創新驅動電路設計 挑戰Micro LED顯示效率極限

平面顯示器市場目前主要由LCD液晶屏幕與OLED面板占據，主打各式終端產品，例如電視或電子廣告牌使用的大型顯示器、平板與智能手機的小型顯示器，以及AR／VR應用的微型顯示器。LCD屏幕利用無機材料的LED背光模塊來發光，光線在通過液晶分子矩陣后會產生彩色影像。相較之下，OLED屏幕能夠自行發光，透過有機化合物對通過電流的反應來發射光線。

最近，第三種顯示技術Micro LED加入戰局，預計能提供比傳統屏幕還要鮮艷的色彩，以及更高亮度與更低功耗。采用這項技術的首發產品近期以亮眼表現進軍顯示器市場，像是顯示器大廠推出的Micro LED電視與電視墻，未來可望實現家庭、娛樂影視與商業應用的最佳視覺體驗。

Micro LED是微型LED，傳統LED尺寸>1mm，Micro LED則是<50μm。傳統LED采用獨立封裝，而Micro LED能以裸晶形式運作，這些大量晶粒需要透過整合來制成顯示器。每個Micro LED晶粒都包含紅色、綠色、藍色的子畫素，用來組成彩色顯示器。發光的顏色由LED的非有機材料（能隙）決定，舉例來說，磷化鋁銦鎵（AlGaInP）能產生紅光，氮化銦鎵（InGaN）則產生綠光。

采用TFT驅動Micro LED 鎖定大型模塊化顯示器商機
采用主動式驅動的Micro LED顯示器由背板上的晶體管數組控制，包含開關電流與驅動單一畫素。Micro LED背板材料分為兩種。第一種是硅材晶體管，采用傳統的CMOS制程。這些晶體管可以做到非常小，制成的背板晶體管具備極小間距（pitch），非常適合用于高分辨率的VR／AR應用或投影設備。不過硅基板的成本較高，尺寸有限，而且不透明。

第二種是薄膜晶體管（TFT），可用非晶硅、低溫多晶硅（LTPS）或是氧化銦鎵鋅（IGZO）制成。TFT能在比硅材還要大尺寸的基板上制造，有機會達到更低的單位面積成本。本文的重點就是采用TFT基板的Micro LED技術。

其中一種設想的應用是用于電視或電視墻的大型模塊化顯示器，應用場景包含家庭、電影院與廣告場域，抑或是大規模或小型會議。根據Micro LED模塊的大小與數量，顯示器的最終尺寸會落在100吋~200吋之間，甚至更大。在這類應用中，Micro LED預計能超越一樣采用TFT基板的OLED面板，不僅更加省電，在相同電流下還能產生更高亮度。此外，Micro LED不含有機材料發光層，所以不需要封裝，更便于無縫轉移。相較之下，OLED必須對個別模塊進行封裝。

不同于OLED，用于大型顯示器的Micro LED不能在同一個單片基板上制造。因此，中大型顯示器的Micro LED制程必須采用取放（pick and place）等技術。這項取放技術會使用三塊磊晶基板來制造紅色、藍色與綠色晶粒，然后進行切割，最后透過高速取放系統轉移到TFT背板上。

Micro LED的TFT背板設計
高性能Micro LED顯示器帶來了全新的背板設計挑戰。目前正在開發數種不同的電子設計方法，一種是主動式矩陣OLED（AMOLED）設計，另一種是被動式矩陣PCB驅動設計。

兩者在灰階、閃爍、畫素間距、散熱或功耗方面的表現各有優缺。imec憑借著在TFT電路設計領域的多年經驗，開發了Micro LED驅動電路的替代方案，引領新一波的技術升級。

接下來將會介紹我們與Barco共同開發的應用案例，在Micro LED模塊化顯示器上采用全新的TFT電路設計，整合目前不同驅動技術的強項。

Micro LED驅動電路設計：創新6T2C架構
在設計顯示器的驅動電路時，開發人員必須做出一些選擇，例如：選出最佳的矩陣結構（主動式或被動式矩陣）、灰階調變方法（使用模擬訊號或數字訊號）、LED程控（電壓或電流控制）。imec研究團隊評估了多項先進驅動技術，最終開發了創新的混合式驅動技術，把各技術的最大優勢都整合在采用6T2C架構的驅動電路上，藉此解決micro LED顯示器的多項新興挑戰。

主動式vs被動式矩陣架構
主動式（AM）與被動式矩陣（PM）驅動的顯示器都是透過水平向與垂直向的線路來運作，水平向負責進行一次一列的掃描，垂直向則是傳遞顯示訊號到每行對應的晶體管，藉此導通那一列的畫素。這些電路能以高速率依序驅動畫素，快到連肉眼都無法分辨是逐線掃描，而視為平面影像。

在被動式矩陣的驅動模式下，像是用于目前的Micro LED電視墻，非選定線路上的畫素會處于關閉狀態，只有在被選時會短暫開啟。換句話說，這時只有一條畫素會發光。在主動式矩陣，例如AMOLED的電路設計中，所有畫素都有記憶性，可以在屏幕刷新的切換周期中維持驅動狀態，直到下次訊號更新，所以在其他線路進行掃描時，非選定畫素也會發光。如此一來就能降低對控制畫素亮度的要求，進而減少所需電流。這就是主動式與被動式驅動的基本差異。



 
圖一 : 被動式（左圖）與主動式（右圖）矩陣的驅動電路圖。

結果發現，主動式矩陣更有利于降低功耗和成本，并提升影像質量。被動式矩陣的畫素只能短暫驅動，所以需要更大的瞬間亮度，LED驅動電流也必須維持整體亮度的一致性，這就加劇了功耗與散熱問題。對于包含上百萬顆Micro LED的大型模塊化顯示器，比起被動式矩陣，主動式矩陣驅動才是首選。

灰階調變：數字vs模擬驅動
單顆LED的灰階（grey level）或說是亮度由LED驅動電流的大小決定。每顆LED構成一個畫素，每個畫素的灰階最終會決定LED顯示器的整體亮度。

AMOLED顯示器所用的平板式設計通常采用模擬式驅動，也就是說，對個別畫素施加的模擬訊號（電流或電壓）以及OLED的驅動電流會決定最終的灰階顯示。在這種驅動模式下，高電壓或大電流會增加發光程度，進而提高畫素亮度。然而，對于非有機材料的（Micro）LED而言，這就有個缺點：為了調變顯示器的灰階而改變LED驅動電流，同時會影響到發光的波長，導致色偏（color shift）現象。

這也是數字驅動模式會更適合Micro LED顯示器的原因。數字驅動模式運用脈沖寬度調變（PWM）來控制Micro LED的驅動電流。藉此，所有LED都能維持相同電流，避免色偏現象，但還是能調整LED的平均導通時間（或稱占空比），如此一來，就能控制顯示器的平均發光程度，也就是畫素的灰階。

12位圖編碼表
為了在主動式矩陣架構的背板進行數字驅動，可以采用不同的影像編碼技術來實現脈沖寬度調變（PWM）。編碼表（coding table）會記錄Micro LED開關的確切時間點。imec研究團隊提出了獨特的12位圖編碼表，以縮短黑屏時間并優化視覺呈現，最終把屏幕閃爍的機率降到最低。


 
圖二 : 運用imec提出的12位圖編碼表，所有灰階在傅立葉頻譜上的第一個諧波振福都下降，減緩了顯示器閃爍的問題。

創新的6T2C驅動電路
再次強調，在設計顯示器驅動電路時，必須做出一些取舍。例如，設計人員可以選用傳統的2T1C架構：一顆晶體管選取目標畫素，另一顆晶體管負責控制數據線的電壓，提供LED驅動電流。然而，晶體管特性一旦出現任何變化，都會影響驅動電流，進而產生色偏現象。因此，電壓驅動的電流控制并不理想。

為此，imec研究團隊開發了一種混合式驅動技術，利用兩顆晶體管組成的電流鏡（current mirror）來精準控制Micro LED的驅動電流，維持固定。PWM訊號傳輸則透過另外兩顆開關晶體管來施加電壓。這些開關晶體管可以根據影像編碼表來控制電流鏡的開關。最后兩顆晶體管則負責在輸入電流更新訊號時選取所需畫素。


 
圖三 : 采用6T2C驅動電路的Micro LED電路圖。

運用6T2C結構，imec團隊成功導入混合式驅動技術，達到Micro LED顯示器的最佳效能。同時，他們也針對6T2C驅動電路做出一些調整來拓展應用。例如，其中一項設計變動是藉由共享電流鏡來縮小驅動電路的整體面積。此外，imec也提出一種全局快門設計，用來改善模塊化顯示器對多個子模塊進行同步更新的性能。

從原型開發到量產
創新的驅動電路是高性能Micro LED顯示器的關鍵。imec能協助企業與學術研究團隊探索基于IGZO、LPTS或非晶硅材的TFT驅動電路在顯示器市場的應用潛能。

imec也攜手業界的晶圓代工伙伴，提供TFT驅動電路在顯示器與非顯示器應用方面的生產資源。這套合作模式也延伸到多項與CMOS硅制程相關的研究計劃，且進行多年，為學研單位與顯示器業者提供一條技術商用的道路。

此外，imec還能借助比利時根特大學CMST研究實驗室的專業與服務，將Micro LED置于TFT背板上。CMST歷經多年研究，已經開發出一套取放方法，能快速準確地轉移Micro LED晶粒。

該研究團隊為了展示其量產潛能，已經完成載于LPTS背板的Micro LED原型芯片，采用的驅動電路就是先前介紹的創新設計。LTPS可以提供更高的驅動電流，因此比起IGZO，更適合用來制造TFT顯示器背板。舉例來說，特性分析結果顯示，LTPS面板具備良好的訊號保存能力，這就代表，這些訊號在畫素導通后能在電流鏡與電容器上保存多長時間。


 
圖四 : 顯示訊號保存時間的示波器分析結果。

結語
imec提出了一款利用TFT背板來驅動Micro LED的混合式方法，整合了LED電視墻與AMOLED設計的最大優勢，包含驅動電流的程控、PWM模式的主動式矩陣設計。另外也開發了創新的6T2C電路架構，讓這套混合式設計能驅動Micro LED顯示器達到最佳的影像質量。這款基于LTPS材料的TFT驅動電路設計完稿（tapeout）也擘畫了imec與芯片制造伙伴的合作之路，以實現量產Micro LED顯示器的目標。

（本文由imec提供；作者Kris Myny為imec主任研究員／編譯：吳雅婷）