題。然而在商業化上，仍有不少的成本與技術瓶頸存在，迄今未能量產。
一般的LED chip包含基板和磊晶層（Epitaxy）其厚度約在100~500μm，且尺寸介於100~1000μm。而更進一步正在進行的Micro LED Display研究在於，將LED表面厚約4~5μm磊晶層用物理或化學機制剝離（Lift-off），再移植至電路基板上。其Micro LED Display綜合TFT-LCD和LED兩大技術特點，在材料、製程、設備的發展較為成熟，產品規格遠高於目前的TFT-LCD或OLED，應用領域更為廣泛包含軟性、透明顯示器，為一可行性高的次世代平面顯示器技術。
自2010年後各廠商積極於Micro LED Display的技術整合與開發，然因Micro LED Display尚未有標準的μLED結構、量產製程與驅動電路設計，各廠商的專利佈局更是兵家必爭之地。迄2016年止，Luxvue（2014年5月已被Apple併購）、Mikro Mesa、SONY等公司皆已具數量規模的專利申請案，更有為數眾多的公司與研究機構投入相關的技術開發。
2018年，韓國三星電子在CES展上，已有146寸4K電視原型機亮相。[1]
2019年8月SONY宣布提供 CLEDIS 146吋到219吋的大螢幕MicroLED顯示。[2]
在小尺寸顯示方面: 2017年SID Display Week，glo與Jasper Display Corp共同發表全世界第一個0.55吋(14公厘) RGB全彩微型發光二極體顯示器，glo使用巨量轉移技術將微發光二極體鍵合在Jasper Display提供的矽基背板上。glo在2018年展出全球最亮 超過100,000 尼特超高亮度的單色微發光二極體顯示面板。[3]
在2019年的SID Display Week，天馬微電子與錼創科技共同展示7.56吋 (19.2 公分) 穿透率大於60%的微發光二極體透明顯示器。華星光電TCL與錼創科技共同展示3.3 吋 (8.4 公分) 穿透率約45%的微發光二極體透明顯示器。來自於英國的Plessey以wafer-to-wafer鍵合技術，展示一個0.7 吋 (18公厘)單片式藍色微發光二極體顯示器，Plessey導入自行開發monolithic全片式 氮化鎵發光二極體鍵合在Jasper Display提供的8微米像素間距的有源主動式元件矩陣矽基背板上。[4]
顯示原理
Micro LED Display的顯示原理，係將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1~10μm等級左右；後將μLED批量式轉移至電路基板上（含下電極與電晶體），其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上；再利用物理沈積製程完成保護層與上電極，即可進行上基板的封裝，完成一結構簡單的Micro LED Display。
μLED典型結構是一PN接面二極體，由直接能隙半導體材料構成。當上下電極施加一順向偏壓於μLED，致使電流通過時，電子、電洞對於主動區（Active region） 復合，而發射出單一色光。μLED發光頻譜其主波長的半高全寬FWHM僅約20nm，可提供極高的色飽和度，通常可大於120%NTSC。
且自2008年後LED光電轉換效率大幅提高，100 lm/W以上的LED已成量產之標準。而在Micro LED Display的應用上，為自發光的顯示特性，輔以幾乎無光耗元件的簡易結構，故可輕易達到低能耗（10%~20% TFT-LCD能耗） 或高亮度（1000nits以上） 的顯示器設計。即可解決目前顯示器應用的兩大問題，一是穿戴型裝置、手機、平板等設備，有8成以上的能耗在於顯示器上，低能耗的顯示器技術可提供更長的電池續航力；一是環境光較強（例：戶外、半戶外）致使顯示器上的影像泛白、辨識度變差的問題，高亮度的顯示技術可使其應用的範疇更加寬廣。
技術發展
| 製程種類 | Chip bonding[註 1] | Wafer bonding[註 2] | Thin film transfer[註 3] |
|---|---|---|---|
顯示畫素種類 | μLED 晶片 | μLED 薄膜 | μLED 薄膜 |
顯示基板尺寸 | 無尺寸限制 | 小尺寸 | 無尺寸限制 |
轉移間距可調 | 可 | 不可 | 可 |
批量轉移能力 | 不可 | 可 | 可 |
EPI 一次利用率 | 中 | 低 | 高 |
EPI 多次利用率 | 無 | 中 | 高 |
成本 | 高 | 中 | 低 |
廠商 | SONY |
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- 註解：
- ^ Chip bonding：晶片黏合係將LED直接進行切割成微米等級的μLED chip（含磊晶薄膜和基板），利用表面黏著技術（SMT， surface-mount technology） 或COB技術（Chip on board），將微米等級的μLED chip一顆一顆鍵接於顯示基板上。
- ^ Wafer bonding：晶圓黏合係在LED的磊晶薄膜層上用感應耦合電漿離子蝕刻（ICP），直接形成微米等級的μLED磊晶薄膜結構，此結構之固定間距即為顯示畫素所需的間距，再將LED晶圓（含磊晶層和基板）直接鍵接於驅動電路基板上，最後使用物理或化學機制剝離基板，僅剩4～5μm的μLED磊晶薄膜結構於驅動電路基板上形成顯示畫素。
- ^ Thin film transfer：係使用物理或化學機制剝離LED基板，以一暫時基板承載LED磊晶薄膜層，再利用感應耦合電漿離子蝕刻（ICP），形成微米等級的μLED磊晶薄膜結構；或者，先利用感應耦合電漿離子蝕刻（ICP），形成微米等級的μLED磊晶薄膜結構，再使用物理或化學機制剝離LED基板，以一暫時基板承載LED磊晶薄膜結構。最後，根據驅動電路基板上所需的顯示畫素間距，利用具有選擇性的轉移治具，將μLED磊晶薄膜結構進行批量轉移，鍵接於驅動電路基板上形成顯示畫素。
參見
參考文獻
- ^ 1.0 1.1 . Engadget. [2018-01-08]. （原始内容存档于2020-03-21） （美国英语）.
- ^ Sony reveals its Cystal-LED MicroLED display prices in Europe. microled-info. [2019-08-02] （美国英语）.
- ^ [Display Week 2018 Show Report]- GLO and JDC Demonstrated the Brightest Micro LED Display in the World. ledinside. [2018-05-24]. （原始内容于2020-09-29） （美国英语）.
- ^ [SID Display Week 2019]Micro LED Display Products Progress with Chinese Panel Makers Joining the Field. TRENDFORCE. [2019-05-17]. （原始内容于2021-02-03） （美国英语）.
引用
- Murphy, David. . PC Mag. 2014-05-03 [2018-05-19]. （原始内容存档于2018-07-05）.
- Campos, Alvaro. . Motley Fool. 2014-05-13 [2018-05-19]. （原始内容存档于2021-06-18）.
- US 8552436,Andreas Bibl,「Light emitting diode structure」,发表于2013-10-08
外部链接
- Micro LED與OLED爭艷-台灣固態照明國際研討會 - LEDinside （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- 谁将决定Micro-LED的发展应用轨迹？ - LED大屏网LED显示屏新闻 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- 趣科技 | OLED/QLED技术争宠上位，苹果为啥翻了Micro LED的牌-模拟/电源-与非网 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Micro-LED发展现状及其技术瓶颈分析 - oled - 电子发烧友网 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- MicroLED熱度「爆棚」，超小間距LED屏領域遭哄搶-字媒體 ZiMedia （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- The Long View With John Doerr | Disrupt SF 2013 （页面存档备份，存于互联网档案馆）, John Doerr of KPC&B 描述 microLED 概念，從標記約五分鐘地方時開始