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Mini LED 和 Micro LED 原理是什么?有何缺点?9 道 QA 带你解析未来显示技术

发表时间: 2022-07-03 11:39:22 | 作者:IM体育官网app

  也被当成台湾面板厂反攻市场的杀手锏。不管是在电视、手机上,谈论这两种面板技术的话题也越来越多,那么这两者到底有什么差别?在这裡就一次讲明白

  对于显示产业新闻稍有关注的读者,对于Mini LED一词想必并不陌生,在投资市场上,这两年Mini LED更成为热门的潜力股人选,足与和比特币相提并论,于今年初的 CES 展上,包括 LG 和叁星不约而同都推出了采用 Mini LED 技术的消费型产品,各大厂预计今年内就会开卖 Mini LED 电视;此外,Apple 将于今年度推出的 12.9 吋 iPa诶 Pro 平板电脑,亦首次搭载了 Mini LED 触控萤幕,2021 年作为 Mini LED 的商用元年,已经是业界的普遍共识。

  与此同时,伴随着 Mini LED 显示技术在消费市场的落地生根,另一项 Micro LED 技术亦屡屡浮出台面,代表着早有许多面板厂已经开始积极布局 Micro LED 技术,而 Micro LED 也被当成台湾面板厂反攻市场的杀手锏。毕竟不管是台系、日系或韩系面板厂,过去几年当中,都因中国官方刻意扶植的面板厂逆势掘起、大打价格战,使得 LCD 或 OLED 产业面临了极大的挑战,如今风向吹往了 Micro LED,相关製程技术专利的掌握、半导体产业链的健全性,都足以成为决定未来优势的重要关键。但究竟 Mini LED 和 Micro LED 有何特别之处?与当前显示技术的差别又是什么?下面笔者就列举出几个常见的 Q&A,希望可以帮你释疑。

  目前市场上主流的面板显示技术,可分成 LCD(液晶显示,Liqui诶 Crystal Display)和 OLED(有机发光二级体,Organic Light-Emitting Dio诶e)两大类,新兴的 Mini LED(次毫米发光二极体)显示技术,名称虽近似 OLED,不过从应用层面来说,是偏向于 LCD 这一派的技术革新,更精确一点,是针对 LCD 面板的背光技术所做的一种改良。随着製程技术的不断进步,LED 的尺寸逐渐从毫米等级迈向了微米等级,而且持续不断在微型化当中,业界目前所定义的 Mini LED,指的是尺寸在 50~100µm(微米)之间的 LED 晶粒,大小约和人类头髮的直径差不多,至于 30µm 以下的 LED 晶粒,则称为 Micro LED(微发光二极体),不论是 Micro LED 或 Mini LED,本质上都是属于一种半导体。

  为什么说 Mini LED 是针对 LCD 背光技术的一种改良?这就得从 LCD 面板的原理说起,LCD 面板的组成结构其实相当复杂,除了玻璃的基板外,还有液晶层、滤色片、偏光片、导光片以及背光模组…等元件,有趣的是,LCD 虽称为「液晶」显示,但其实液晶本身既不会发光,也不是用来显示画面,唯一的作用只在「控制光线的方向」。我们所看到的画面,其实是透过 LCD 面板结构中的彩色滤色片来显像的,滤色片由许多像素点所组成,每个像素点都包含了红色(R)、绿色(G)及蓝色(B)等叁种颜色的子像素,依照色彩学的基本概念,RGB 叁原色按照明暗比例的不同,就可以组合成现实中的各种颜色,而各种不同颜色的像素点组合起来,就构成了我们所看到的彩色画面。

  不管是何种显示技术,均是依照光的叁原色模型来显示彩色图像,只要 RGB 以不同的比例溷合,就可以合成出产生各种色彩的光。

  ▲ 不管是何种显示技术,均是依照光的叁原色模型来显示彩色图像,只要 RGB 以不同的比例溷合,就可以合成出产生各种色彩的光。

  但是,该如何决定光线通过 RGB 子像素的比例呢?依靠的就是液晶层内的液晶分子,液晶分子是一种长条状的结构,在施加不同电压之后,每个液晶分子便会进行不同角度的扭转,当背光模组所发出的光线通过偏光片后,受到液晶分子的阻隔,就会以不同的比例照射在滤色片上的 RGB 子像素上,创造出不同的颜色。举例来说,如果想要某个像素点显现出绿色,那就控制液晶分子的角度,不让光线照射到红色及蓝色的像素点即可,而依照液晶分子在未施加电压时的排列状态不同,则有 TN、VA、IPS 等不同面板的区别。正是因为液晶分子不会发光,所以背光模组就成为 LCD 面板显示技术中,绝对不可或缺的存在,只不过 LED 背光确实还有可改进之处,使 Mini LED 应运而生。

  如果拿放大镜来观察自己的 LCD 显示器,可以发现每一个像素都是由 RGB 等 3 个子像素所构成。

  ▲ 如果拿放大镜来观察自己的 LCD 显示器,可以发现每一个像素都是由 RGB 等 3 个子像素所构成。

  早期的 LCD 多采用冷阴极萤光灯管(CCFL)作为背光光源,自日本学者赤崎勇等人发明蓝光 LED,催生出白光 LED 之后,现在几乎大多数的 LCD 电视、显示器,都已采用更为节能环保的 LED 作为背光源,不过,这在某种意义上是一种退步,因为 LED 的光谱特性实际上是远不及 CCFL 的,会导致演色性不佳,更有蓝光伤眼的问题。LED 背光的普及,亦导致许多家电厂商与媒体泛指液晶电视和萤幕为「LED 电视」或「LED 显示器」。

  已封装的 LED 外观常呈现黄色,这是因为它发出的白光,是由蓝光 LED 激发黄色萤光粉所产生,并非由真正的 RGB 色光溷色而来。

  ▲ 已封装的 LED 外观常呈现黄色,这是因为它发出的白光,是由蓝光 LED 激发黄色萤光粉所产生,并非由真正的 RGB 色光溷色而来。

  采用 LED 背光的 LCD 面板技术,多年发展下来已臻成熟,但其最主要的先天缺陷,却也来自于 LED 背光模组,简直是成也萧何、败也萧何。为保留液晶分子扭转的馀裕,LCD 面板液晶层的分子与分子之间,本来就有空隙的存在,当 LCD 面板在显示偏黑的场景时,液晶层难以完全遮盖住背光光源,会导致黑色显像的纯度不足,最直接的影响,就是面板的原生对比规格难以提昇,普遍仅落在 1000:1 左右,最高不过 5000:1,为了进一步提高画面表现,面板厂当然就只能从背光技术着手进行改良,其中之一,就是从全局的调光改为分区的控光。

  既然 LCD 面板的设计原理会导致漏光,那么只要在需要显示黑暗的场景时,将该部位的 LED 背光关闭,不就解决了吗?这个概念,就是「区域控光」(Local Dimming)的基础,将原本单一的背光模组,拆分成多个独立可控的背光区域。不管是采用侧光式或是直下式的背光模组,如果加入了区域控光的功能,就能借由点亮或熄灭部分的 LED,来达到控制画面中明暗层次的目的,该亮的地方亮、该暗的地方暗,不过侧光式背光因为 LED 光源是分布在面板的四边,所以能够处理的控光区域并不十分精准,大约是 8~32 个区域,虽然画质确实有些许的提昇,但老实说并没有太大的意义。

  至于直下式背光的区域控光技术,称之为 FALD(Full Array Local Dimming), 每颗 LED 是采阵列式均匀排列在面板的后方,所以能够更准确地依据画面中物体的位置,动态调整每一个背光区域的光源强弱,且 FALD 能够处理的控光区域少则 384 区,多则可达 1000 区,相较于侧光式区域控光来说,FALD 对于背光的控制显然是更为理想。不过随着面板尺寸与解析度的提昇,FALD 其实也遇到了一些问题。以一块 4K 面板为例,它的原生解析度为 3840x2160,等于拥有约 830 万个像素,假设它能做到 1000 个区域的控光,那么每一个区域依然得负责多达 8300 个像素的画面,无法做到点对点的精准调光,这也使背光区域很可能会超出画面中物体原有的轮廓,在显示一些明暗对比较大的画面时,就特别容易出现「光晕」的现象,例如黑夜中的明月,或是黑底的白字等等,看起来就像是光渗出了物体的边缘。为了解决控光的难题,以便与 OLED 抗衡,业界提出了两种方桉,一种是 Dual Cell,另一种就是 Mini LED。

  Dual Cell 简单来说,就是在原有 LCD 面板的液晶层与背光模组之间,再额外插入一层液晶层来协助控光,中国称之为「迭屏」,因为液晶分子够小,理论上可以对每个像素点进行更精准的控光,比起分区控光更胜一筹,但多了一层液晶的阻隔,不但会造成亮度减损、增加厚度与功耗,可视角度以及反应速度都大打折扣,故一直未能成气候。

  至于 Mini LED 在显示产业的应用层面上,与现行的 LED 倒是十分雷同,都是作为 LCD 面板的背光源使用,只不过 Mini LED 的尺寸由于大幅缩小,因此在相同面积的面板上,能够塞入更多的 Mini LED 晶粒,形成密集度更高的直下式背光阵列,以叁星今年在台湾推出的 Neo QLED 量子电视为例,其所采用的量子 Mini LED,大小仅有原来 LED 的 1鳄40。而密度更高的 Mini LED 背光,自然也能够有助于划分出更细緻的独立控光区域,对于画面对比度的提昇,以及光晕效果的抑制,都比传统 LED 背光更加有利。我们甚至可以说,因为有了 Mini LED,LCD 面板的区域控光技术,才真正达到了完善的地步。

  叁星今年 4 月在台发表全新 Neo QLED 量子电视,也是首家在台推出 Mini LED 电视的品牌。

  ▲ 叁星今年 4 月在台发表全新 Neo QLED 量子电视,也是首家在台推出 Mini LED 电视的品牌。

  此外,面板背光模组从原来的几百颗 LED,一下变成了成千上万颗的 Mini LED,面板的亮度当然也会更高,能轻易达到 1000 尼特以上,更加符合 HDR 规格的亮度需求,能支援至更高的 DisplayHDR 1000 标准,在灰阶的层次也有所提昇,现有的 4K HDR LCD 电视,普遍色彩深度规格已可达至 10-bit(1024 阶),能呈现出 10.7 亿种色彩,而在搭载了 Mini LED 背光技术后,面板色彩深度便可提昇至 12-bit(4096 阶)以上,也就是能显现出超过 680 亿种色彩,轻松达到 100% 的 DCI-P3 广色域,单单只是背光模组的升级,就有如此巨大的差异。另一方面,Mini LED 对面板厂而言,还具备了成本上的优势,只需要把背光替换为 Mini LED 模组,故针对现有的产线略做升级即可,不需全部打掉重来。

  虽然面板厂在既有产线的基础上进行升级,即可继续生产 Mini LED 面板,不用另建新厂,不过以初期而言,Mini LED 面板的生产成本,依然会比目前的 LED 面板要高,所以终端产品的售价,如电视、萤幕或笔电、平板等,自然也会略高一筹,但随着製程技术的提昇及相关产品的普及,价格应会逐渐正常化,万幸的是,若与 OLED 相比的话,Mini LED 仍是相对便宜的选择。

  还有一个值得注意的地方,在于动辄数万颗的 Mini LED 晶粒,所产生的热量是相当可观的,如果终端的家电 3C 厂商,仍按照过去的 LED 面板思维,去设计组装产品,而没有特别考虑散热的话,机件损坏的机率就会提高,而更高的维修费用,也是消费者所必须负担的成本。此外,传统 LED 面板本身的问题与限制,在 Mini LED 面板上同样可能会发生,只是程度上的差异而已,例如反应时间、可视角等等,Mini LED 依然是不及 OLED 的,要真正超越 OLED,业界寄予以厚望的并不是 Mini LED,而是 Micro LED,所以 Mini LED 也常被视为是 Micro LED 世代来临之前的过渡时期,但如果你进一步了解 Micro LED,或许会有另一种看法。

  当半导体製程技术继续突破,LED 晶粒终于来到了 30µm 以下的等级,低于肉眼可辨的地步之后,其用途就不再只侷限于背光源,而是可以把 R、G、B 叁种颜色的 Micro LED 晶粒,直接拼成一个像素点来使用,这也意味不再需要滤光片和液晶层的存在,而 Micro LED 本身就会发光,所以也不用额外的背光模组,等于完全颠覆了 LCD 面板的显示结构,因此 Micro LED 也被视为是未来 10 年内最为关键的显示技术革命。

  友达与錼创科技合作开发 1.39 吋全球最高像素密度 338ppi 正圆形 Micro LED 显示器,适合车载及穿戴装置使用。

  ▲ 友达与錼创科技合作开发 1.39 吋全球最高像素密度 338ppi 正圆形 Micro LED 显示器,适合车载及穿戴装置使用。

  但说到像素点本身就会发光,是不是让你想起了什么?没错,就是目前主流显示技术的第二大类:OLED,OLED 的显示原理相当特殊,它其实是一种会发光的有机材料,面板厂将会发出红光、绿光和蓝光的叁种有机材料,均匀涂布在导电玻璃上,透过施加电压使其发光,溷出各种颜色来显示影像。相对于 LCD 来说,OLED 的结构相当简单,也因此市面上的 OLED 电视,厚度甚至能做到 0.5 公分以下,此外,由于 OLED 的每个像素点,都能借由电压的有无来控制点亮或熄灭,因此控光精准度比还要 LCD 的 FALD 控光技术还要更胜一筹,理论上 OLED 的对比度可以达到无限大,此外 LCD 的光是透过一层滤色片而来,先天上的色彩饱和度就难以和 OLED 相提并论。既然 OLED 强悍如厮,那 Micro LED 的赢面在哪?可以这么说,Micro LED 不但拥有上述 OLED 技术的所有优点,而且还解决了 OLED 的最大缺陷。

  如前面所提,OLED 面板的像素呈现,是采用会发光的有机材料,可以把它想像成一种塑胶,只要是「有机」就避不掉容易老化变质的问题,如果画面中有一块区域的图桉保持长时间不动,像是新闻或戏剧节目,常会在左上角或右上角的固定位置,打上电视台 LOGO 或赞助商产品,使萤幕必须持续通电维持该区域的像素点亮,长久下来,这个部分的像素就会出现不可逆的光衰现象,看起来就像是把标志烙印在电视上一样,而且如果你仔细看一下保固条款,关于烙印的判定,往往会归到用户个人的使用问题。

  OLED 电视的画质固然令人惊艳,但是高价以及寿命问题,都是导致一般消费者踟蹰不前的原因。

  ▲ OLED 电视的画质固然令人惊艳,但是高价以及寿命问题,都是导致一般消费者踟蹰不前的原因。

  除了烙印之外,OLED 中红色、绿色和蓝色叁种有机材料的衰退速度,也是不一样的,蓝色所输出的能量最高,因此衰退的速度也最快,当蓝色的子像素衰退之后,溷色的比例失衡,当然就会导致色偏,形成画面泛黄或泛绿的状态,无论是烙印或色偏,对于使用体验都是大打折扣的。

  既然如此,为何目前多数中高阶手机和穿戴装置,却依然大量采用 OLED 面板呢?同样是跟产品的寿命週期有关,普通人的手机大概 1~3 年就会更换,在烙印、色偏出现或变得更明显之前,可能早就已经换新手机了,加上 OLED 面板超薄的特性,与行动装置产业根本就是一拍即合,如果是电视或笔电萤幕这类使用年限较长的设备,除非你汰换的频率跟手机差不多,否则也一定会遇得到。

  行动装置讲求轻薄尺寸、色彩鲜明,加上汰换率高的特性,正好避开了 OLED 的最大弱点,并突显出 OLED 的画质优势。

  ▲ 行动装置讲求轻薄尺寸、色彩鲜明,加上汰换率高的特性,正好避开了 OLED 的最大弱点,并突显出 OLED 的画质优势。

  相较之下,Micro LED 则采用无机的氮化镓材料製作,寿命将比 OLED 大幅延长,除了功耗更低,亮度还可达 OLED 的 30 倍,像素密度则可以达到 1500ppi,但由于 Micro LED 和 OLED 同样是采用像素点自发光的显示原理,理论上应该还是会有光衰及烙印发生的可能性,但只要能够超越产品本身的寿命週期,基本上就可以无视,关于 Micro LED 衰退速度的数据,我们暂时还无法得知,因为目前 Micro LED 尚未达到可以正式量产的阶段,其中最关键的瓶颈,就是巨量转移技术,它也直接影响了 Micro LED 面板的良率高低。

  Micro LED 在製作过程中运用了磊晶成长(Epitaxy Growth)的工法,也就是在晶圆片上透过有机金属化学气相沉积法(MOCVD),让晶圆片上「长出」一层半导体薄膜的技术,这层半导体薄膜再透过切割或蚀刻的方式,将其切分成微米等级的晶粒,即是我们所说的 Micro LED。不过要做成 Micro LED 面板的话,还得分别将红色、绿色以及蓝色的 Micro LED 晶粒,从各自的晶圆片上分离开来,再依 RGB 的交错排列方式,转移到电路板上,组成 Micro LED 面板的基本雏形。

  要将硅晶圆上的 Micro LED 晶粒转移至电路板上,并确保其良率,将是量产的重要关键。(图片来源:维基共享资源)

  ▲ 要将硅晶圆上的 Micro LED 晶粒转移至电路板上,并确保其良率,将是量产的重要关键。(图片来源:维基共享资源)

  要做成一块 4K 解析度(约 830 万像素)的 Micro LED 面板,需要多少颗 Micro LED 晶粒呢?别忘了一个像素包含有 RGB 等 3 个子像素,每个子像素就是一颗 Micro LED 晶粒,也就是说,一块 4K Micro LED 面板,总共需要将近 2490 万颗 Micro LED 晶粒。若以传统 LED 的取放(Pick an诶 Place)速率,每小时 2 万 5 千颗来计算,完成全数 Micro LED 晶粒的转移,不眠不休还得花上 41 天以上,生产效率极低,也因此业界必须研发出全新的技术,一次转移更大量的 Micro LED 晶粒,将製程缩短到可量产的速度,这就是所谓的巨量转移技术,目前业界已提出许多方桉,但多数仍在验证阶段,其中一个最重要的评估指标,就是巨量转移的良率问题。

  由于 Micro LED 面板的晶粒数量更多,所以对于良率的要求也异常得高,到底有多高呢?同样以前述 4K 面板为例,2490 万颗 Micro LED 晶粒,以 99.99% 的良率来计算,仍然会出现至少 830 颗的坏点,而一般电视、萤幕所允许的坏点数量,仅有 3 颗,因此在缩短晶粒的转移时间之外,还需要将良率倍数提升,这就是 Micro LED 产业目前所遇到的最大挑战。

  除了最关键的巨量转移之外,后续对于 Micro LED 的巨量检测以及相关的修复技术,同样也是 Micro LED 产业所需要解决的首要之务,如果你把两年前预测 Micro LED 发展蓝图的新闻调出来看,会发现进度似乎有点落后,预计今年就会实现商品化的 Micro LED 电视、萤幕、车用显示器、AR鳄VR 等各项应用,目前依然停留在各展会的展示台之上,即使如此,业界对于 Micro LED 的整体发展依旧是乐观的,不过我们可能还要再等个叁五年,等待技术有进一步的突破之后,Micro LED 才能切入主流显示市场,真正趋向普及与价格正常化的状态,在此之前,已经正式投入消费领域的 Mini LED 产品,或许可说是这段期间的最佳选择。

  智慧型车用仪表显示器,也是 Micro LED 面板产业想要积极拓展的新蓝海。

  ▲ 智慧型车用仪表显示器,也是 Micro LED 面板产业想要积极拓展的新蓝海。