Micro-LED顯示光學(xué)性能研究*

0   引言

目前LCD液晶面板顯示在市場上仍然占據(jù)主導(dǎo)位置，但是液晶面板的技術(shù)工藝已達(dá)技術(shù)瓶頸，加上其動式發(fā)光形式的限制，導(dǎo)致LCD行業(yè)很難再有質(zhì)的突破。

目前三星、LG已經(jīng)宣布退出LCD傳統(tǒng)顯現(xiàn)領(lǐng)域，轉(zhuǎn)攻新型顯示。OLED雖然具有許多傳統(tǒng)LCD無可比擬的優(yōu)點，但仍存在一些缺陷，例如：良品率較低、成本太高、8K分辨率無法量產(chǎn)、使用壽命較短、“燒屏”、功耗大等。因此，雖然從出現(xiàn)至今一直備受廣大用戶和廠商推崇，但是OLED在目前仍然難以取代LCD達(dá)到普及。

同時，隨著第三代顯示的需求推動和技術(shù)發(fā)展，Micro-LED由于其優(yōu)異的電流飽和密度^[1]、更高的量子效率以及高可靠性，已經(jīng)成為目前技術(shù)的熱點，在顯示、VLC（可見光）^[2-3]等方面被廣泛研究。由于Micro-LED的技術(shù)門檻高，Mini-LED顯示產(chǎn)品應(yīng)時而生，結(jié)合現(xiàn)有的8K及QD（量子點）技術(shù)，有破壁OLED的趨勢。

如今隨著市場需求驅(qū)動以及技術(shù)迭代，顯示技術(shù)已經(jīng)由內(nèi)容為王的二代技術(shù)逐漸過渡到突出硬件畫質(zhì)的第三代技術(shù)。行業(yè)內(nèi)眾多廠家如三星、蘋果、友達(dá)等已加大對第三代顯示技術(shù)的研發(fā)和投入。本文研究Micro-LED顯示從LED光源到出光顯示面板的光學(xué)變化模型，同時對比Micro-LED從LED光源到出光顯示面板的亮度、色坐標(biāo)、色溫等光學(xué)方面的光學(xué)性能變化。

*：廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃資助，項目編號：2019B010135001

作者簡介：楊梅慧，女，碩士，高級工程師，研究方向：LED電視技術(shù)。

1   實驗

本文將采用P0.6的Micro-LED顯示箱體模組為研究對象，樣品采用100 μm尺寸的RGB三色LED芯片方案，燈板采用COB封裝形式。測試儀器：CS2000、HASS2000、示波器、紅外測溫儀、工作站。

Micro-LED從光源到顯示面板光學(xué)路徑為LED芯片--加表面處理涂層燈板。成品顯示屏為燈板模塊拼接。實驗分別測試裸晶燈板和涂表面處理層燈板數(shù)據(jù)。

分別測試RGB單芯片、裸晶燈板、3種規(guī)格厚度封膠燈板樣品，測試其光譜、亮度、色坐標(biāo)、主觀視效等信息。LED芯片發(fā)射光譜數(shù)據(jù)如圖1。

圖1 RGB芯片發(fā)光光譜

同時測試Micro-LED單點芯片光源光學(xué)參數(shù)，以及組成Micro-LED面板顯示后的光學(xué)參數(shù)，研究LED光源到Micro-LED面板顯示的光學(xué)參數(shù)變化。

實驗的理論模型如下。本文光學(xué)模型亮度計算依據(jù)為光度學(xué)能量公式(1)

Km 為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，為最大光譜光視效能，其值為683 lm/W。V (λ )為人眼的明視覺光譜光視效能。Φ (λ )為單位波長的輻射流。

同樣，本文光學(xué)模型色坐標(biāo)計算依據(jù)為CIE三刺激值公式（2）

以及相對色系數(shù)公式（3）

p(λ )為(380~780) nm之間光源單位波長輻射流；為標(biāo)準(zhǔn)三色光譜響應(yīng)值。對于Mi c ro-LED，由于是主動式發(fā)光，光源傳輸路徑比較簡單，LED芯片表面只有封膠材料影響，可直接修正如下

P(λ )此處為1組RGB像素點的絕對光譜數(shù)據(jù)，N為顯示屏的像素總數(shù)，S為顯示屏面積，Ω為立體角。因LED的色坐標(biāo)由實際工作電流決定，故需要用目標(biāo)色坐標(biāo)以及RGB芯片發(fā)射光譜利用經(jīng)驗和插值法反推使用電流。

A（λ）為燈板油墨反射率頻譜和燈板表面的硅膠穿透率頻譜疊加影響曲線，通過裸晶燈板和涂膠燈板測試數(shù)據(jù)對比得出。Kn為燈板表面封膠透過率、光利用率、校正系數(shù)的綜合系數(shù)。

圖2為100 μm的RGB芯片的光形圖，按照經(jīng)驗面積匹配，選53°角度，旋轉(zhuǎn)360°作為立體角，故式(6)中的立體角Ω值取1.18π。

圖2 RGB LED芯片發(fā)光光型圖

同時，Micro-LED RGB屬于電流型驅(qū)動，由于RGB三種芯片的發(fā)光效率不一致，為了得到目標(biāo)色溫6 000~10 000 K，三種芯片的電流大小不一樣，紅光R芯片要求的電流較大，電源的電流需要特殊設(shè)計。為保

證電流穩(wěn)定性及電源設(shè)計可靠性，目前普遍使用PWM控制電流脈寬模式來調(diào)節(jié)各芯片平均電流大小的形式來實現(xiàn)混光。設(shè)定x0.275y0.315，色溫9 300 K的目標(biāo)，依據(jù)上述LED發(fā)射光譜數(shù)據(jù)計算LED實際需要平均電流在(20~35) μA左右。因100 μm RGB LED chip的光效最優(yōu)電流比這個值大，如紅光最優(yōu)光效利用電流范圍：(0.6~20) mA，綠光最優(yōu)光效利用電流范圍：(0.04~10) mA，藍(lán)光最優(yōu)光效利用電流范圍：(0.03~10) mA，尤其是紅光，因此實際使用時將峰值電流提高，利用PWM模式調(diào)到平均電流值。即將綠光峰值提高10倍在278 μA，紅光峰值電流提高20倍在512 μA。

電流設(shè)定后，測試燈板裸晶狀態(tài)、封膠狀態(tài)的光學(xué)數(shù)據(jù)。樣品規(guī)格為：1# 450 μm厚度封膠、2# 300 μm厚度封膠、3# 200 μm厚度封膠、4#裸晶不封膠。

箱體輸入R紅、G綠、B藍(lán)、W白4個畫面，相同畫面、電流條件下，采用CS2000測試的光學(xué)數(shù)據(jù)如表1。

如表1數(shù)據(jù)，隨著封膠厚度增加，亮度Lv成比例下降，白場條件下裸晶狀態(tài)亮度為2 400 cd/m2，到450 μm膠厚狀態(tài)白場亮度降到537 cd/m2。450 μm成品膠厚，膠體穿透率只有22.4%。其中，藍(lán)綠光穿透率比紅光下降明顯。隨著膠體加厚，色溫逐漸降低，到450 μm膠厚，色溫降輻達(dá)到2 800 K。

通過對各膠體厚度樣品煲機(jī)1 h后進(jìn)行溫度測試，數(shù)據(jù)如表2(室溫22 ℃)。

如表2數(shù)據(jù)，因封膠后LED芯片表面空氣輻射散熱條件被阻隔，增加了1層膠體傳導(dǎo)散熱，LED燈板表面溫度隨封膠厚度增加而增加，裸晶狀態(tài)散熱條件好故溫度最低。但總體來看，LED的溫升在可靠性條件以內(nèi)，封膠與裸晶溫差3.6 K，這個溫差對色溫的影響較小^[4]。

圖3為LED燈板表面封膠膠體穿透率數(shù)據(jù)。如圖3所示，隨著膠體加厚，穿透頻譜逐漸右翹，藍(lán)綠光比例在降低，導(dǎo)致色溫下降。

封膠材料主體為環(huán)氧樹脂，摻雜黑色素。黑色素材料為碳粉，但主體材料為透明環(huán)氧樹脂，光譜在膠體內(nèi)發(fā)生的動作為材料吸收、顆粒散射、介質(zhì)折反射。環(huán)氧樹脂在可見光光譜范圍內(nèi)無典型吸收波帶，穿透率降低主要為碳粉引起。而穿透率波形的變化引起這一現(xiàn)象的主體原因預(yù)計為膠體的折反射。

隨著觀測視角加大，屏幕視效表現(xiàn)逐漸偏青，紅色逐漸減弱。介質(zhì)對光的折射率是n=c/v，而光在介質(zhì)中傳播頻率不變，速度與波長的關(guān)系是v=f×λ，即波長越大折射率越小。

LED發(fā)光從環(huán)氧樹脂膠體（折射率約為1.4）射向空氣（折射率約為1），即從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。按照折射率公式，紅光從膠體到空氣的出射角比藍(lán)綠光的出射角小，如圖4。

圖4 各波長光的折射圖

同時，折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小，即藍(lán)綠光更容易發(fā)生全反射，導(dǎo)致出光的藍(lán)綠光減少。

LED-R chip由于本身材料的特性和芯片結(jié)構(gòu)差異，紅光的chip光形圖發(fā)光角度明顯比藍(lán)綠光窄，如圖2，加上紅光折射率比藍(lán)綠光小，如圖4，在環(huán)氧樹脂界面藍(lán)綠光出光角度被進(jìn)一步放大。亮度測試儀器CS2000的光學(xué)鏡頭為1°測量，這可解釋封膠后白場色溫大幅降低的原因。

3   結(jié)論

Micro-LED顯示因使用電流小溫升低，溫度對光學(xué)的影響較小。燈板的封膠材料厚度對光學(xué)影響大，450μm膠厚時色溫降低了2 800 K。因Micro-LED顯示為LED芯片直顯發(fā)光，紅光芯片本身發(fā)光角度比藍(lán)綠光芯片小，再加上芯片表面封膠后經(jīng)過一系列的折反射，紅光折射率比藍(lán)綠光小，藍(lán)綠光出光視角進(jìn)一步放大，以及藍(lán)綠光更容易發(fā)生全反射，導(dǎo)致色溫偏差。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）