充分发挥MicroLED显示器的全彩色潜力

话题:
作者:
Anne Corning

随着microLED显示器设备继续从原型转向广泛的商业化,开发人员面临的挑战之一在于如何实现全彩色显示器。对于microLED显示器而言,每个微小的LED(发光二极管)充当其自己的发射器,独立产生光线。这使microLED能够提供车载显示器、头戴式AR/MR(增强现实和混合现实)设备等应用所需的亮度和对比度,然而,在这些应用中,明亮的环境照明(比如:阳光)可能会对所显示的图像产生影响。

制造彩色MicroLED显示器

MicroLED显示器由置于显示器背板(基板 + 电子产品)上的微小(<100微米)LED芯片构成。单色LED芯片通常在晶圆上进行外延生长。因此,制造商可以通过以下三种主要方法来实现全彩色microLED显示器:

  1. 通过将红光、绿光和蓝光(RGB)microLED芯片从晶圆转移并进行键合,将它们集成到背板上
  2. 在单色或双色LED阵列的顶部添加一个色彩转换层(比如:量子点);或者
  3. 直接在同一基板上生长多色microLED

上述方法(1)和方法(2)现在很常见;而到目前为止,实践证明,除了应用于非常小型的显示器外,方法(3)通常更具挑战性。2使用方法(1)时,可以通过巨量转移工艺将RGB microLED组装成矩阵,以实现全彩色显示器。“然而,由于转移良率低、生产速度缓慢且制造成本高,因此巨量转移工艺一直具有挑战性。”3一些开发人员选择了方法(2),在蓝光或紫外光microLED顶部添加一个量子点层来进行色彩转换。

RGB MicroLED Fabrication

全彩色microLED制造方法(1)图示:单色LED晶片外延生长,然后将其分离成小芯片,并转移到矩阵中以创建RGB显示器。(图片:Yole Développement)。

RGB Q-LED microLED fabrication

RGB像素由覆盖有红光和绿光量子点的三个蓝光micro-LED驱动(左)。然后,由带有红光和绿光量子点图案的许多蓝光micro-LED组成的矩阵构成显示器(右)。4 (图片:来源

在这些技术中,任何一种技术都有其潜在的优点和缺点,并且其中一种或多种技术可能成为商业化生产的首选方法。然而,在每种工艺完成后,结果都是一样的:microLED显示器呈现出一定程度的色彩不均匀性,原因在于每个微小LED是独立发光的。

随着显示器制造商们朝着microLED显示器设备的量产迈进,确保显示器亮度和色彩均匀性可能会极具挑战性。他们必须能够测量和量化自发光显示器的每个像素和亚像素元素,以识别缺陷和确保均匀性,以实现消费者期望的质量水平。

Samsung color microLED display non-uniformity

DCP-P3(D65)的目标色域输入信号(上排)与microLED显示器的实际输出(下排)之比较,在下排图片中,显著的垂直图形和块状印记清晰可见。5(图片 © Samsung Research / Samsung Electronics)

基于人类感知量化色彩

1931年,国际照明委员会(CIE)定义了一种标准,用于从人类观察者感知的角度科学地量化色彩的物理属性,从而能够对这些色彩进行精确的数学表示和再现。为了确保具有高度变化性的microLED的测量准确性,需要一种能够识别色彩变化、与人眼具有同等色彩敏感性的测量系统。通过CIE标准的数学公式对人眼的标准光谱敏感性进行量化,以提供色度值作为CIE色彩空间内的坐标。6

CIE graph

CIE 1931色度图中色彩空间的图形表示,包括人眼可见的所有颜色。边缘上的黑色数字表示可见光谱的波长,人眼所感知的颜色表示为这些范围内的坐标点(x和y)。

要在大众市场上取得成功,microLED显示器设备必须能够向消费者提供完美的体验,包括一致的颜色外观。缺陷、色度或亮度变化及其他异常可能会使购买者的满意度迅速降低,损害品牌声誉,并侵蚀市场份额。如果制造商们无法在组件层面解决和纠正这些问题,那么低良率和高生产成本将会阻碍microLED显示器技术进行量产和市场商业化的可行性。

测量MicroLED显示器的色度

高分辨率三色刺激成像色度计系统(比如:ProMetric® I系列成像色度计)提供高效的质量控制解决方案,可支持满足microLED显示器的生产基准。这些系统依靠滤色片方法、标定和亚像素测量功能来确保在像素和亚像素层面采集到准确的数据,从而实现显示器标定,以提高良率并保护制造资源。

color filters tristimulus curve

与CIE匹配的三色刺激滤色轮系统(这里显示在ProMetric® I 系列成像色度计内部),使测量设备能够采集人眼所感知的亮度和色彩。

近期关于显示器测量系统和方法的研究表明,高分辨率三色刺激成像系统与先进复杂的标定、配准和测量算法相结合,可以有效地解决microLED显示器亮度和色彩均匀性挑战,并支持microLED技术在显示器设备大众市场上的可行性。MicroLED-info.com网站上最近发表了一篇文章,标题为“测量和校正MicroLED显示器的均匀性”,其中讨论了这些研究以及确保microLED显示器亮度和色度性能一致性的方法。

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引用文献:

  1. Wu, Y., Ma, J., et al., “Full-Color Realization of Micro-LED Displays”, Nanomaterials, 10(12): 2482, December 2020. DOI: 10.3390/nano10122482
  2. “Micro-LED Introduction”, on MicroLED-info.com, last updated September 22, 2020. (Retrieved 3/18/2021)
  3. Chen, S.H., Huang, Y., et al., “Full color micro-LED display with high color stability using semipolar (20-21) InGaN LEDS and quantum-dot photoresist”, Photonics Research 8(5): 630-636, 2020. DOI: https://doi.org/10.1364/PRJ.388958
  4. Antolini, F., and Orazi, L., “Quantum Dot Synthesis Through Direct Laser Patterning: A Review”, Frontiers in Chemistry, April 17, 2019. DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00252
  5. Kim, K., Lim, T., et al., “High precision color uniformity based on 4D transformation for micro-LED.” Proceedings of SPIE Vol. 11302, February 2020 
  6. Carter, E., Schanda, J., et al., CIE 015:2018 Colorimetry, 4th Edition, 2018. DOI: https://doi.org/10.25039/tr.015.2018 
     

 

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