吴诗聪：三王争霸！显示技术哪家强？

吴诗聪：三王争霸！显示技术哪家强？

栏目：行业资讯发布时间：2024-07-16

　推广位（非商务）　　撰稿 | 蔡昊（北京科技大学博士）　　01　　导读/研究背景　　近年来，在传统液晶显示(LCD)的劣势日益明显的背景下，新的显示技术，如有机发光二极管(OLED)，Micro-LED(μLED)以及Mini-LED(mLED)开始逐渐走入市场。　　LCD经过几十年的发展早已成为最主流的显示技术，但由于背光层的存在，不可避免地增加了LCD面板厚度，同时也限制了其在柔性场景中

　　推广位（非商务）

　　撰稿 | 蔡昊（北京科技大学博士）

　　导读/研究背景

　　近年来，在传统液晶显示(LCD)的劣势日益明显的背景下，新的显示技术，如有机发光二极管(OLED)，Micro-LED(μLED)以及Mini-LED(mLED)开始逐渐走入市场。

　　LCD经过几十年的发展早已成为最主流的显示技术，但由于背光层的存在，不可避免地增加了LCD面板厚度，同时也限制了其在柔性场景中的应用；OLED显示技术从出现到量产，由于其优越的暗态性能，轻薄自由的外形等优点，在电视和智能手机等领域与LCD展开了激烈的竞争，不过诸如烧屏，寿命短等问题仍需要进一步改进；Mini-LED以及Micro-LED作为新兴的显示技术近年来备受关注，展现出的超高亮度和长寿命等优点使他们能够应用于日光可读显示，如智能手机，公共信息显示以及车载显示等场景。对于这两种技术目前最大的挑战在于制备工艺的不成熟，如巨量转移以及显示缺陷修复等技术问题需要解决。

　　似乎每种新兴技术都有替代传统LCD的趋势，但却各自都有尚未克服的缺点。近日，美国中佛罗里达大学吴诗聪教授等人在 Light: Science & Applications 发表综述文章，从功耗、环境对比度(ACR)、高动态范围(HDR)、动态画面响应时间(MPRT)等角度系统分析了Mini-LED、Micro-LED、OLED以及Mini-LED-LCD显示技术的性能表现，并结合可穿戴设备以及车载显示的应用，对显示领域未来的前景进行了讨论。

　　图1 显示系统示意图：

　　a. RGB-Mini-LED/Micro-LED/OLED发射显示；

　　b. 颜色转换(CC)-Mini-LED/Micro-LED/OLED发射显示；

　　c. Mini-LED-LCD显示

　　创新研究

　　2.1

　　功耗Mini-LED/Micro-LED/OLED显示器的功耗主要取决于驱动电路设计、LED量子效率和光学系统的效率。

　　2.1.1 脉冲调幅(PAM)驱动方案

　　采用有源矩阵技术寻址（AM）的驱动电路中包含开关TFT(TS)，驱动TFT(TD)和存储电容(CS)，在M×N像素的显示面板中，TS的开启时间占整个帧周期（Tf）的1/N，CS可以保证TD在剩余的帧周期内保持打开状态。因此，在AM电路中，LED可在整个周期内发光；无源矩阵技术寻址（PM）的驱动电路中没有存储电容，因此每个LED只能发射Tf /N的光。要达到相同的有效亮度，PM的瞬时亮度要比AM高N倍。

　　图2 脉冲调幅(PAM)驱动方案

　　a.有源矩阵(AM)；

　　b.无源矩阵(PM)

　　2.1.2 PAM下的功率和改进策略

　　总的功率损耗由LED功耗(PLED)，驱动TFT功耗(PTFT)以及导线电阻功耗(Pwire)三部分组成，将面板分割成更多的单元以及采用低电阻材料可以有效降低Pwire；对于PTFT来说，大的通道宽度和小的通道长度虽然有助于降低功耗，但是在高ppi显示场景中，亚像素中的空间可能不足以实现大通道宽度TFT，并且过小的通道长度也会导致漏电现象严重；通过增大载流子迁移率和栅极电容也可以降低PTFT，业内开始使用CMOS驱动集成电路来提高迁移率，但该方法的主要缺点是其成本过高，更适用于低分辨率的背光单元中；而对于PLED，提高外量子效率(EQEchip)可以提高功效。在小于4000 cd/m2的亮度范围内，OLED比Mini-LED/Micro-LED表现出更高的EQEchip。

　　2.1.3 LED输出功效从功效来看，Mini-LED-LCD与RGB-OLED显示技术的功效相当，大约比CC(颜色转换)-Mini-LED/Micro-LED显示技术和无圆偏光片的RGB-Mini-LED/Micro-LED显示技术低3倍。

　　2.2

　　环境对比度(ACR)

　　在基片上覆盖抗反射层，RGB-Mini-LED/Micro-LED/OLED发射显示中使用圆偏光片，CC-Mini-LED/Micro-LED/OLED发射显示中使用滤光层，以及在Mini-LED-LCD中使用正交偏光镜均可减弱环境反射。在平衡光反射和功效的同时，LED芯片的尺寸应该慎重选择。对比几种显示技术发现，在便携设备应用中，最节能的选择是RGB-Micro-LED显示；而在电视显示应用中，CC-Micro-LED与不加圆偏光片的RGB-Micro-LED显示出相当的效果。

　　图3 不同应用场景中功耗-芯片尺寸的关系曲线

　　2.3

　　动态画面响应时间(MRPT)

　　Mini-LED/Micro-LED/OLED芯片的响应时间比液晶显示快几个数量级。但不能因此便得出Mini-LED/Micro-LED /OLED发射显示技术提供比LCD更流畅的视觉体验的结论，通常使用MPRT度量视觉响应时间。例如，在帧率为60 fps时，2-ms响应的LCD，其 MPRT为13.5 ms，这与其他s-/ns-响应的发射显示器(MPRT = 13.3 ms)相当。提高帧率和降低占空比可以降低MRTP，但需要注意的是，使用低占空比的代价是降低了亮度。

　　2.4

　　高动态范围(HDR)HDR是指真实再现自然场景的显示标准。一个HDR显示器可能支持一种或多种HDR格式，但是显示设备本身的规格对最终性能的影响比所采用的格式重要的多。

　　2.4.1 亮度

　　人眼具有非常宽的动态范围，可覆盖绝对高光(10000 cd/m2)到极端黑暗状态(0.005 cd/m2)。相比之下，标准动态范围显示仅提供100cd/m2的峰值亮度。Ultra HD Premium将LCD的HDR亮度范围定义为0.05~1000cd/m2, 将OLED显示的HDR亮度范围定义为0.0005~540 cd/m2，目前所有的Mini-LED/Micro-LED/OLED显示技术都能满足这个标准。然而，OLED显示在高亮度下具有光效衰减和快速老化的缺点，更适合应用于需要频繁更新的场景中；而Mini-LED/Micro-LED显示高亮高效，因此成为实现高品质HDR技术的最佳选择。

　　2.4.2 位深度

　　实现HDR技术至少需要10位色深才可以使眼色平滑变化。在传统的液晶显示器中，位深度受到大的电压摆幅和缓慢的灰对灰响应时间的限制，通过局部调光LCD中的双调制单元等量分担负担，可以实现12位PQ曲线；在发射显示场景中，需要在PAM中精确控制电流和在PWM中产生超短脉冲才能实现10位或12位色深，大幅增加了生产成本。

　　2.4.3 色彩表现

　　鲜艳的色彩是HDR显示的另一个关键要求。将报道的Mini-LED/Micro-LED/OLED显示器的色度图与Rec. 2020标准进行比较，均可实现宽色域覆盖(90% Rec.2020)。不过就目前的技术手段来说，每一种显示模式都存在一定的缺陷：OLED的寿命低，使用时间增长会导致大角度色彩偏移；RGB-Mini-LED/Micro-LED的问题是中心波长漂移和半峰宽随电流变化；CC-Mini-LED/Micro-LED显示中要特别注意蓝光泄漏问题；而Mini-LED-LCD中的白色背光和滤光层可能会引入颜色串扰，降低颜色纯度。

　　图4 与Rec. 2020相比，mini-LED/micro-LED/OLED显示屏的色度坐标

　　2.5

　　Mini-LED/Micro-LED/OLED/Mini-LED-LCD在新场景中的应用2.5.1 可穿戴显示

　　对可穿戴显示产品的一般要求是低功率、轻重量和高分辨率。VR/AR显示需要更快的MPRT来减少动态图像模糊，而智能腕带需要材料即有优异的灵活性。

　　VR面板是在沉浸式的黑暗空间中工作，因此150~200 cd/m2的最高亮度便已足够使用。为了消除纱门效应，100度的视场需要6K6K的分辨率，这意味着在2英寸的面板上需要3000 ppi的像素密度并且芯片尺寸要小于5μm。在这么小的尺寸上，CC-Micro-LED是最高效的，但是成本高；OLED和Mini-LED-LCD显示虽然效能不如CC-Micro-LED，但是技术成熟且经济。

　　对于AR器件来说，高亮度，高ACR以及快速MRTP是必须的。由于OLED的寿命与它们的亮度成反比，因此无机LED成为最佳选择。目前，投影显示器主导AR市场，虽然液晶硅(LCoS)具有高亮度和高ppi的特点，但由于它是一个反射式显示器，因此系统较笨重。另一方面，Micro-LED显示满足了AR器件所需的高亮度、高ppi、快速MPRT、低功耗和长寿命等要求，是制造AR设备的首选。

　　智能腕带的技术挑战是灵活性。为了满足这一要求，首先，光源最好是二维排列，其次，光源要求具有良好的离轴性能。总的来说，OLED是最成熟的柔性显示技术，但其ACR有限；与OLED相比，使用了有机TFT的LCD技术，其扩展性更好，并且具有更低的制造成本；而柔性Mini-LED-LCD的商业化更多地取决于市场策略，而不是技术挑战；柔性Micro-LED正处于原型制作阶段；理论上，没有使用圆偏光片的小孔径micro-LED是最佳选择。

　　2.5.2 车载显示

　　目前的车载显示设备大多是LCD显示屏，在车载显示场景中，可靠性和日光可读性对驾驶员的安全至关重要，同时要求显示器具有高亮度，所有Mini-LED/Micro-LED/OLED显示技术均可获得高的峰值亮度。对车载显示额外的要求是具有宽的工作温度范围：无机LED的温度范围最宽；OLED在低温时的性能优异，但是温度升高会导致材料老化；LCD在低温时的反应很慢，并且由于其光效低，使用时的温度控制也很麻烦。总的来说，Mini-LED/Micro-LED在亮度、寿命和在极端环境下的性能都优于其他形式。

　　从概念上讲，透明显示器在系统复杂性、光学效率、眼动范围、视场等方面均优于投影显示器。高透明度可以通过利用PM显示器中的高导电性透明电极或AM显示器中的图形透明电极来实现。一般来说，大孔径是OLED透明显示器实现高亮度的基础，而使用Micro-LED则可以将孔径缩小。到目前为止，OLED和Micro-LED显示屏的透明度可以达到70%。

　　总结

　　Mini-LED/Micro-LED/OLED以及Mini-LED-LCD均可以实现快速MPRT，高ppi，高对比度，高位深，优良的暗态性能，宽色域，宽视角，宽操作温度范围和形状的灵活性。

　　此外，OLED显示和Mini-LED-LCD在成本和技术成熟度方面具有更大的优势。在未来几年，OLED和Mini-LED-LCD技术将积极伴随目前主流的LCD技术共同发展。随着制造工艺的逐渐成熟，在不远的将来，Mini-LED/Micro-LED显示技术将逐渐走向中心舞台。

　　通讯作者简介

　　吴诗聪教授

　　吴诗聪教授被中佛罗里达大学光学与光子学学院聘为“飞马教授”（中佛罗里达大学的特殊荣誉称号）。在2001年加入中佛罗里达大学任教前，他在加州著名的休斯研究实验室（马里布，加州）工作，并且在那里发明了首例激光和硅基液晶。

　　吴诗聪教授是佛罗里达发明家名人堂首批的六名入选者之一，是美国国家发明家学院院士，美国电气和电子工程师协会、美国光学学会、国际信息显示学会和国际光学工程学会会士。他曾获得2014年美国光学学会 Esther Hoffman Beller 勋章、2011年国际信息显示学会Slottow-Owaki 奖、2010年美国光学学会Joseph Fraunhofer 奖、2008年国际信息显示学会Jan Rajchman 奖和2008年国际光学工程学会G. G. Stokes 奖。他还被选为2018年台湾交通大学荣誉教授、2013年南京大学荣誉教授。他是IEEE/OSA显示技术杂志的创始人兼主编，目前担任SID荣誉与奖励委员会主席,《液晶与显示》编委。

　　吴诗聪教授以在液晶的研究及在平面显示器的应用，在雷射、光学等的控制和运用，影响全世界的平面显示器科技获奖。他获奖无数，有许多发明和专利，被尊为“液晶屏幕业界先锋”(LCD Pioneer)。

　　该文章以" Mini-LED, Micro-LED and OLED displays: present status and future perspectives "为题在线发表在 Light: Science & Applications

　　https://doi.org/10.1038/s41377-020-0341-9

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