三大顯示器發展現狀和未來趨勢分析

2020年07月30日 09:44 來源：江蘇激光產業創新字體【大中小】

【數字視聽網訊】顯示技術已經在我們的日常生活中無處不在;其廣泛應用涵蓋智能手機、平板電腦、桌面顯示器、電視、數據投影儀和增強現實/虛擬現實設備。當前，液晶顯示器(LCD)和有機發光二極管(OLED)顯示器是兩種主要的平板顯示技術。最近出現了mini-LEDs (mLEDs) and micro-LEDs (μLEDs)，可顯著提高LCD的動態范圍或用作陽光下可讀的發光顯示器。然而，傳質收率和缺陷修復等挑戰依然存在，這無疑會影響成本。“液晶顯示器(LCD)、有機發光二極管(OLED)還是micro-LEDs(μLED)誰贏了?”已經成為激烈爭論的話題。

液晶顯示器(LCD)于1960年代末和1970年代初發明。自2000年代以來，LCD逐漸取代了笨重的陰極射線管(CRT)，并已成為主導技術。然而，液晶顯示器是非透射的，需要背光單元(BLU)，這不僅增加了面板厚度，而且限制了其靈活性和形狀因素。同時，經過30年設備開發以及對先進制造技術的巨額投資，有機發光二極管(OLED)顯示器發展迅速，使可折疊智能手機和可卷曲電視成為可能。在過去的幾年中，發光OLED顯示器獲得了發展動力，并且由于其出眾的空前暗態，薄外形和自由形狀，在電視和智能手機中與LCD展開了激烈競爭。但是，某些關鍵問題，例如老化和壽命，仍需要改進。最近，micro-LEDs(μLED)和mini-LEDs (mLED)已經成為下一代顯示器。micro-LEDs(μLED)對于透明顯示器和高亮度顯示器特別有吸引力，而mini-LEDs (mLED)既可以用作高動態范圍(HDR)LCD的局部可調光背光，也可以用作發光顯示器。mLED和μLED均提供超高亮度和長壽命。這些功能對于諸如智能手機，公共信息顯示器和車輛顯示器之類的日光可讀顯示器是非常需要的。

為了比較不同的顯示器，以下是重要的性能指標：(1)HDR和高環境對比度，(2)虛擬現實的高分辨率或高分辨率密度，以最小化屏幕門效應，(3)寬色域(4)寬視角和不明顯的角色偏(5)抑制圖像模糊的快速運動圖像響應時間(MPRT)(6)低功耗，這對于電池供電的移動顯示器尤為重要，(7)薄型、自由形式和輕質系統，以及(8)低成本。

圖1. a. RGB芯片mLED /μLED/ OLED發光顯示器。b. 顏色轉換mLED /μLED/ OLED發光顯示器。c. miniLED-背光LCD。CF：濾色片;CC：色彩轉換;TFT：薄膜晶體管;DBEF：雙增亮膜;BEF：增亮膜;BLU：背光單元。

圖1展示了三種常用的設備配置：紅，綠，藍(RGB)芯片發光顯示器26，27(圖1a)，顏色轉換(CC)發光顯示器25(圖1b)和mLED-背光LCD( 圖1c)。在發光顯示器(圖1a，b)中，mLED /μLED/ OLED芯片用作子像素。在不發光的LCD中(圖1c)，mLED背光燈被分成一個區域結構。每個區域包含幾個mLED芯片以控制面板亮度，并且每個區域都可以有選擇地打開和關閉。液晶面板由M和N像素組成，每個RGB子像素由薄膜晶體(TFT)管獨立尋址，調節背光的亮度透射率。這三種類型的全色圖像生成方式不同。

功耗

mLED /μLED/ OLED顯示器的功耗主要取決于驅動電路設計、LED量子效率和光學系統效率。有幾種方法可以提高mLED /μLED/ OLED顯示器的功率效率。對于較低的Pwire，我們可以將面板分割成更多的單元并采用低電阻率導線材料。

1. PTFT管驅動晶體管的減少

PTFT可以通過優化TD參數。更高Cox更高WT/LT幫助降低VDS_min和PTFT管。其中，

WT和LT是電路設計參數，但應在合理的范圍內進行調整。μT和Cox是薄膜晶體管工藝參數。薄膜晶體管柵極處的氧化層被設計得足夠薄，以達到高Cox和良好的絕緣性。高的μT可以從互補金屬氧化物半導體晶體管獲得。因此，業界領袖開始用互補金屬氧化物半導體驅動集成電路取代薄膜晶體管。然而，粉末冶金顯示器的分辨率和尺寸是有限的。因此，為了獲得高分辨率和大尺寸的顯示器，需要平鋪多個永磁塊。平鋪設計的主要挑戰是接縫的可見性和均勻性，這分別需要小發射孔徑和制造后校準。在AM(amplitude modulation)方案中，每個像素有一個單元電路，通常需要補償設計。該方案對空間要求很高，對高ppi顯示器尤其不友好。高度集成的集成電路緩解了這一問題，并提供了更精確的電流控制。此外，該技術能夠實現小型化的脈寬調制驅動電路。2015年，Lumiode報道了一種將硅薄膜晶體管集成到AM μLED微顯示器上的無轉移方法。2017年，X-Celeprint通過微轉移印刷展示了具有像素化微尺度IC的AMμLED顯示器。2018年，JDC在硅底板上推出了2000ppi的μLED。在2019年，LETI建議以晶圓級制造基本像素單元并將其轉移到接收基板上。集成電路驅動器的主要缺點是它們的成本比薄膜晶體管高。隨著采用集成電路數量的增加，面板成本也隨之增加。因此，在低分辨率彩色顯示器中使用集成電路比在高分辨率發射顯示器中使用更具成本效益。

2. 通過高EQEchip/VF操作降低PLED

從Eq中，研究人員發現ηLED與EQEchip/VF成正比，表明較高的EQEchip/VF操作偏好。

對比度和ACR

發射顯示器的CR(Contrast ratio)本質上很高。在非輻射型LCD中，其CR(Contrast ratio)受到去極化效應的限制，主要受所用LC材料，表面取向和CFs的影響。在實際應用中，除了顯示的內容之外，還可以感知反射的環境光(來自外表面或來自內部電極)。

響應時間和MPRT

mLED /μLED/ OLED芯片的響應時間比LC快幾個數量級。

但是不能斷定mLED /μLED/ OLED發光顯示器比LCD提供更流暢的視覺體驗。

HDR

HDR是指旨在忠實再現自然場景的顯示標準。當前，多種HDR格式共存，例如基本HDR10，出色的杜比視覺，廣播友好的Hybrid Log Gamma(HLG)和正在崛起的Advanced HDR。HDR顯示器可能支持一種或多種HDR格式，但硬件規格比所采用的格式對最終性能更為重要。

未來應用場景

1、可穿戴顯示器

可穿戴電子產品，如虛擬現實/增強現實耳機和智能腕帶，被認為是下一代信息平臺。可穿戴顯示器的常見要求是低功耗、輕重量和高分辨率密度。具體來說，虛擬現實/增強現實近眼顯示器需要一個快速MPRT來減少運動圖像模糊，而智能腕帶更喜歡靈活性。

2、車輛顯示器

用于汽車和航天器的典型車輛顯示器包括中央儀表板和平視顯示器(HUD)單元。對于這些應用，可靠性和陽光可讀性對于駕駛員安全至關重要。較寬的工作溫度是車輛顯示器的另一項要求。無機LED具有最寬的溫度范圍。OLED顯示器在寒冷的環境中工作良好，如果加熱會很快老化。液晶顯示器在寒冷天氣下反應緩慢，上限取決于清潔溫度(Tc)。