Mini-LED、Micro-LED 和 OLED的现状和未来

引言

显示技术已经在我们的日常生活中无处不在；其广泛应用涵盖智能手机、平板电脑、桌面显示器、电视、数据投影仪和增强现实/虚拟现实设备。液晶显示器发明于20世纪60年代末和70年代初。自21世纪以来，液晶显示器逐渐取代笨重的阴极射线管，成为主导技术。然而，液晶显示器是不透光的，需要背光单元(BLU)，这不仅增加了面板厚度，还限制了其灵活性和形状因素。

微型发光二极管(μ发光二极管）和微型发光二极管已经成为下一代显示器；前者对于透明显示器特别有吸引力和高亮度显示器，而后者可以作为高动态范围(HDR)液晶显示器的局部可调光背光或者作为发射显示器。mLEDs和μled都提供超高亮度和长寿命。这些功能非常适合日光可读显示器，如智能手机、公共信息显示器和车辆显示器。然而，仍然存在的最大挑战是质量转移产量和缺陷修复。

在本文中，我们根据上述标准比较了多发光二极管、有机电致发光二极管和μ发光二极管的性能。特别是，我们深入评估了每个显示器的功耗和ACR，并系统地比较了动态范围、MPRT以及对柔性和透明显示器的适应性。分析了最大功率发光二极管、μ发光二极管和有机发光二极管显示的优缺点，并讨论了它们的未来前景。

实验

在图1a中，采用RGB LED芯片。每个发光二极管都将向上和向下发光。为了利用向下的光，反射电极通常沉积在每个发光二极管芯片的底部。

在图1b中，每个蓝色LED芯片在图案化CC层(量子点或荧光粉)中泵浦一个子像素。上面配有一个吸收滤色器阵列，用于吸收未转换的蓝光，并抑制环境激励。该滤波器还增强了ACR，因此不需要阴极保护。在一些设计中，插入分布式布拉格反射器(DBR)以选择性地回收未转换的蓝光或者提高红/绿输出效率。在图1中，蓝色芯片泵一个黄色CC层以产生白色背光。

图1 显示系统配置

结果和讨论

接热轧制指旨在忠实再现自然场景的显示标准。HDR显示器可能支持一种或多种HDR格式，但硬件规格比所采用的格式对最终性能更为重要。HDR显示硬件的必要性，即高峰值亮度、优异的暗态、高比特深度和宽色域。

亮度：

人眼具有非常宽的动态范围，从绝对镜面高光到极端黑暗状态。相比之下，标准动态范围显示器仅提供100 cd/m²的峰值米露频率。作为一个制造商友好的目标，超高清高级版将HDR亮度范围定义为液晶显示器0.05~ 1000 cd/m²，有机发光二极管显示器0.0005~ 540 cd/m²。所有最大发光二极管/微发光二极管/有机发光二极管显示技术都可以满足该标准。作为一个选择，杜比视觉掌握在4000 CD/m²的峰值亮度。局部调光技术可以部分解决低光学效率引起的热问题。另一方面，有机发光二极管存在效率下降的问题和快速老化，亮度较高，因此更适合频繁更新的设备。因此，mLED/μLED发射显示器展示了HDR对高亮度和高效率的最佳品质偏好。

位深度：

随着亮度范围的扩大，每种颜色8位不再足以提供平滑的颜色变化。虽然在当前的HDR显示系统中应用了10位，但是根据Barten模型和感知量化器(PQ)曲线，非常希望每种颜色12位，以避免条带假象。从技术上讲，如果抖动处理2位，硬件上至少需要10位。在传统的液晶显示器中，位深度受到大电压摆幅和缓慢的灰度到灰度响应时间的限制。不幸的是，局部调光液晶显示器中的双调制单元等效地分担了负担，从而实现了12位PQ曲线。在发射型显示器中，实现10位或12位需要PAM中的超精确电流控制和PWM中的超短脉冲生成，从而导致高电子成本。

色彩表现：

鲜艳的颜色是HDR显示器的另一个重要要求。有各种标准来评估显示面板的色彩表现。显示器的色域覆盖范围主要由RGB发射光谱的中心波长和半峰全宽(FWHM)决定。无机发光二极管/μ发光二极管固有地具有相对窄的FWHM，所以色域主要取决于发射波长。无机发光二极管/μ发光二极管还具有依赖于角度的颜色偏移，这是由发光二极管材料差异以及红色和绿色/蓝色发光二极管的角度光谱不匹配造成的。这个问题可以通过增加一个黑色矩阵来吸收侧面发射，从而降低光提取效率来解决。对于CC型mLED/μLED发射型显示器，色域由蓝色LED芯片以及绿色和红色量子点共同决定。量子点的窄FWHM和高中心波长可调谐性可以理论上实现> 97%的Rec。

新颖场景中的应用：

可穿戴电子产品，如VR/AR耳机和智能腕带，被认为是下一代信息平台。对耐磨显示器的一般要求是低功率、轻重量和高分辨率。具体来说，虚拟现实/增强现实近眼显示器需要快速MPRT来减少运动图像模糊，而智能腕带更喜欢灵活性。

汽车和航天器的典型车辆显示器包括中央仪表盘和平视显示器。对于这些应用，可靠性和阳光可读性对驾驶员安全至关重要。宽工作温度是对车辆显示器的额外要求。无机发光二极管具有最宽的温度范围。有机发光二极管显示器在寒冷的环境中运行良好，如果加热会很快老化。液晶显示器在寒冷天气下响应缓慢，上限取决于清洁温度(Tc)。在中央集群中，传统的液晶显示器是主流。随着mLED BLU的加入，更高的对比度、更低的功耗、更少的发热和自由形状因子是很有希望实现的特性。微型发光二极管发射显示器可以进一步提高HDR性能和功率效率。

总结

我们讨论了发光mLED/μLED/有机发光二极管显示器和mLED背光液晶显示器的未来前景。所有这些技术都支持快速MPRT、高ppi、高对比度、高位深度、出色的暗态、宽色域、宽视角、宽工作温度范围和灵活的外形。在实现HDR的过程中，所有mLED/μLED/有机发光二极管显示器都可以获得高峰值亮度，除了mLED-LCD需要小心的热管理，而有机发光二极管显示器需要在寿命和亮度之间进行权衡。对于透明显示器，所有发射型mLED/μLED/有机发光二极管类型都工作良好。我们特别评估了每项技术的能效和ACR。其中，大尺寸液晶显示器的功率效率与圆偏振叠层RGB芯片有机发光二极管显示器相当。通过去除阴极保护，CC型和无阴极保护的RGB芯片型mLED/ μLED发射显示器的效率提高了3 ~ 4倍。此外，有机发光二极管显示器和液晶显示器在成本和技术成熟度方面具有优势。我们相信在未来的几年里，有机发光二极管和液晶显示器技术将会积极地伴随主流液晶显示器。