Micro-LED顯示光學性能研究*

0   引言

目前LCD液晶面板顯示在市場上仍然占據主導位置，但是液晶面板的技術工藝已達技術瓶頸，加上其動式發光形式的限制，導致LCD行業很難再有質的突破。

目前三星、LG已經宣布退出LCD傳統顯現領域，轉攻新型顯示。OLED雖然具有許多傳統LCD無可比擬的優點，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、使用壽命較短、“燒屏”、功耗大等。因此，雖然從出現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達到普及。

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

如今隨著市場需求驅動以及技術迭代，顯示技術已經由內容為王的二代技術逐漸過渡到突出硬件畫質的第三代技術。行業內眾多廠家如三星、蘋果、友達等已加大對第三代顯示技術的研發和投入。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、色溫等光學方面的光學性能變化。

*：廣東省重點領域研發計劃資助，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。

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據。

分別測試RGB單芯片、裸晶燈板、3種規格厚度封膠燈板樣品，測試其光譜、亮度、色坐標、主觀視效等信息。LED芯片發射光譜數據如圖1。

圖1 RGB芯片發光光譜

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

實驗的理論模型如下。本文光學模型亮度計算依據為光度學能量公式(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換常數，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，本文光學模型色坐標計算依據為CIE三刺激值公式（2）

以及相對色系數公式（3）

p(λ )為(380~780) nm之間光源單位波長輻射流；為標準三色光譜響應值。對于Mi c ro-LED，由于是主動式發光，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據，N為顯示屏的像素總數，S為顯示屏面積，Ω為立體角。因LED的色坐標由實際工作電流決定，故需要用目標色坐標以及RGB芯片發射光譜利用經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據對比得出。Kn為燈板表面封膠透過率、光利用率、校正系數的綜合系數。

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

圖2 RGB LED芯片發光光型圖

同時，Micro-LED RGB屬于電流型驅動，由于RGB三種芯片的發光效率不一致，為了得到目標色溫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計。為保

證電流穩定性及電源設計可靠性，目前普遍使用PWM控制電流脈寬模式來調節各芯片平均電流大小的形式來實現混光。設定x0.275y0.315，色溫9 300 K的目標，依據上述LED發射光譜數據計算LED實際需要平均電流在(20~35) μA左右。因100 μm RGB LED chip的光效最優電流比這個值大，如紅光最優光效利用電流范圍：(0.6~20) mA，綠光最優光效利用電流范圍：(0.04~10) mA，藍光最優光效利用電流范圍：(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。

電流設定后，測試燈板裸晶狀態、封膠狀態的光學數據。樣品規格為：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、W白4個畫面，相同畫面、電流條件下，采用CS2000測試的光學數據如表1。

如表1數據，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亮度為2 400 cd/m2，到450 μm膠厚狀態白場亮度降到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，色溫降輻達到2 800 K。

通過對各膠體厚度樣品煲機1 h后進行溫度測試，數據如表2(室溫22 ℃)。

如表2數據，因封膠后LED芯片表面空氣輻射散熱條件被阻隔，增加了1層膠體傳導散熱，LED燈板表面溫度隨封膠厚度增加而增加，裸晶狀態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，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據。如圖3所示，隨著膠體加厚，穿透頻譜逐漸右翹，藍綠光比例在降低，導致色溫下降。

封膠材料主體為環氧樹脂，摻雜黑色素。黑色素材料為碳粉，但主體材料為透明環氧樹脂，光譜在膠體內發生的動作為材料吸收、顆粒散射、介質折反射。環氧樹脂在可見光光譜范圍內無典型吸收波帶，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象的主體原因預計為膠體的折反射。

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

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

圖4 各波長光的折射圖

同時，折射率越大，發生全反射的臨界角越小，即藍綠光更容易發生全反射，導致出光的藍綠光減少。

LED-R chip由于本身材料的特性和芯片結構差異，紅光的chip光形圖發光角度明顯比藍綠光窄，如圖2，加上紅光折射率比藍綠光小，如圖4，在環氧樹脂界面藍綠光出光角度被進一步放大。亮度測試儀器CS2000的光學鏡頭為1°測量，這可解釋封膠后白場色溫大幅降低的原因。

3   結論

Micro-LED顯示因使用電流小溫升低，溫度對光學的影響較小。燈板的封膠材料厚度對光學影響大，450μm膠厚時色溫降低了2 800 K。因Micro-LED顯示為LED芯片直顯發光，紅光芯片本身發光角度比藍綠光芯片小，再加上芯片表面封膠后經過一系列的折反射，紅光折射率比藍綠光小，藍綠光出光視角進一步放大，以及藍綠光更容易發生全反射，導致色溫偏差。

參考文獻：

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[4] 姚健平,楊梅慧.電流調光模式對LED液晶模組光學性能的影響

[J].電視技術,2015,39(13):103-106.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2020年9月期）