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    一文講透LCD、OLED、QLED、microLED

    發布時間:2021-02-02

    過去的大顯示屏技術,LCD液晶顯示器才開始取代傳統CRT、等離子和采用投影技術的設備而逐漸占主導地位。當時OLED也已經興起,卻因一些技術上的不足而受到限制,通常用于可穿戴設備、智能手機和其他小型和(或)“一次性”電子設備中。

    接下來的十年,從某種意義上來說技術的發展是完全可以預見的。屏幕越做越大,像素密度(即給定屏幕尺寸的分辨率)也越做越高。

    LCD

    LCD ( Liquid Crystal Display 的簡稱)液晶顯示器。LCD 的構造是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒,下基板玻璃上設置TFT(薄膜晶體管),上基板玻璃上設置彩色濾光片,通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉動方向,從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的。

    LCD已經替代CRT成為主流,價格也已經下降了很多,并已充分普及。

    LCD技術的基本優勢在于它長壽,或者說在于它成熟,因為它已經蓬勃發展了幾十年(也可以說超過一個世紀,看從什么時候開始算)。我從2010年的文章中拷了幾張圖和一些文字來簡單回顧一下LCD技術。


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    圖1:傳統的LCD像素結構很容易理解,但是這種結構發生極小的變化都會使結果產生很大的差異。向眼睛提供色彩最常見的方法是RGB子像素三元組,也有許多其他方法,例如左圖中的PenTile排列。

    通常,兩個平行偏振片的偏振方向垂直,這阻擋了光的傳輸,從而產生可感知的黑色像素陣列。但ITO(氧化銦錫)可提供足夠強的電場來改變中間液晶的調制特性,并轉化為不同強度的透光率。

    有源矩陣LCD使用TFT(薄膜晶體管)矩陣技術,每個像素至少分配有一個晶體管,以實現精確的列線到像素的相關性。顯示控制器激活行線之后,將驅動列線上相關像素的電壓。利用目前使用較多的扭曲向列型(TN)LCD,隨著所施加的電壓不斷變化,液晶元件發生不同程度的扭曲,與偏光鏡相互作用后可通過不同量的光。精確的電場控制與刷新模式調制技術相結合,可以生成任意值的每像素灰度。平面轉換(IPS)LCD的出現滿足了顯示器用戶對改善視角、更深的黑色及其他增強功能的要求。IPS LCD水平對齊液晶單元,并通過晶體端部對每個像素施加電場,每像素需要兩個晶體管,這使得IPS技術比TN技術更加昂貴。

    不斷變化的扭曲和刷新調制技術使LCD能夠動態校準每個像素的亮度,從而在范圍極值之間產生純黑、純白和灰色陰影。子像素是LCD從白色背光源中產生顏色的關鍵。例如,傳統VGA(視頻圖形陣列)分辨率面板307,200個像素中的每一個都包含三個近距離子像素,每個子像素具有相關聯的紅色、藍色或綠色濾光鏡,只有可見光譜部分才能通過。對子像素的選擇性控制產生了純色像素的錯覺,抖動進一步欺騙眼睛和大腦,從而擴大了感知色調。

    OLED

    OLED 在手機OLED上屬于新型產品,被稱譽為“夢幻顯示器”。

    OLED屬于一種電流型的有機發光器件,是通過載流子的注入和復合而致發光的現象,發光強度與注入的電流成正比。OLED在電場的作用下,陽極產生的空穴和陰極產生的電子就會發生移動,分別向空穴傳輸層和電子傳輸層注入,遷移到發光層。當二者在發光層相遇時,產生能量激子,從而激發發光分子最終產生可見光。

    有機發光二極管(OrganicLight-Emitting Diode,OLED),又稱為有機電激光顯示、有機發光半導體(OrganicElectroluminesence Display,OLED),是指有機半導體材料和發光材料在電場驅動下,通過載流子注入和復合導致發光的現象。 

    一般而言,OLED可按發光材料分為兩種:小分子OLED和高分子OLED(也可稱為PLED)。 

    從器件結構上進行分類

    OLED,是一種有機電致發光器件,由比較特殊的有機材料構成的,按照其結構的不同可以將其劃分為四種類型,即單層器件、雙層器件、三層器件以及多層器件。

    從驅動方式上進行分類

    OLED按照驅動方式來劃分,一般分為兩種,一種是主動式,一種是被動式。主動式的一般為有源驅動,被動式的為無源驅動。在實際的應用過程中,有源驅動主要是用于高分辨率的產品,而無源驅動主要應用在顯示器尺寸比較小的顯示器中。

    從材料上進行分類

    構成OLED的材料主要是有機物,可根據有機物的種類劃分,一種為小分子,另一種是高分子。這兩種器件的主要差別在制作工藝上,小分子器件主要采用的是真空熱蒸發工藝,高分子器件采用的是旋轉涂覆或者是噴涂印刷工藝。

    OLED是一種利用多層有機薄膜結構產生電致發光的器件,它很容易制作,而且只需要低的驅動電壓,這些主要的特征使得OLED在滿足平面顯示器的應用上顯得非常突出。OLED顯示屏比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、響應快、清晰度高、柔性好、發光效率高,能滿足消費者對顯示技術的新需求。全球越來越多的顯示器廠家紛紛投入研發,大大的推動了OLED的產業化進程。

    OLED顯示技術與傳統的LCD顯示方式不同,無需背光燈,采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板(或柔性有機基板),當有電流通過時,這些有機材料就會發光。而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄,可視角度更大,并且能夠顯著的節省耗電量。

    三星是“LED電視”這一營銷用語濫用的“罪魁禍首”,恕我直言,我猜這可能是因為三星想要模糊其LCD和OLED顯示器的區別。彼時其主要競爭對手LG剛開始加大OLED的促銷力度(三星在2010年推出Galaxy S系列,成為首批采用OLED的智能手機制造商之一)。實際上,這兩種技術是完全不同的,OLED具有自發光特性(用一個更文雅的術語就是“發射性電致發光”),顯示屏根本不需要單獨的背光。


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    圖2:LG在CES上展示了一系列弧形OLED顯示屏。(圖片來源:David Benjamin)

    您可能認為OLED沒有背光所以功耗會比LCD同類產品更低,嗯,您是對的……只不過是有時候。再次引用我2010年關于OLED報道,“當以黑色顯示為主時它們提供了極佳的功耗;但當以淺色顯示為主時,例如常見的在淺色或白色背景上顯示深色文本,它們的電池消耗可能會顯著高于LCD/背光組合?!边@也解釋了為什么Android、Chrome OS、iOS及相關應用程序多采用“暗”顯示模式。

    QLED

    QLED是Quantum Dot Light Emitting Diodes的縮寫,是將量子點(量子點(Quantum Dots)是一些肉眼無法看到的、極其微小的半導體納米晶體,是一種粒徑不足10納米的顆粒)制作成量子點薄層,并將該層置入于液晶顯示器(LCD)的背光模組(BLU,Backlight Unit)中以期相較于未使用量子點薄層的液晶顯示器更能降低背光亮度落失及RBG彩色濾光片(Color filter)的色彩串擾(Cross talk),進而得到更佳的背光利用率及提升顯示色域空間(Color gamut)的優點,而此種方式的應用也同樣使用于擁有彩色濾光片設計的白光,藍光或紫外光(UV)的有機發光二極管(OLED)顯示器或電視設備。

    幾年前,三星在CES上展示了基于QLED的原型,現在它已有多種型號投入生產。由于相似的命名,你可能很自然地認為“QLED”是“OLED”的變體,事實上這兩種技術是完全不同的。首先,QLED不會自發光,它像LCD一樣,需要補充背光(因此名稱中包含“LED”)。但是,它用稱之為“量子點”的結構代替了LCD的液晶矩陣(因此名稱中有表示量子點的“Q”)。引用維基百科的解釋:

    量子點(QD)是尺寸只有幾納米的微小半導體粒子,具有與較大的LED粒子不同的光學和電子特性,是納米技術的核心主題。很多類型的量子點在被電或光激發時會發光,其頻率可以通過改變量子點的大小、形狀和材料來精確調整,從而實現多種應用。


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    量子點的特性介于體半導體(bulk semiconductor)和離散原子或分子之間。它們的光電特性隨尺寸和形狀而變化。直徑為5~6nm的較大QD發射較長波長的光,產生橙色或紅色等顏色;較小的QD(2~3nm)發射較短波長的光,產生藍色和綠色等顏色,具體的顏色和尺寸根據QD的不同組成而變化。

    microLED

    Micro LED是新一代顯示技術,比現有的OLED技術亮度更高、發光效率更好、但功耗更低。2017年5月,蘋果已經開始新一代顯示技術的開發。2018年2月,三星在CES 2018上推出了Micro LED電視。

    資料顯示,microLED比現有的OLED技術亮度更高發光效率更好、但功耗更低 。

    “microLED”聽起來不像“QLED”,更不像“OLED”,但從概念上講它實際上更接近三星的這兩種技術。三星曾推出一款146英寸的microLED大顯示屏,這絕對可以稱之為“The Wall(墻顯示屏)”,今年又新推出了更合消費者胃口(雖然很勉強)的75英寸型號(當然,隨后還會有更大的219英寸型號)。下面是我在三星新聞稿中發現的最有趣的敘述:

    由于Micro LED具有模塊化特性,該技術可提供屏幕尺寸的靈活性,使用戶可以定制屏幕尺寸以適應任何房間或空間。通過添加Micro LED模塊,用戶可以將顯示屏擴展到他們想要的任何尺寸。Micro LED的模塊化功能未來還允許用戶創建9×3、1×7或5×1等不規則尺寸的終極顯示屏,以滿足其空間、美學和功能需求。

    Micro LED顯示技術是將LED結構設計薄膜化、微小化與陣列化,尺寸僅約1~100μm等級,但精準度可達傳統LED的1萬倍。此外,Micro LED在顯示特性上與OLED類似,無需背光源且能自發光,唯一區別是OLED為有機材料自發光。目前OLED受各大廠商青睞,是因為在反應時間、視角、可撓性、顯色性與能耗等方面均優于TFT-LCD,但Micro LED更容易準確調校色彩,且有更長發光壽命和更高亮度,有望繼OLED之后,成為另一項推動顯示品質的技術。

    在發光效率上,Micro LED需要將襯底移除,留下3~5μm的薄膜磊晶,光線直接射出,出光效果優于其他顯示技術。此外,Micro LED采用半導體微細加工技術,可將芯片尺寸控制在微米級別和高畫質,如果巨量轉移技術進一步突破,Micro LED在畫質上能夠實現高ppi,若應用在手機和穿戴裝置等中小尺寸顯示螢幕上,優勢將十分明顯。




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    無論屏幕的大小和形狀如何,三星的Micro LED技術還可以優化內容。即使多添加幾個模塊,三星的Micro LED顯示屏也可以進行縮放以提高分辨率,同時保持像素密度不變。此外,Micro LED可以支持從標準的16:9到21:9的寬屏幕電影,甚至支持非常規長寬比(如32:9,甚至1:1)的所有內容,而圖像質量不打任何折扣。

    最后,Micro LED顯示屏不帶擋板,即使添加更多的模塊,模塊之間也沒有邊框。這種無縫技術可以實現令人驚嘆的無邊泳池的效果,使Micro LED顯示屏可以優雅地融入任何生活環境。

    那么,microLED到底是什么?這次我可以說它與OLED一樣,具有一個自發光結構(無背光)。然而,它本質上是無機的(還沒有想到嗎?“OLED”中的“O”表示“有機”)。下面是來自維基百科的解釋:

    microLED顯示器由形成各個像素元件的微縮LED陣列組成。與廣泛使用的LCD技術相比,microLED顯示器具有更好的對比度、響應時間和能效……與傳統LCD系統相比,OLED和microLED都能大大降低能耗。與OLED不同,microLED基于傳統的GaN LED技術,提供比OLED產品高達30倍的總亮度,以及更高效的效率(以lux/W衡量)。

    此外低功耗也是Micro LED一大優勢?,F有的顯示螢幕耗電量大,續航問題是手機產業的痛點,而無需背光模組的Micro LED既能解決痛點,又能滿足產業對高顯示效果和產品性能的追求。

    最后,超高亮度和奈秒級反應速度是Micro LED最大特性。在戶外太陽光直射下,顯示亮度至少需2,000 nits以上,但傳統的LCD技術由于出光效率極低,因此顯示效果較不理想;相較之下,Micro LED可輕松達到10,000 nits以上。在對比度方面,Micro LED每個畫素是由若干個微型LED構成,理論上對比度可達到無窮極。至于反應速度,則是LCD的10倍。

    然而,目前Micro LED仍面臨層層技術瓶頸,包括磊晶與芯片、轉移、全彩化、電源驅動、背板及檢測與修復技術六大面向。過去普遍認為最大瓶頸是轉移技術,但隨著各種轉移方案陸續問世,如Pick & Place轉移、流體組裝、雷射轉印,以及滾輪轉印等,可預期未來還會有更具成本競爭力的技術方案出現,將有機會加速Micro LED的開發進程。


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