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Micro LED微显示发展的成果与影响

来源:投影时代 更新日期:2024-04-16 作者:花开无期

    作为micro LED显示应用的一个重要分支,微型micro LED显示器件的发展,正在快车道上。这一技术如果成功,将显著改变车载HUD、投影娱乐大屏、AR/VR头戴显示设备的未来竞争路径。

    选择不同彩色化架构的micro LED微显示方案

    Micro LED实现微显示视频应用,有多种彩色化方案。例如,单色micro LED面板芯片+彩色转化层技术。其中彩色转化层主要采用QD量子点材料。再例如,三片式 micro LED显示体系,即三个面板芯片分别处理三原色。此外还有单片彩色方案,即将RGB三原色LED晶体集成到单一基板上。

micro LED微显示发展的成果与影响

    除了以上三种彩色化方案之中,部分AR应用中,并不需要完全彩色化。部分设备采用单色显示方案,实现混和现实信息融合功能,完全能满足基本几何图形、数据信息融合,乃至于夜视、夜战信息融合需求。不过,从主流方向看,攻克高效能彩色化依然是micro LED微显示的主要方向。

    这方面的新产品例如,上海显耀显示科技Jade Bird Display(以下简称“JBD”)的“蜂鸟”X-cube合色光引擎,已经于2023年5月量产,并在年底达到12.5lm/cc的超高单位体积下的流明效率,搭配优质光波导可实现 1800 尼特的入眼亮度。其体积只有0.4cc;重量为 1.0g,为全球最轻AR投影光引擎。该产品方案即采用三片式彩色化技术。

    近日,媒体报道,我国台湾企业錼创已成功量产0.49英寸全高清(FHD)分辨率的Micro LED微显示器,主要用于AR眼镜之中。这款微显示器亮度超过25万尼特,色域超过100%,是目前AR应用市场中亮度最高的全彩微显示器。相比JBD的三片方案,每个micro LED面板芯品0.13英寸,彩色化单一面板方案的錼创,面板芯片尺寸为0.49英寸。

    由此可见,选择不同彩色化方案,对面板芯片的最小尺寸会有显著影响。同时,在单一面板芯片上只集成单一颜色LED,亦有制造工艺优势。但是,三片式彩色化和单片式彩色技术,谁能最终胜出,还取决于最终的产品终端体积控制水平。——无论AR还是VR都是越轻越好。

    亮度水平,考验产品可用性的第一道门槛

    除了彩色化方案不同之外,亮度水平是不同micro LED微显示方案竞争的焦点。——从AR应用到VR、HUD、再到投影机,对micro LED微显示面板芯片的亮度需求不断提高。而且每跨越一个产品,都是一次数量级的提升。

    目前,JBD实现了micro LED微显示蓝光100万尼特,绿光500万尼特亮度、红光100万尼特亮度的记录性指标。这些指标看着很高,但是尼特是按照平米面积衡量的,具体落到0.13英寸的微面板芯片上,相当于红绿蓝三色光引擎5流明输出量。在AR上的入眼效果相当于1800尼特(即按每平米画面衡量)。

    2023年6月,美国微型显示器厂商Kopin宣布,其开发出超高亮度、分辨率为2K x 2K的单色 Micro LED微显示器。亮度高达300万nits的Micro LED微显示器。不过芯片尺寸为1英寸,严重限制了入眼亮度的有效率。据悉入眼亮度为1150nits。

    由此可见,AR应用,以及VR应用需要的不仅是高亮度、还有更小的体积——体积小不仅意味着头戴设备更轻,也意味着光波导设计时,亮度有效利用率更高。

    不过在HUD和投影应用中,因为设备体积敏感性下降,在英寸级别上的微面板芯片不会影响到光学系统的设计效率——业内普遍认为,应用于HUD和投影时,micro LED微显示可以适当放大产品面板面积。例如三片式的0.5英寸面板。更大的基板面积对于驱动设计、高电流承载、热功耗承载、更大尺度的LED晶体都更为友好。利于实现高亮度产品的市场化应用。

JBD MicroLED 0.31 微显示屏像素尺寸5 μm,用于AR眼镜、HUD抬头显示、嵌入式投影及光场显示等领域

    目前,AR作为micro LED微显示的首个主攻目标市场,普遍需要单片彩色化0.5英寸以下尺寸、三片彩色化0.2英寸以下的产品尺寸。这是限制产品最终亮度通量流明(非尼特单位标准)的重要原因。例如,2023年,我国台湾鸿海科技集团携手富采旗下晶成半导体共同开发出一款新型0.12寸微显示器,像素密度超过6,500PPI、蓝光亮度达20万nits的MicroLED样品。——小体积、高像素密度,适应于AR应用,但也影响亮度水平。

    分辨率提升,不同应用需求不同

    为什么micro LED微显示选择AR作为主要突破口呢?一方面,是因为AR上没有其它微显示应用能像MICRO LED这样小型化。例如,LCOS和DLP都需要额外光源,会增大体积,且电光效率更低;micro OLED在VR上很成功,但对于AR而言像素密度不够,分辨率受限制。

    Micro LED在AR上最大的优势就是体积。上文提到鸿海和富采研制的6500ppi样品就是例子。其它微显示很难达到这样的像素密度,并可能需要额外光源。

    但是,即便是6500PPI、4微米像素,如果是在AR上体验全高清视频,那还是“捉襟见肘”的。好消息是,AR作为辅助性的混合显示工具,更侧重于透视现实时叠加数字信息,对分辨率需求相对较低——AR可以容忍更低分辨率,与micro LED高光效、高亮度、高分辨率结合,形成的微型化的体积优势。

micro LED微显示发展的成果与影响

    对于VR或者HUD、投影机应用,micro LED微显示面临竞争技术产品的更多挑战,乃至于是高度成熟的传统技术的挑战。不过,后三者需要的高分辨率依然不是micro LED主要的瓶颈。——在VR、HUD和投影机上,micro LED微显示的瓶颈是亮度和成本。Micro LED目前的4微米像素,与DLP的5.4微米、LCOS的3.X微米是相似的水平。Micro LED像素密度已达到micro OLED通常的3000-4000PPI的现有应用水平(例如,苹果Vision Pro搭载两块由索尼提供1.42英寸Micro OLED屏幕,像素超过 2300 万,像素密度为 3386ppi)。

    不过,在VR上micro LED可以凭借的不仅是高像素密度,还有高亮度,二者结合实现更小的芯片体积。这对于未来减轻产品重量、降低芯片成本是很重要的。这方面MICRO OLED似乎理论像素密度更高,如10000PPI,但是亮度却落后于micro LED。这也是业内依然看好micro LED最终赢得AR并进入VR市场的原因。在HUD和投影机上,micro LED可能具有相当于DLP或者LCOS的最终芯片成本(因为毕竟三者都是硅基电路上的复杂功能集成产品,且像素密度目前处于同等水平),但整机设计不需要额外光源——进而整机成本更低。

    电光效率和节能,Micro LED的突破方向

    如果HUD或者投影机用micro LED微显示面板芯片,那就不需要光源组件了。即便投影等的光源也采用LED或者激光等高效光源,但是因为micro LED微显示不需要成像时的分光、分时或者偏振处理,其同等成像亮度下能耗也至少会下降60%以上。

    另一方面,micro LED微显示究竟能够做到多高亮度,始终是行业研发的主要方向。如,高效散热设计等有利于提高系统承载功率,实现高发光亮度。再例如,micro LED克服更多的技术瓶颈,将更多电能转化成目标频率的光而不是热,则更直接提升亮度、降低热功率水平。后者也是micro LED微显示,在巨量集成工艺之外,另一个核心探索方向所在。

    目前,硒化镉、钙钛矿等量子点的光致发光效率已超过85%,高于传统稀土荧光粉材料,然而封装制成LED器件的发光效率普遍在100-200Lm/W。这方面在材料配方、量子效率、出光提取率、出光角度等方面,都有进步空间。特别是解决红色micro LED在5纳米以下量子性能下降问题,是行业重点瓶颈。

    2023年有媒体报道,韩国光子技术研究院(KOPTI)宣布成功研发出高效Micro LED产品,其内部量子效率均可保持90%的范围内,并且不受芯片尺寸大小和不同的注入电流密度的影响。——这方面,2020年后行业进步非常显著,微型micro LED大约有4倍的亮度水平提升。这意味micro LED微显示实用化打下了基础。

    当然,从需要亮度最高的micro LED潜在场景,投影显示看,micro LED微显示还需要持续进步。投影机消费主流产品亮度为1000-3000流明。这相当于0.5英寸三片式彩色化的micro LED的微显示芯片面板拥有千万尼特的亮度。这与目前的行业积累还有一个数量级的差距。即micro LED微显示全面拓展应用范畴,除了巨量转移制造工艺之外,提升亮度,以及电光效率依然很重要。

    综上所述,micro LED微显示的技术进步非常快,但是其距离满足多种样式的终端产品大规模成熟应用,还具有工艺成品率、亮度核心性能、成本等众多考验和瓶颈。作为目前各种微显示面板芯片中“最后一个出现的技术选择”,micro LED修成正果还需要更多时间积累。

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