微型LED、微型LED和OLED显示屏的现状与展望

目前，液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示器是两种占主导地位的平板显示技术。最近，无机微型LED(MLED)和微型LED(μLED)通过显著提高LCD的动态范围或作为日光可读发光显示器而出现。发光二极管、有机发光二极管或μ发光二极管：谁赢？是一个极具争议性的问题。本文对μ/MLEDLED/OLED型发光显示器和MLED型背光液晶显示器的材料特性、器件结构和性能进行了综合分析。我们深入评估了每个显示器的功耗和环境对比度，并系统地比较了运动图像响应时间、动态范围和对柔性/透明显示器的适应性。分析了多层发光二极管、有机发光二极管和μ发光二极管显示器的优缺点，并对其发展前景进行了展望。

显示技术在我们的日常生活中已经变得无处不在，它的广泛应用涵盖了智能手机、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(LCD)发明于20世纪60年代末和70年代初1、2、3、4。自21世纪初以来，LCD逐渐取代笨重的阴极射线管(CRT)，成为主导技术5、6。然而，LCD是非发射的，需要背光单元(BLU)，这不仅增加了面板厚度，而且限制了其灵活性和外形因素。与此同时，经过30年的密集材料7、8、9、10、11、12、13、14和器件开发以及对先进制造技术的大量投资，有机发光二极管(OLED)显示器7、14、15、16、17发展迅速，使可折叠智能手机和可滚动电视成为可能。在过去的几年里，发光OLED显示屏由于其前所未有的暗态、超薄的外形和自由的形状因子，在电视和智能手机领域获得了发展势头，并与LCD展开了激烈的竞争。然而，一些关键问题，如老化和寿命，仍然需要改进。最近，微型LED(μLED)18、19、20、21、22、23、24、25、26、27和微型LED(MLED)24、25、28已经作为下一代显示器出现；前者对于透明显示器19、29、30、31和高亮度显示器21、22、23特别有吸引力，而后者可以用作高动态范围LCD 24、28的局部可调光背光，或者用作发射显示器21、22、23、24。MLED和μLED都提供超高亮度和长寿命。这些特征对于诸如智能手机、公共信息显示器和车辆显示器的日光可读显示器是非常理想的。然而，仍然存在的最大挑战是传质产率和缺陷修复，这肯定会影响成本。液晶、有机发光二极管或μ发光二极管：谁赢？已经成为激烈辩论的话题11。

为了比较不同的显示器，以下是重要的性能度量：(1)HDR和高环境对比度(ACR)32，(2)用于虚拟现实的高分辨率或高分辨率密度，以最小化屏蔽门效应，(3)宽色域33，34，35，(4)宽视角和不可察觉的角度色移6，36，37，38，39，40，(5)用于抑制图像模糊的快速运动图像响应时间(MPRT)41，42，(6)低。(7)薄型、自由、轻便的系统；(8)低成本。

在这篇综述文章中，我们根据上述标准对mLED、OLED和μLED的性能进行了比较。特别是，我们深入评估了每种显示器的功耗和ACR，并系统地比较了每种显示器的动态范围、MPRT以及对柔性和透明显示器的适应性。分析了多层μ、有机发光二极管和有机发光二极管显示器的优缺点，并对其发展前景进行了展望。

MLED、OLEDLED和μ芯片都可以用作发射显示器，而MLED也可以用作LCD的BLU。图1说明了三种常用的器件配置：红、绿和蓝(RGB)芯片发射显示器26、27(图1)。1A)，颜色转换(CC)发光显示器25(图。1b)，以及mLED背光LCD 24、28(图。1C)。在发射型显示器中(图2)。1a，b)，mLED/μ发光二极管/有机发光二极管芯片充当亚像素。在非发射液晶屏(图2)中。1c)，将mLED背光分割成分区结构，每个分区包含多个控制面板亮度的mLED芯片，每个分区可以有选择地开启和关闭。液晶面板由M和N个像素组成，每个RGB子像素由薄膜晶体管(TFT)独立寻址，调节背光的亮度透过率。在这三种类型中生成全色图像的方式不同。如图3所示。1A、采用RGB LED芯片。每个LED都会在向上和向下两个方向发光。为了利用向下的光，通常在底部放置一个反射电极

PAM50，也称为模拟驱动，通常用于发光OLED显示器51、52。PAM也是μ发光二极管驱动器的直观选择。在PAM 53中可以采用有源矩阵(AM)和无源矩阵(PM)寻址技术。图2a显示了AM寻址中的基本2个晶体管和1个电容器(2T1C)亚像素电路。在具有M×N像素的发光显示面板中，图3中的电路。2A由3M列(每个像素包含RGB子像素)和N行排列。T_S表示顺序接通LED的开关TFT，T_D表示调节流向LED的电流的驱动TFT。对于每一行，TS仅在整个帧时间(Tf)的1/N时间内打开，在此期间数据电压(V DATA)被加载到TD的栅极，然后TS被关断。存储电容(Cs)保持电压，以便T_D在帧时间的剩余时间内保持打开。因此，在AM寻址中，LED为Tf发光。图2B示出了阵列式PM驱动电路。这里，不使用存储电容。因此，每个LED仅在短周期(Tf/N)内发光。为了达到相同的有效亮度，PM中的瞬时亮度应该比AM中的瞬时亮度高N倍。

我们的评估模型是对鲁51和周52报告的模型的改进。来自图中的电路。2、每个亚像素上的静态功率主要由LED的功率(P LED)和驱动TFT的功率(P TFT)组成，如下所示：

其中I是流经TD和LED的电流，VF是LED正向电压，VDS是TD的漏源电压。在操作中，LED是电流驱动器件，TD用作电流源。T D的栅极到源极电压(VGS)控制i，i确定LED发射度。在TFT第50部分中，图中的每条实心黑线。3表示给定VGS时的I-V ds曲线。黑虚线描绘了线性区域(左侧)和饱和区域(右侧)之间的边界。在饱和区，i几乎不随Vds变化，因此它是一对一映射到Vgs的。因此，在设计中，Vds应超过以下最小值：

在最大亮度下。在等式中。(2)，我们看到区域边界(图2中的虚线)。3)是载流子迁移率(μT)、单位面积的栅电容(COX)、沟道宽度(WT)和沟道长度(LT)的函数。

VDS：TFT漏极到源极的电压。V，F，OLED：OLED正向电压。V F，μ发光二极管：μ发光二极管正向电压。

接下来，让我们来考虑LED部分。图中的蓝色曲线。3显示了OLED的I-V F特性随翻转电压的变化。黑色虚线和蓝色曲线的交点表示全亮度下的I和V ds_min。然后，横跨T、D和LED的最小所需电压为：

其中，VDD由最高灰度级确定，并在较低灰度级保持不变。以图中的实例为例。3、工作电流由最高灰度级(中间实心黑曲线)向较低灰度级(最低实心黑曲线)递减。我们可以观察到蓝色曲线和实心黑色曲线的交点右移，表明VF减小，VDS增加。交点仍位于饱和区。图中的红色曲线。3描述了μ发光二极管的I-V F特性。我们可以看到，除了较低的VF外，OLEDLED显示器的行为与μ显示器相同。

值得注意的是，OLEDLED芯片的VF值低于μ芯片的VF值；这一结果在J-VF特性中被广泛观察到。μ发光二极管(J-μ发光二极管)的电流密度与V_F之间的关系可用肖克利模型54、55：

其中J_s、V_T和n分别表示饱和电流密度、热电压和理想因子。另一方面，由于有机材料的本征电荷密度很小，有机发光二极管(OLED)的电流密度是空间电荷限制的16、17、56。根据空间电荷限制电流(SCLC)模型，OLED的J-V F特性遵循著名的Mott-Gurney定律57：

这里，ε0是真空介电常数，εr是有机发光二极管材料的相对介电常数，d是有机发光二极管电极之间的距离。在等式中。(5)，自由载流子迁移率(μ)是电场(E = V F/d)58的函数：

其中μ0是零电场下的载流子迁移率，β是普尔-弗伦克尔因子。由于迁移率低得多，有机发光二极管比μ发光二极管表现出更高的阈值电压和更低的J-V-F曲线斜率，从而导致更高的工作电压。补充信息中给出了示例计算。

从方程。(1)，我们发现TFT和LED之间的功耗比等于VDS/VF。3，高的VDS/VF比表明μ可能不是mLEDLED/LEDLED显示器的有效驱动器。在实验中，我们还证实了在mLED/μ发光二极管显示中，TFT可以比发光二极管芯片消耗更多的电能。稍后，在本节中，我们将讨论如何降低PTFT。

除P静态外，图中数据/扫描线的充放电和数据/扫描线的寄生电容均以Cs为单位。2A产生动态功耗(P Dyn)55。但是，由于P_dyn比P_static小得多，所以本部分的功率评估将仅考虑P_static。

在全彩色显示器中，驱动电压由以下步骤确定：首先，我们根据LEDL-I-V特性和面板规格确定每个RGB芯片的V、F和I。然后，采用合适的TFT类型和WT/LT值，为所需的I提供一个合理的VDS_min(Eq.。(2))和V DD_min(等式。(3))。最后，因为j个 = R、G、B子像素被集成在单个面板中，所以公共电压(V、DD、W)是。

除了每个亚像素上的功耗，在AM面板中，扫描驱动器和源极驱动器被用于更新发射设备的驱动电流，如图3所示。4A显示。此外，配线线路还具有寄生电阻(表1)。如图所示。4B中，如果N个像素并联连接到一条VDD线，则每个像素的电压从电源到末端59处的像素逐渐降低。然后，我们可以通过下式计算寄生电阻(P电阻)和电压降补偿(P降)上的功率损耗。

$$P_{\mathm{电阻器}}=\mathop{\sum}\limits_{i=1}^{N-1}{\Left({II_W}\Right)^2\CDOT\Delta R}=\frac{{\Left({N-1}\Right)N\Left({2N-1}\Right)}}{6}\CDOT I_W^2\CDOT\Delta R$$

$$P_{\mathm{Drop}}=\mathop{\sum}\limits_{i=1}^{N-1}{\frac{{i\Left({i+1}\right)}}{2}}\CDOT I_W^2\CDOT\Delta R=\frac{{\Left({N-1}\Right)N\Left({N+1}\Right)}}{6}\CDOT I_W^2\CDOT\。

这里，IW是每个全色像素的电流，ΔR是跨像素间距的VDD线电阻。值得指出的是，虽然之前的模型提到了电压降51、52，但在计算中没有考虑P降。为了降低这些功率损耗，面板中的N行可以被分割成具有独立的V-DD传输的N-g个组。然后，P电阻和P降可以减小到1/Ng2。考虑到整个面板，导线电阻器(P导线)造成的总功率损耗为。

来自情商。(1)、(3)、(7)和(11)，全彩色显示器的总功耗为。

$$\BEGIN{array}{c}P_{\mathm{total}}\Approx\Left({P_{\mathm{LED}}+P_{\mathm{TFT}\right)_{\mathm{RGB}}\；+\；P_{\mathm{wire}}\近似V_{\mathm{DD}，W}\CDOT I_W\CDOT N\CDOT M+\frac{{N^3\CDOT M}}{{2N_g^2}}\CDOT I_W^2\CDOT\Delta R\end{array}$$。

壁塞效率(WPE[单位：W/W])反映LED的功率效率，即输出光功率(P OP)与输入电功率(P LED)之比：

在等式中。(13)、Eph、EQE芯片和e分别代表光子能量、LED外量子效率(EQE)和基元电荷。发光二极管(Φ发光二极管[单位：LM])的光通量与P_op和光效(K)的关系如下：

$$K=\frac{\int}{V\Left(\lambda\right)S\Left(\lambda\right)d\lambda}{\int}{S\Left(\lambda\right)d\lambda}$$。

其中V(λ)是光谱发光效率，S(λ)是发射光谱。

来自情商。(13)-(15)和等式。(1)、发光二极管效率(η发光二极管[单位：LM/W])和电路功率效率(ηp[单位：LM/W])可以表示为60：

$$\eta_p=\frac{\Phi}_{\mathrm{LED}{{P_{\mathrm{static}=\frac{\Phi}_{\mathrm{LED}{{P_{\mathrm{LED}}\cdot\frac{{V_F+V_{\mathm{ds}{{V_F}=\frac{{K\cot E_{\mathm{ph}{e}。\cdot\frac{{\mathm{eqe}_{\mathm{Chip}{{V_F+V_{\mathm{ds}$$。

有几种方法可以提高MLEDLED/OLEDLED/μ显示器的功率效率。对于较低的P线，我们可以将配电盘分割成更多的单元(等式)。(11))和使用低电阻率线材。对于P-TFT和P-LED，我们将对它们进行如下讨论。

通过优化T-D参数可以减小P-TFT。来自情商。(1)和(2)，较高的μT、较高的COX和较高的WT/L T有助于降低VDSmin和PTFT。其中，WT和LT是电路设计参数，但应在合理范围内调整。在高PPI(像素/英寸)显示器中，每个子像素中的小区域可能不会为大通道宽度(WT)TFT留下太多空间，特别是当需要补偿电路61、62时。当沟道长度(LT)太短时，漏电变得严重，并导致短沟道效应55。此外，VDS应足够大以实现8位驱动，甚至HDR显示器的10位或12位驱动。

另一方面，μT和COX是薄膜晶体管的工艺参数。TFT栅极的氧化层设计得很薄，以达到高COX和良好绝缘性之间的平衡。互补型金属氧化物半导体晶体管可以获得较高的μT。因此，行业领导者开始用CMOS驱动器集成电路(IC)22、23、26、63、64取代TFT：(A)在PM寻址方案中，少数IC的功能与TFT 29一样多。然而，PM显示器的分辨率和大小是有限的。因此，需要平铺多个PM块以获得高分辨率和大尺寸的显示器。瓷砖设计的主要挑战是焊缝可见性和均匀性，这需要较小的发射孔径和制造后校准，分别为26。(B)在AM寻址方案(图2)中。2a)，每个像素具有单位电路，通常需要补偿设计61、62。该方案对空间要求很高，并且对高PPI显示器特别不友好。高度集成的IC缓解了这一问题，并在PAM中提供更精确的电流控制。此外，该技术实现了小型化的脉宽调制(PWM)驱动电路26、29、55、65。2015年，Lumiode报告了一种在AMμLED微显示器21上集成硅TFT的免转移方法。2017年，X-Celeprint通过微转移印刷展示了一款带有像素化微尺度IC的AMμ发光二极管显示屏29。2018年，京东数码在硅背板65上推出了2000ppi的μ发光二极管。2019年，LETI提议在晶圆规模制造基本像素单元，并将它们转移到接收衬底。在LETI的设计中，每个单元包含设置在μ驱动电路64上的RGBCMOS LED。索尼在水晶发光二极管中采用了像素化的微型集成电路，这是他们的商业平铺式μ发光二极管显示系统26。IC驱动器的主要缺点是它们的成本比TFT高。随着所用集成电路数量的增加，面板成本也随之增加。因此，在低分辨率BLU中使用IC比在高分辨率发光显示器中使用IC更具成本效益。

从方程。(16)，我们发现η发光二极管与EQECHIP/VF成正比，表明EQECHIP/VF具有较高的工作偏好。首先，让我们考虑一下EQE芯片的特性(图2)。5A)。RGB色线对应于RGB色片。x轴是颜色亮度。例如，1000 CD/m2白光与大约[R：300 CD/m2，G：600 CD/m2，B：100 CD/m2]颜色亮度混合。如图中虚线所示。5A时，OLED11、12、66的EQE芯片在正常工作范围内保持平坦(<；4000 CD/m2混合白光)，但随着亮度的增加逐渐衰减。另一方面，90 μm × 130 μm mLED芯片的均衡器芯片(图中的实线)。5A)随亮度显著变化。GB mLED的峰值EQE芯片。

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