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Micro-LED色转换实现方法有哪些,可以详细介绍下么?

佘庆威 · 2018-09-04
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Micro-LED色转换实现方法包括:RGB三色LED法、UV/蓝光LED+发光介质法、光学透镜合成法。

一、 RGB三色LED法

RGB-LED全彩显示显示原理主要是基于三原色(红、绿、蓝)调色基本原理。RGB三原色经过一定的比例可以合成自然界中绝大部分色彩。同理,针对红色-LED、绿色-LED和蓝色-LED,各别施以不同之电流来控制各个LED之亮度值,进而实现三原色的组合,达到全彩色显示的效果,这是目前LED大屏幕所普遍采用的方法[8]。

在RGB彩色化显示方法中,每个像素都包含三个RGB三色LED。一般采用键合或者倒装的方式将三色LED的P和N电极与电路基板连接,具体布局与连接方式如下图所示。


RGB全彩色显示的单像素布局示意图

之后,使用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制(PWM)电流驱动,PWM电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。例如一个8位PWM全彩LED驱动芯片,可以实现单色LED的28=256种调光效果,那么对于一个含有三色LED的像素理论上可以实现256*256* 256 =16,777,216种调光效果,即16,777,216种颜色显示。具体的全彩化显示的驱动原理如图十三所示[9]。


RGB全彩色显示驱动原理示意图

但是事实上由于驱动芯片实际输出电流会和理论电流有误差,单个像素中的每个LED都有一定的半波宽(半峰宽越窄,LED的显色性越好)和光衰现象,继而产生LED像素全彩显示的偏差问题。

二、 UV/蓝光LED+发光介质法

UV LED(紫外LED)或蓝光LED+发光介质的方法可以用来实现全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 则需激发红绿蓝三色发光介质以实现RGB三色配比; 如使用蓝光micro-LED则需要再搭配红色和绿色发光介质即可,以此类推。该项技术在2009年由香港科技大学刘纪美教授与刘召军教授申请专利并已获得授权(专利号:US 13/466,660, US 14/098,103)。

发光介质一般可分为荧光粉与量子点(QD: Quantum Dots)。奈米材料荧光粉可在蓝光或紫外光LED的激发下发出特定波长的光,其光色由荧光粉材料决定,制作方法简单且易用,这使得荧光粉涂覆方法广泛应用于LED照明,可作为一种传统的micro-LED彩色化方法。

当荧光粉涂覆在micro-LED与驱动电路集成之后,再通过旋涂或点胶的方法涂覆于样品表面。下图则是一种荧光粉涂覆方法的应用,其中(a)图显示一个像素单元中包含绿红绿蓝4个子像素,图(b)则显示了micro-LED点亮后的彩色效果[10]。该方法直观易懂但却存在不足之处,原因在于:其一荧光粉涂层将会吸收部分能量,降低了转化率;其二则是荧光粉颗粒的尺寸较大,约为1-10微米,随着micro-LED 像素尺寸不断减小,荧光粉涂布变的愈加不均匀且影响显示质量。而上述方法的不足之处则让量子点技术有了大放异彩的机会。


荧光粉彩色化micro-LED的像素设计及显示效果

量子点,又可称为奈米晶,是一种由II-VI族或III-V族元素组成之奈米粒子。量子点其粒径一般介于1~10nm之间,适合应用在micro-display等级尺寸。量子点也具有电致发光与光致放光的效果,受激后可以发射荧光,发光颜色由材料和尺寸决定,因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长。

当量子点粒径越小,发光颜色则偏向蓝色;当量子点越大,发光颜色则偏向红色。量子点在多样化的化学成分调配下,发光波段可从蓝光涵盖到红光整个可见光范围。且具有高能力的吸光-发光效率、较窄的半高宽、宽吸收频谱等特性,因此拥有很高的色彩纯度与饱和度。且结构简单,薄型化,可卷曲,非常适用于micro-display的应用。

目前台湾交通大学郭浩中团队采用旋转涂布、雾状喷涂技术来开发量子点技术,即使用喷雾器和气流控制来喷涂出均匀且尺寸可控的量子点,装置与原理示意图如图所示。


Aerosol Jet printing 系统运作图

将量子点涂布在UV/蓝光LED上,使其受激发出RGB三色光,再透过色彩配比实现全彩色化,如图所示。


利用高精度喷涂技术制作红、绿、蓝三原色数组示意图

此外当前量子点技术仍存在着一些问题,如材料稳定性不好、对散热要求高、且需要密封、寿命短等缺点。但随着技术的进步和成熟,我们相信量子点将有机会扮演更重要的角色。

三、光学透镜合成法

透镜光学合成法是指通过光学棱镜(Trichroic Prism)将RGB三色micro-LED合成全彩色显示。具体方法是是将三个红、绿、蓝三色的micro-LED数组分别封装在三块封装板上,并连接一块控制板与一个三色棱镜。之后可通过驱动面板来传输图片信号,调整三色micro-LED数组的亮度以实现彩色化,并加上光学投影镜头实现微投影。整个系统的实物图与原理图如图所示,显示效果如图所示。


棱镜光学合成法 (a),( b) 实物图,(c) 原理示意图


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动态4 · 收获阅读38753
佛山市柔浩电子总经理,曾任香港科大博士后研究员、Silicon-Core技術經理,全球性市场研究机构IHS首席分析师。专长领域为软性电子、发光二极管(LED)与量子点材料。成果曾被OSA News、日本经济新闻、Nano Material Today等新闻所报导。
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