Micro-LED display的彩色化是一個(gè)重要的研究方向。在當(dāng)今追求彩色化以及其高分辨率高對(duì)比率的嚴(yán)峻趨勢(shì)下，世界上各大公司與研究機(jī)構(gòu)提出多種解決方式并在不斷拓展中，本文將對(duì)主要的幾種Micro-LED彩色化實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行討論，包括RGB三色LED法、UV/藍(lán)光LED+發(fā)光介質(zhì)法、光學(xué)透鏡合成法。

  一、 RGB三色LED法 

RGB-LED全彩顯示顯示原理主要是基于三原色（紅、綠、藍(lán)）調(diào)色基本原理。眾所周知，RGB三原色經(jīng)過(guò)一定的配比可以合成自然界中絕大部分色彩。同理，對(duì)紅色-、綠色-、藍(lán)色-LED，施以不同的電流即可控制其亮度值，從而實(shí)現(xiàn)三原色的組合，達(dá)到全彩色顯示的效果，這是目前LED大屏幕所普遍采用的方法[1]。

在RGB彩色化顯示方法中，每個(gè)像素都包含三個(gè)RGB三色LED。一般采用鍵合或者倒裝的方式將三色LED的P和N電極與電路基板連接，具體布局與連接方式如圖1所示[2]。

之后，使用專用LED全彩驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)每個(gè)LED進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流驅(qū)動(dòng)，PWM電流驅(qū)動(dòng)方式可以通過(guò)設(shè)置電流有效周期和占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光。例如一個(gè)8位PWM全彩LED驅(qū)動(dòng)芯片，可以實(shí)現(xiàn)單色LED的28=256種調(diào)光效果，那么對(duì)于一個(gè)含有三色LED的像素理論上可以實(shí)現(xiàn)256*256*256=16,777,216種調(diào)光效果，即16,777,216種顏色顯示。具體的全彩化顯示的驅(qū)動(dòng)原理如圖2所示[2]。

但是事實(shí)上由于驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)際輸出電流會(huì)和理論電流有誤差，單個(gè)像素中的每個(gè)LED都有一定的半波寬(半峰寬越窄，LED的顯色性越好)和光衰現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生LED像素全彩顯示的偏差問(wèn)題。

▲ 圖1 RGB全彩色顯示的單像素布局示意圖

▲ 圖2 RGB全彩色顯示驅(qū)動(dòng)原理示意圖

  二、 UV/藍(lán)光LED+發(fā)光介質(zhì)法 

UV LED（紫外LED）或藍(lán)光LED+發(fā)光介質(zhì)的方法可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 則需激發(fā)紅綠藍(lán)三色發(fā)光介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)RGB三色配比; 如使用藍(lán)光micro-LED則需要再搭配紅色和綠色發(fā)光介質(zhì)即可，以此類推。該項(xiàng)技術(shù)在2009年由香港科技大學(xué)劉紀(jì)美教授與劉召軍教授申請(qǐng)專利并已獲得授權(quán)（專利號(hào)：US 13/466,660, US 14/098,103）。

發(fā)光介質(zhì)一般可分為熒光粉與量子點(diǎn)（QD: Quantum Dots）。納米材料熒光粉可在藍(lán)光或紫外光LED的激發(fā)下發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，光色由熒光粉材料決定且簡(jiǎn)單易用，這使得熒光粉涂覆方法廣泛應(yīng)用于LED照明，并可作為一種傳統(tǒng)的micro-LED彩色化方法。

熒光粉涂覆一般在micro-LED與驅(qū)動(dòng)電路集成之后，再通過(guò)旋涂或點(diǎn)膠的方法涂覆于樣品表面。圖3則是一種熒光粉涂覆方法的應(yīng)用，其中（a）圖顯示一個(gè)像素單元中包含紅綠藍(lán)4個(gè)子像素，圖（b）則顯示了micro-LED點(diǎn)亮后的彩色效果[3]。

該方式直觀易懂卻存在不足之處，其一熒光粉涂層將會(huì)吸收部分能量，降低了轉(zhuǎn)化率；其二則是熒光粉顆粒的尺寸較大，約為1-10微米，隨著micro-LED 像素尺寸不斷減小，熒光粉涂覆變的愈加不均勻且影響顯示質(zhì)量。而這讓量子點(diǎn)技術(shù)有了大放異彩的機(jī)會(huì)。

（a）                                 （b）

▲ 圖3  熒光粉彩色化micro-LED的像素設(shè)計(jì)及顯示效果

量子點(diǎn)，又可稱為納米晶，是一種由II－VI族或III－V族元素組成的納米顆粒。量子點(diǎn)的粒徑一般介于1～10nm之間，可適用于更小尺寸的micro-display。量子點(diǎn)也具有電致發(fā)光與光致放光的效果，受激后可以發(fā)射熒光，發(fā)光顏色由材料和尺寸決定，因此可通過(guò)調(diào)控量子點(diǎn)粒徑大小來(lái)改變其不同發(fā)光的波長(zhǎng)。

當(dāng)量子點(diǎn)粒徑越小，發(fā)光顏色越偏藍(lán)色；當(dāng)量子點(diǎn)越大，發(fā)光顏色越偏紅色。量子點(diǎn)的化學(xué)成分多樣，發(fā)光顏色可以覆蓋從藍(lán)光到紅光的整個(gè)可見(jiàn)區(qū)。而且具有高能力的吸光-發(fā)光效率、很窄的半高寬、寬吸收頻譜等特性，因此擁有很高的色彩純度與飽和度。且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，薄型化，可卷曲，非常適用于micro-display的應(yīng)用[4]。

目前常采用旋轉(zhuǎn)涂布、霧狀噴涂技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)量子點(diǎn)技術(shù)，即使用噴霧器和氣流控制來(lái)噴涂出均勻且尺寸可控的量子點(diǎn)，裝置與原理示意圖如圖4所示[5]。將其涂覆在UV/藍(lán)光LED上，使其受激發(fā)出RGB三色光，再通過(guò)色彩配比實(shí)現(xiàn)全彩色化，如圖5所示[5]。

但是上述技術(shù)存在的主要問(wèn)題為各顏色均勻性與各顏色之間的相互影響，所以解決紅綠藍(lán)三色分離與各色均勻性成為量子點(diǎn)發(fā)光二極管運(yùn)用于微顯示器的重要難題之一。

此外，當(dāng)前量子點(diǎn)技術(shù)還不夠成熟，還存在著材料穩(wěn)定性不好、對(duì)散熱要求高、且需要密封、壽命短等缺點(diǎn)。這極大了限制了其應(yīng)用范圍，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和成熟，我們期待量子點(diǎn)將有機(jī)會(huì)扮演更重要的角色。

▲ 圖4 (a)高精度霧化噴涂系統(tǒng)(Aerosol jet technology)及其(b)原理圖。

▲ 圖5 利用高精度噴涂技術(shù)制作紅、綠、藍(lán)三原色陣列示意圖

  三、 光學(xué)透鏡合成法 

透鏡光學(xué)合成法是指通過(guò)光學(xué)棱鏡（Trichroic Prism）將RGB三色micro-LED合成全彩色顯示。具體方法是是將三個(gè)紅、綠、藍(lán)三色的micro-LED陣列分別封裝在三塊封裝板上，并連接一塊控制板與一個(gè)三色棱鏡。

之后可通過(guò)驅(qū)動(dòng)面板來(lái)傳輸圖片信號(hào)，調(diào)整三色micro-LED陣列的亮度以實(shí)現(xiàn)彩色化，并加上光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)微投影。整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)物圖與原理圖如圖6所示，顯示效果如圖7所示[6]。

▲圖6棱鏡光學(xué)合成法的a), b) 實(shí)物圖，c) 原理示意圖

▲ 圖7棱鏡光學(xué)合成法的顯示效果

作者：
劉召軍 彭燈 張珂 （中山大學(xué)）
郭浩中 佘慶威 （臺(tái)灣交通大學(xué)）

參考文獻(xiàn)：
[1]    W. C. Chong, et al, SID 13 Digest, 44(1):838-841.
[2]    D. Peng, et al, IEEE J. Display Technol., Vol. 12, Issue 7, pp. 742-746, 2016.
[3]    Z. J. Liu, et al, SID 11 Digest, 42(1): 1215-1218.
[4]    K, J. Chen, et al, SPIE Opto, 2013, 8641(1):115-125.
[5]    H. V. Han, H. C. Kuo, et. al, OSA, 23(25):32504-32515, 2015.
[6]    Z. J. Liu, W. C. Chong, et al, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.25, no.23, 2013.



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