Micro LED顯示面板的光學性能研究

本文榮獲“第十八屆全國LED產業發展與技術研討會(2023'LED）暨2023全國LED顯示應用技術交流及產業發展研討會"論文評選一等獎。

摘要：

Micro LED顯示面板包含PCB板、LED芯片、封裝膠膜、驅動IC等，Micro LED COB顯示屏的光學性能關鍵指標：亮度、對比度、色域、灰階、刷新率、可視角等。本文通過研究COB單元板光學性能的設計影響因素，為COB單元板的光學性能設計提供參考。

一、引言

Micro LED顯示技術具有自發光、高對比度、寬色域、長壽命、低響應時間、尺寸可無限擴展，超高像素密度等優勢。從圖1中與其它顯示技術的結構對比可以看出，Micro LED顯示器結構簡單，有效降低了光在顯示器內部的損失，減小了顯示器的厚度，更加便于顯示屏的集成。

圖1、Micro-LED顯示器的結構示意圖

相比于其他的自發光技術，從表現出的性能看Micro LED顯示具有如下顯著優勢：

1）顯示圖像畫質高：Micro LED顯示屏沒有光阻和濾光片的限制，亮度可以輕松達到2000-4000cd/m2，可以實現超高對比度和高品質的HDR顯示效果。

2）能量利用效率高：由于Micro LED是自發光顯示技術，沒有透過率的限制。

3）使用壽命長：Micro LED顯示技術使用無機物半導體作為發光材料，性能穩定，材料壽命長。

表1、Micro LED、OLED、QLED、LCD顯示技術主要特能對比

本文通過研究COB單元板光學性能的設計影響因素，為COB單元板的光學性能設計提供參考。

二、Micro LED 顯示面板的光學性能與物料設計的關系

圖2、Micro LED 顯示面板的主要材料組成示意圖

Micro LED顯示面板由正面的發光面和背面的驅動面組成，分別包括：PCB板、LED芯片、封裝膠、驅動IC等， COB封裝的Micro LED面板光學性能的關鍵指標：亮度、對比度、色域、灰階、刷新率、可視角等。

下表我們分別對光學性能的影響進行分析：

表2、光學指標與主要物料設計關系圖

從物料的重要性程度來看依次是：LED晶片、驅動IC、封裝膠、表面處理材料。從設計的角度來看依次是：亮度、對比度、可視角、色域、灰階、刷新率。當然光學性能指標與成本、可靠性、良品率等存在關系。

三、Micro LED 顯示面板的光學性能研究

3.1、封裝膠對顯示面板的光學性能影響

根據光在介質傳輸過程中的透射和反射原理以及顯示面板光學模型設計，封裝膠的光學設計會對出光率、色坐標（色溫）、可視角、散熱溫升、對比度產生影響。例如:封膠材料厚度對光學影響大，膠越厚則越會明顯降低發光亮度和色溫，紅光芯片本身發光角度比藍綠光芯片小，再加上芯片表面封膠后經過一系列的折反射，紅光折射率比藍綠光小，藍綠光出光視角進一步放大，導致色溫偏差等。

由于LED芯片制程工藝的影響N極位置臺階偏低，發光反應層將被蝕刻掉。在出光方面展現為如圖1所示的R光型左方向角度強度稍強于右方向，而GB右方向角度強度高于左方向。

圖3、Mini-LED RGB裸晶芯片長邊方向光型分布圖

（單位：°）

為解決LED的出光問題，需通過對封裝膠進行光學設計以達到最佳的出光效果。其中折射率是 LED 封裝材料最重要的性能指標之一。LED 芯片與封裝材料的折射率對器件的發光效率有著至關重要的影響。如果封裝材料的折射率較低，則其與芯片之間的臨界角θc 就會偏小，損失較高的光通量并產生大量熱量，造成器件溫度過高。臨界角θc 的計算公式可通過 Lorentz-Lorenz 方程計算，如式 1所示

GaN 芯片的折射率為 2.45，藍寶石界面的折射率為1.768。相對的空氣折射率約為1。LED 芯片與封裝材料間的折射率差異越大，則臨界角θc 越小，越容易發生全反射，使光線反射回芯片，增大光損失，降低器件的發光效率。因此，優質的封裝材料必然要有較高的折射率。

折射率主要受材料分子量與分子結構及固有摩爾折射率的影響，這符合Lorentz-Lorenz 關系式，如式 2，3 所示

由上述式子可以看出，物質的折射率與摩爾體積成反比關系，與摩爾折射率成正比關系，而摩爾折射率又與介質極化率成正比關系。所以可以直接在基體中填充高折射率的無機納米粒子，如氧化鋅、氧化鈦，氧化鋯等，或者向分子中引入電子極化率與摩爾體積比值大的原子或基團，如芳香族環、重金屬離子、硫、砜基、除氟以外的鹵素等來提高材料的折射率[2]。

LED 的封裝方式是影響 LED 光輸出效率的另一重要因素。封裝的過程中為了得到高折射率的封裝層，減少光源經過各界面的損失增加光輸出效率，因此在封裝層中盡可能提升其納米粒子的含量。但是，納米粒子含量的增加勢必會造成光散射的增加，體系固化膜的光透率下降。因此，如何在提升封裝層折射率的基礎上使光損耗降低成為一個重要的研究點。

LED 的單層封裝在一定程度上減小了光自芯片達到空氣中的損耗，但是單層封裝中存在阻隔性差，材料耐老化性相對較差等問題，再加上具備一定厚度的封裝層材料具有吸光現象，導致 LED 封裝產品的發光效率不高。研究中也提出了多種封裝方式優化 LED 的封裝方式，例如優化 LED 芯片表面的設計，在 LED 封裝膠上采用半球封裝設計，改進封裝材料，優化 LED 襯底圖案設計等等。

圖4、不同封裝結構的光路示意圖

(a)傳統封裝 (b)微結構封裝

封裝膠的微結構表面與平面相比能夠增加光的提取效率，其原因在于表面微結構可以降低封裝層和空氣之間界面上全反射現象的發生。圖4中顯示了在不同情況下光的傳播路徑，封裝層和空氣之間的界面上發生全反射的臨界角為38°~ 45°。與表面平整的封裝膠面不同的是，對于周期性的微結構表面，由于界面處的全反射現象被破壞，光線幾乎可以以任意角度向外發射，因此它的光提取效率要比前者高得多。而表面平整的封裝膠面層，有一部分光未透過界面，降低了光提取效率，也轉化為熱能。

3.2、表面處理工藝對顯示面板的光學性能影響

封裝膠的外表面墨色、黑度、一致性、以及對外界環境光的反射率，對顯示面板的顯示對比度、外觀墨色一致性有著重要影響，而外封膠的表面墨色不僅由外封膠中添加的黑色素與封膠模具的表面光學處理方式決定，也由PCB的底色以及LED晶粒占發光像素的PCB焊盤面積比例大小等有關系，為了改善表面墨色也可以增加處理工藝，比如：噴涂、沾貼光學膜材等方式。

圖5、表面處理前（左圖）和表面處理后（右圖）

3.2.1、評估方案

表3、不同評估方案信息表

圖6a、A方案光澤度變化曲線圖

圖6b、B方案光澤度變化曲線圖

圖6c、C方案和D方案的光澤度數據對比

圖6d、C方案和D方案的光澤度數據對比

圖6、不同表面處理方案的數據對比

經過不同表面處理的方案對比，減小表面處理材料對屏體亮度損失的前提下，封裝膠的外表面墨色、黑度、一致性等材料特性對屏體整體效果有良好促進作用。

3.3、刷新頻率和換幀頻率影響分析

顯示面板發光面的LED陣列由驅動面的IC來控制，利用人眼的視覺惰性，驅動IC給LED陣列做周期性的通斷來控制其發光及發光強度，從而實現灰度級顯示及通過RGB三色的各級灰度組成全彩色，也就是通常所說的PWM脈沖寬度調制方式，所以驅動IC的特性對光學性能、控制成本、功耗等都是非常關鍵的。從光學性能的性點分析影響，主要是：低灰時的高刷新率、高一致性、高掃高灰等。

3.3.1 刷新頻率

刷新頻率，在LED顯示中又叫視覺刷新頻率，是指同一幀圖像重復顯示的次數，因為LED驅動發光的調節是通過PWM的方式，也就是重復點亮的方式（改變點亮與熄燈的時間比來調節亮度），因此涉及到重復顯示一幀畫面變化快慢的問題，這個快慢直接影響顯示效果及攝影效果，視覺刷新頻率越高，畫面越穩定，閃爍感越小。像高清攝影，都是采用每秒1000HZ以上的高速攝影機進行，較低的視覺刷新率拍攝時就會產生的黑色掃描線。

LED顯示視覺刷新頻率主要是由恒流驅動IC決定，隨著低灰高刷新技術的出現，LED顯示屏視覺刷新率主要由IC驅動的幾個參數共同決定或制約，GCLK總時序速度，灰度等級，行掃描數，行消隱時間等，以Micro LED產品為例。GCLK，又叫灰度時鐘，取消了原有由接收卡FPGA直接產生方式，由LED驅動芯片內部通過鎖相環電路進行倍頻等轉化。

圖7、LED驅動電信號時鐘控制圖

GCLK大小決定了總的運行速度，它由灰度等級每個數據處理占有，行掃描數量進行均分，以13灰度等級為例，以GCLKs代表一個時鐘單位，13位灰度數大小為8192，采用PWM作為數據處理，至少需要8192個GCLKs，假如采用40掃，那么至少需要8192*40=327680個GCLKs，才能完整顯示一幀畫面一次，假如GCLK總量為30M左右，那么可以重復顯示的次數為30M/327680約=91，即視覺刷新率為91HZ，遠遠低于1000HZ，以及現在能達到的3840HZ，因此芯片內部又引入了新的S-PWM技術，S-PWM技術在這不展開細說，可以等同理解為把灰度等級分割處理，變成同樣規格的一塊一塊的小單元同步處理。比如13灰度等級8192，可以分割成128*64，相當于分割成64份，那么同樣條件處理一份數據只有128GCLKs，視覺刷新頻率這30M/128/40約=5800HZ，刷新率提高明顯，這個數據是一個理想的狀態，實際應用時，為去除每行掃描時余留的電量，會增加行掃描消隱時間條件，這個行消隱會加在每行行掃描之前，同樣會占用一定的GCLKs周期，這個GCLKs多少要根據實際我們開發的電路板，及燈珠狀態進行調節到一個合適值，假如行消隱設置為2.2us，需占用2.2us*30M=66個GCLKs。

圖8、LED驅動控制的刷新方式

那么視覺刷新率為30M/[(128+66)*40]約=3947HZ。測試方法：可以用示波器監測LED驅動IC引腳，然后計算得出視覺刷新率；可以用光電探頭直接探測光輸出脈沖量，然后通過處理器進行分析計算。

3.3.2 換幀頻率

換幀頻率指每秒鐘更新畫面的數量，高換幀率能真實自然的反映比較快速運動的畫面，比如足球運動場面，格斗畫面，運動員的技巧動作畫面，Micro LED巨幕是由系統視頻處理器及發送卡容量決定，諾瓦每一款發送卡的總容量是一定的，要提高換幀頻率就需犧牲帶載數量，比如其中一款4K產品，支持2K(1920*1080@120HZ),帶載到4K時，換幀頻率對應降低，支持（3840*2160@30HZ）,帶載數量增長4倍，換幀頻率降低4倍，單獨容量也只是個成本的問題，可選用高容量的發送盒，或采用發送拿級聯都可以實現這項技術要求。

最終反映顯示畫面上的換幀頻率由片源，操作系統視頻處理器，及LED發送盒共同決定，SDR片源常見的是24幀，HDR超高清片源為50,100,120幀三種。

測試方法：利用能產生各種幀數片源的設備產生特定畫面，在設備終端可觀測是否有丟數據包的情況而判定是否支持到相對應的幀數，以下是一款巨幕測試的情況：

無丟包（支持60HZ）

丟包(不支持72HZ)

圖9、LED驅動控制的換幀頻率

3.4、LED芯片

LED芯片的波長、亮度、出光角度等決定了顯示面板的主要光學性能，由于LED晶粒尺寸微小、易損傷，一般都要封裝后才能進行測試。而且面板封裝會利用LED晶粒的光學特性進行二次光學設計，因此只有在充分了解LED晶粒的光學特性基礎上才能準確測試分析面板的光學特性。

圖10、LED芯片封裝示意圖

（1）波長

全彩LED顯示屏是由紅、綠、藍3種芯片LED組成的，而顯示屏的色彩與每種芯片顏色波長密切相關，所以，顯示屏所用紅、綠、藍3種LED的平均波長決定了LED全彩顯示屏的動態色域范圍。一般，紅色的波長范圍在622~630nm，綠色在524~530nm，藍色在468~476nm之間；高品質的LED全彩顯示屏應該具有較寬的色域范圍，這樣才能真實逼真地再現顯示的畫面圖像。紅、綠、藍三種顏色的主bin波長范圍均不應寬于5nm，且每種顏色的波長分布應呈正態分布。目前行業正在進行的圓片芯片嘗試，由于圓片的波長寬度接近10nm，所以圓片的應用在不同芯片的混排、混固上需要投入更多的時間。

（2）亮度

亮度是Micro LED全彩顯示屏的基本指標。行業一般認定，=戶內顯示屏亮度應450~1000nits，整屏亮度取決于組成每個像素點的紅綠藍3種LED亮度值的疊加，紅、綠、藍的亮度值近似按照31的比例配比，通常是在器件電流出廠標稱值的基礎上，設定紅、綠、藍的不同電流值以達到上述比例。整屏亮度不是越高越好，而是合適就行。Micro LED全彩顯示屏亮度的一致性取決于Micro LED芯片亮度的一致性。一般要求Micro LED每種顏色的最高與最低亮度比不高于1.3，保證相鄰的兩個同色Micro LED亮度差異小于10%。Micro LED亮度越高，使用電流的余量越大，對節省耗電、保持LED穩定越有好處。下圖列舉了不同

A廠芯片模組示意圖

B廠芯片模組示意圖

圖11、A廠芯片模組和B廠芯片模組的水平及垂直亮度曲線

（3）一致性

圖12、 屏體最佳視角示意圖

全彩Micro LED顯示屏是由一定數量的紅、綠、藍Micro LED芯片組成的像素拼成的，每種顏色Micro LED的亮度、波長的一致性決定了整個顯示屏的亮度、白平衡、色度一致。一般來說，顯示屏廠家要求芯片供應商提供5nm的波長范圍及1:1.3的亮度范圍的LED芯片，這些指標可由器件供應商通過芯片測試設備進行分級達到。電壓的一致性一般不做要求。由于Micro LED是有角度的，故全彩LED顯示屏同樣具有角度方向性，即在不同角度觀看時，其亮度是會遞減或遞增的。目前藍綠芯片的主要發光角度為10°到170°，紅光芯片的主要發光角度為40°~140°。這樣，紅、綠、藍3種顏色LED的角度一致性將嚴重影響不同角度白平衡的一致性，直接影響顯示屏視頻顏色的保真度。

（4）白平衡的調試

白平衡的設計是將三種基色調配為一種設想白色的過程，包括顏色和亮度的調配。我們的調配步驟如下：

a）、設定溫度、電壓、電流等；

b）、設定目標顏色的坐標值（X，Y）, 目標色溫。

c）、調節白屏的亮度。

通常顏色混合遵循亮度相加定律，即混合色的亮度等于各組成色的亮度之和，同時也遵守顏色代替律，即凡是在視覺上相同的顏色，不管它們的光譜成份是否一樣，在顏色混合中的作用是等效的。

（a圖）

（b圖）

圖13、 校正前圖形（a圖）和校正后圖形（b圖）

四、結論

由上述可知，Micro LED芯片的波長、亮度、出光角度等參數決定了顯示面板的主要光學性能，Micro LED 芯片與封裝材料的折射率對器件的發光效率有著至關重要的影響。如果封裝材料的折射率較低，則其與芯片之間的臨界角θc 就會偏小，損失較高的光通量并產生大量熱量，造成器件溫度過高。周期性微結構表面與平面相比能夠有效提高光提取效率，其原因在于有效光子逃逸錐可以降低封裝層和空氣之間界面上全反射現象的發生。封裝膠的外表面墨色、黑度、一致性、以及對外界環境光的反射率，對顯示面板的顯示對比度、外觀墨色一致性有著重要影響，而外封膠的表面墨色不僅由外封膠中添加的黑色素與封膠模具的表面光學處理方式決定，也由PCB的底色以及LED晶粒占發光像素的PCB焊盤面積比例大小等有關系，為了改善表面墨色也可以增加處理工藝，比如：噴涂、沾貼光學膜材等方式。隨著低灰高刷新技術的出現，LED顯示屏視覺刷新率主要由IC驅動的幾個參數共同決定或制約，換幀頻率指每秒鐘更新畫面的數量，高換幀率能真實自然的反映比較快速運動的畫面。