材料深一度|芯"基建-28:Micro-LED,未来显示“终极”之探

发表时间:2021-09-16 08:31
一、Micro-LED显示
显示屏幕已然成为现代社会大多数人每天接触最多的最亲密的“朋友”。
从最开始的CRT到已臻淘汰的等离子体显示,到当下主流液晶(LCD)显示,和有机发光二极管显示(OLED),显示技术始终朝着更高清晰对比度,更低功耗,更高亮度,更高可靠性以及可穿戴,大尺寸,柔性透明,智能交互等方向发展。
Micro-LED显示,其实就是我们常见户外LED显示屏的微缩化,每个像素尺寸到了50微米以下,具有高对比度、低功耗、高响应频率等优势,在智慧浸入式显示和AR/VR/MR等领域有巨大应用潜力。
Micro-LED不是简单的尺寸缩小,材料外延、芯片结构、制造工艺、驱动技术都同LED完全不同充满挑战。比如,对于上述三星索尼的Micro-LED电视,更多被认为其实是Mini-LED电视,而没有达到Micro-LED的范畴。


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图1 三星在CES 2021 展示的Micro-LED电视,尺寸为110英寸,4K分辨率,含2400万个单独控制的LED发光单元,其像素间距大约为500微米,价格约为15万美元。


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图2 索尼于2019年向富豪消费者推出的最大790 英寸Crystal LED 巨幕显示系统,16K的分辨率,由一系列 Micro-LED面板拼接到一起,单面板规格为16×18 英寸,分辨率320×360,像素间距大约为1.2毫米。



Micro-LED是集成电路、显示和分立半导体器件行业的交叉,被认为是最有潜力的显示技术,被称为“次世代显示技术”,“下一代显示技术”,“新型显示技术”,甚至是“终极显示技术”。

但是Micro-LED显示,真能Hold住“终极显示”的盛名和美誉吗?



二、终极显示浅探
  • 柔性显示

2019年三星和华为相继推出Galaxy Fold和Mate X可折叠手机,引爆消费电子热点。但目前的可折叠屏,柔性程度还比较低。
柔性显示将从折叠屏(包括小尺寸智能手机和大尺寸电脑显示器设备),发展到卷曲屏,弹性形变式可拉伸屏,最后是任意可折叠弯曲屏,能够附着在任何不规则的、甚至是随时随地变化的物体表面,实现“凡表面皆屏幕”。
目前柔性显示主要还是基于AMOLED。AMOLED一直以来被推崇的最大优势在于其柔性可折叠,虽然目前AMOLED的可柔性并没有完全发挥。
Micro-LED柔性显示
美国西北大学John Rogers教授:在Science杂志上报道柔性Micro-LED,其技术路线和当前的Transfer Printing制作Micro-LED技术路线并没有大的区别,只不过前者将Micro-LED转移至柔性基板。
深圳柔宇科技:在2021 Display Week上,首次发布Micro-LED弹力柔性屏(Micro-LED based stretchable display),具有130%的弹性拉伸度和120的像素密度(PPI)。
台湾Playnitrides:基于PCB板89英寸可弯曲Micro-LED显示屏,由168个模块拼接组成,弯曲半径为2500mm,像素间距为0.43mm,分辨率为5040*1440 59(PPI),尺寸为32:9,亮度超2000nits。



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图3 台湾Playnitrides:89英寸可弯曲Micro-LED显示屏。



友达光电:推出基于LTPS塑胶基板驱动上的-9.4英寸柔性Micro LED面板,具有228 ppi 像素密度。
南方科技大学孙小卫教授、刘召军教授也展示了其研究的柔性透明双面显示的三基色Micro-LED Display。广东半导体产业技术研究院的龚政教授团队等也在柔性Micro-LED转移技术等方面进展较快。
相比柔性OLED技术的大开口率、面板设计和繁琐的屏幕封装技术,柔性Micro-LED,无需对每个发光点单独封装,制程工艺应该更为简单,线路排布更加丰富,伸缩性和弹力更易实现。弹力柔性屏的线路排布其实也可以从John Rogers教授和黄永刚教授报道的很多基于Origami力学和可拉伸力学模型中得到启发。


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图4 深圳柔宇科技:Micro-LED弹力柔性屏,具有130%的弹性拉伸度和120的像素密度(PPI)。


  • 透明显示

透明显示,即把显示屏变成跟玻璃一样的透明,既可以显示各种视频,又能透过屏幕看到屏后的事物。
AMOLED也是目前透明显示的首选,如三星在2016 年展示的全透明 OLED屏。简单的想,只要选用透光率较高的基材,以及将上下盖板、正负极都换成玻璃,就能轻松实现透明显示。但是让这数百万个微小的像素变得足够透明,并非那么容易。

透明像素点概念被引入:在原有的像素基础上,新增“透明子像素”。这种像素并不会发光,也不会参与到图像显示,但它自身却是由高透明材料制成的。最终,当无数个这样的像素点均匀地分布在面板上时,屏幕也自然会获得一定的透明效果,而同时又能兼顾彩色图像的显示。


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        图5 三星:2016 年展示的全透明OLED 屏。


Micro-LED透明显示,则是把Micro-LED转移至透明衬底和背板上,同前述柔性及常规Micro-LED技术路线并无本质区别。台湾Playnitrides和加拿大VueReal都Micro-LED透明显示方面报道。


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图6 台湾Playnitrides:基于TFT技术的7.56英寸透明Micro LED显示器,透明度超60%,PPI 114(720*480)。


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图7 加拿大VueReal:基于玻璃基板透明Micro LED显示屏,透明度达85%,尺寸约3-4英寸,亮度超3000nits,具体分辨率未知。

  • 3D显示

3D 显示大家都很熟悉了,在电影院里和家庭影院里很多体验。3D 显示当然可以基于液晶显示和OLED显示。裸眼3D还不成熟,目前主要是基于偏振式立体眼镜。
Micro-LED 3D显示
Micro-LED 3D显示同时具有3D显示的特征和Micro-LED显示的优势。然而,目前报道各种3D Micro-LED显示尚处初步概念阶段,并无实际样品。

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图8 2009 年3D电影阿凡达上映。



LUMENS公司在专利中提出将两种不同相位延迟特性的偏振膜附在Micro-LED阵列上表面,实现偏振光两视点3D显示。华星光电公司提出利用双层光栅结构,分别将Micro-LED出光转成线偏振光和圆偏振光,实现圆偏振光3D显示。华星光电公司设计配置微透镜封装阵列层来区分左右视点来实现裸眼3D Micro-LED显示。
上述方案需要借助微透镜、光栅等光学组件和二次光学设计来实现双目视差,还是存在系统设计复杂、体积厚重、光损较大等问题。

我们课题组在3D显示Micro-LED像素器件上做了些许工作:结合谐振腔和Metasurface设计指向发光单芯片GaN基Micro-LED,及圆偏振和线偏振GaN基Micro-LED,有潜力用于裸眼和偏振式Micro-LED 3D显示(Optics Letters 46 (11), 2666-2669, 2021; Optics Letters, https://doi.org/10.1364/OL.430021)。简而言之,就是通过结构设计使得Micro-LED发光方向可控,和圆偏振线偏振出光,而原来Micro-LED是呈朗伯分布,且是无偏振的。上述指向发光和圆偏振Micro-LED以谐振腔Micro-LED为基础。


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图9   我们课题组在3D显示用Micro-LED像素器件上做了些工作:谐振腔Micro-LED,指向发光Micro-LED和线偏振圆偏振Micro-LED。

  • 无屏显示

而液晶显示和OLED技术等都是“有屏”显示,而前述柔性和透明显示其实是显示屏的特征。随着激光投影、激光电视的兴起,“无屏”显示慢慢进入大众视野。但是投影还是需要幕布的配合才可以成像,即便是白墙显示也仍旧是脱离不了平面的限制。
全息显示实现真正无屏。随着目前全息技术还需要全息膜这样的成像辅助设备,但是随着技术的进步,利用空气成像也并非是毫无可能的。全息投影也被很多人视为终极显示技术。  
Micro-LED 无屏显示?似乎同Micro-LED技术本身的定义自相矛盾。
视网膜无屏显示?也许通过Micro-LED直接将影像投射到使用者的视网膜上?


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图10 在邓丽君逝世22周年时,日本节目利用全息投影技术,令一代歌后“复活”。节目嘉宾被逼真的投影惊呆,瞬间泪奔。



  • VR/AR/MR/ XR,智慧可交互显示

Micro-LED的很多优异性能,比如快的纳秒级的响应速度,使其VR和AR头显的完美选择。相比较,液晶和OLED的响应时间在毫秒和微秒级别。这对于高刷新率需求的AR等来说比较重要。苹果,Facebook等大佬都在马不停蹄的研发,即将推出产品。
可交互显示,则旨在实现更多的交互互动功能。比如,远程视频的拥抱握手亲吻感觉,和现场拥抱握手亲吻的感觉并无二致。这也许在疫情特别时候,或者远程恋爱,商务谈判等场景都有用武之地。
智慧显示,对于科研
Micro-LED智慧可交互显示?

三、显示无终极
“我是谁?我从哪里来?要到哪里去?”被称为哲学上的三个终极之问。
针对显示,也可以尝试类似终极之问,畅想下显示可以到哪里去:
从光线所呈现的物体信息来说,显示可以用7D全光函数Plenoptic Function L=(x, y, λ, t,θ, Φ)来描述:传统显示屏只能呈现(x, y, λ, t)四个维度的信息,3D显示则加入了(θ, Φ)信息。但目前的3D 显示只是呈现双目视差,VR等继续呈现了移动视差,而全息显示则进一步呈现聚焦模糊等生理和心理显示感知。
从屏幕形态来说,有目前的传统显示屏,也在发展透明显示和柔性显示等,也有无屏的激光电视和也号称“终极显示”的全息投影。
从智慧交互来说,显示不再被动,可以和呈现对象的姿势和动作命令进行交互,远程交互性显示也正在兴起。作为软硬一体的智慧显示生态核心,显示的另一个名词则是未来人机交互的视觉入口和界面。
从感官体验来说,基于视觉的显示可以和其他感官复合,包括听觉、触觉、嗅觉和味觉等,创造全感官体验,这也是AR/VR/MR/XR的题中之义。
从功能复用来说,显示屏可以不仅仅用于显示,还可以通过设计实现多通道通信功能(每个像素器件可以是个通信信道),甚至如美国智能照明工程技术研究中心主任、伦斯勒理工学院教授Robert F. KARLICEK畅想那样用于照明,即显示照明。
从个性显示来说,不同的观看者所看到的显示内容将可以高度定制,可以让目标观众看到让其看到的,而让非目标观众看到另外让其看到的。不管角度位置等如何变化,个性显示一直保证目标观众和非目标观众看到让其各自看到的,杜绝非目标观众看到目标观众看到的(绕口令下)。
………
数字化智能化时代,如果说通信的终极是 “空天海地”一体化人物全方位无缝全覆盖,那么显示的终极可以是,海量数据满足任意要求的无限制的“完全自由”呈现?regardless of 屏幕形态,尺寸,有无……
显示技术的技术革新和突破将反过来促进各行业的进步,想想微软视窗操作系统 Windows对PC行业的巨大影响吧。
未来显示应该会是各显示技术多场景多层次的共生共存,而Micro-LED可以是其中重要的一份子。Micro-LED发展的路还很长,也还有很多困难需克服,潜力待挖掘。
未来即来,终极甚至可能远在我们想象的未来之外。
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