雷曼获评一等奖论文：Micro LED直显光学性能的影响因素分析

    本文荣获“第十八届全国LED产业发展与技术研讨会(2023'LED）暨2023全国LED显示应用技术交流及产业发展研讨会"论文评选一等奖。

    摘要：

    Micro LED显示面板包含PCB板、LED芯片、封装胶膜、驱动IC等，Micro LED COB显示屏的光学性能关键指标：亮度、对比度、色域、灰阶、刷新率、可视角等。本文通过研究COB单元板光学性能的设计影响因素，为COB单元板的光学性能设计提供参考。

    关键词：Micro LED、光学性能、驱动IC

    Abstract：

    The Micro LED display panel consists of PCB board, LED chip, packaging film, driver IC, etc. The Key indicators of the optical performance of the Micro LED COB display screen: brightness, contrast, color gamut, gray scale, refresh rate, visual angle, etc.This paper studied the design influencing factors of COB unit plate to provide reference for the optical performance design of COB cell plate.

    Key words：Micro LED, Optical performance, Driver IC

    一、引言

    Micro LED显示技术具有自发光、高对比度、宽色域、长寿命、低响应时间、尺寸可无限扩展，超高像素密度等优势。从图1中与其它显示技术的结构对比可以看出，Micro LED显示器结构简单，有效降低了光在显示器内部的损失，减小了显示器的厚度，更加便于显示屏的集成。

图1、Micro-LED显示器的结构示意图

    相比于其他的自发光技术，从表现出的性能看Micro LED显示具有如下显著优势：

    1）显示图像画质高：Micro LED显示屏没有光阻和滤光片的限制，亮度可以轻松达到2000-4000cd/m²，可以实现超高对比度和高品质的HDR显示效果。

    2）能量利用效率高：由于Micro LED是自发光显示技术，没有透过率的限制。

    3）使用寿命长：Micro LED显示技术使用无机物半导体作为发光材料，性能稳定，材料寿命长。

    表1、Micro LED、OLED、QLED、LCD显示技术主要特能对比 

    本文通过研究COB单元板光学性能的设计影响因素，为COB单元板的光学性能设计提供参考。

    二、Micro LED 显示面板的光学性能与物料设计的关系

图2、Micro LED 显示面板的主要材料组成示意图

    Micro LED显示面板由正面的发光面和背面的驱动面组成，分别包括：PCB板、LED芯片、封装胶、驱动IC等， COB封装的Micro LED面板光学性能的关键指标：亮度、对比度、色域、灰阶、刷新率、可视角等。

    下表我们分别对光学性能的影响进行分析：

    表2、光学指标与主要物料设计关系图 

    从物料的重要性程度来看依次是：LED晶片、驱动IC、封装胶、表面处理材料。从设计的角度来看依次是：亮度、对比度、可视角、色域、灰阶、刷新率。当然光学性能指标与成本、可靠性、良品率等存在关系。

    三、Micro LED 显示面板的光学性能研究

    3.1、封装胶对显示面板的光学性能影响

    根据光在介质传输过程中的透射和反射原理以及显示面板光学模型设计，封装胶的光学设计会对出光率、色坐标（色温）、可视角、散热温升、对比度产生影响。例如:封胶材料厚度对光学影响大，胶越厚则越会明显降低发光亮度和色温，红光芯片本身发光角度比蓝绿光芯片小，再加上芯片表面封胶后经过一系列的折反射，红光折射率比蓝绿光小，蓝绿光出光视角进一步放大，导致色温偏差等。

    由于LED芯片制程工艺的影响N极位置台阶偏低，发光反应层将被蚀刻掉。在出光方面展现为如图1所示的R光型左方向角度强度稍强于右方向，而GB右方向角度强度高于左方向。 

    图3、Mini-LED RGB裸晶芯片长边方向光型分布图

    （单位：°）

    为解决LED的出光问题，需通过对封装胶进行光学设计以达到最佳的出光效果。其中折射率是 LED 封装材料最重要的性能指标之一。LED 芯片与封装材料的折射率对器件的发光效率有着至关重要的影响。如果封装材料的折射率较低，则其与芯片之间的临界角θc 就会偏小，损失较高的光通量并产生大量热量，造成器件温度过高。临界角θc 的计算公式可通过 Lorentz-Lorenz 方程计算，如式 1所示 

    GaN 芯片的折射率为 2.45，蓝宝石界面的折射率为1.768。相对的空气折射率约为1。LED 芯片与封装材料间的折射率差异越大，则临界角θc 越小，越容易发生全反射，使光线反射回芯片，增大光损失，降低器件的发光效率。因此，优质的封装材料必然要有较高的折射率。

    折射率主要受材料分子量与分子结构及固有摩尔折射率的影响，这符合Lorentz-Lorenz 关系式，如式 2，3 所示 

    由上述式子可以看出，物质的折射率与摩尔体积成反比关系，与摩尔折射率成正比关系，而摩尔折射率又与介质极化率成正比关系。所以可以直接在基体中填充高折射率的无机纳米粒子，如氧化锌、氧化钛，氧化锆等，或者向分子中引入电子极化率与摩尔体积比值大的原子或基团，如芳香族环、重金属离子、硫、砜基、除氟以外的卤素等来提高材料的折射率[2]。

    LED 的封装方式是影响 LED 光输出效率的另一重要因素。封装的过程中为了得到高折射率的封装层，减少光源经过各界面的损失增加光输出效率，因此在封装层中尽可能提升其纳米粒子的含量。但是，纳米粒子含量的增加势必会造成光散射的增加，体系固化膜的光透率下降。因此，如何在提升封装层折射率的基础上使光损耗降低成为一个重要的研究点。

    LED 的单层封装在一定程度上减小了光自芯片达到空气中的损耗，但是单层封装中存在阻隔性差，材料耐老化性相对较差等问题，再加上具备一定厚度的封装层材料具有吸光现象，导致 LED 封装产品的发光效率不高。研究中也提出了多种封装方式优化 LED 的封装方式，例如优化 LED 芯片表面的设计，在 LED 封装胶上采用半球封装设计，改进封装材料，优化 LED 衬底图案设计等等。 

    图4、不同封装结构的光路示意图

    (a)传统封装 (b)微结构封装

    封装胶的微结构表面与平面相比能够增加光的提取效率，其原因在于表面微结构可以降低封装层和空气之间界面上全反射现象的发生。图4中显示了在不同情况下光的传播路径，封装层和空气之间的界面上发生全反射的临界角为38°~ 45°。与表面平整的封装胶面不同的是，对于周期性的微结构表面，由于界面处的全反射现象被破坏，光线几乎可以以任意角度向外发射，因此它的光提取效率要比前者高得多。而表面平整的封装胶面层，有一部分光未透过界面，降低了光提取效率，也转化为热能。

    3.2、表面处理工艺对显示面板的光学性能影响

    封装胶的外表面墨色、黑度、一致性、以及对外界环境光的反射率，对显示面板的显示对比度、外观墨色一致性有着重要影响，而外封胶的表面墨色不仅由外封胶中添加的黑色素与封胶模具的表面光学处理方式决定，也由PCB的底色以及LED晶粒占发光像素的PCB焊盘面积比例大小等有关系，为了改善表面墨色也可以增加处理工艺，比如：喷涂、沾贴光学膜材等方式。

    图5、表面处理前（左图）和表面处理后（右图）

    3.2.1、评估方案 

    经过不同表面处理的方案对比，减小表面处理材料对屏体亮度损失的前提下，封装胶的外表面墨色、黑度、一致性等材料特性对屏体整体效果有良好促进作用。

    3.3、刷新频率和换帧频率影响分析

    显示面板发光面的LED阵列由驱动面的IC来控制，利用人眼的视觉惰性，驱动IC给LED阵列做周期性的通断来控制其发光及发光强度，从而实现灰度级显示及通过RGB三色的各级灰度组成全彩色，也就是通常所说的PWM脉冲宽度调制方式，所以驱动IC的特性对光学性能、控制成本、功耗等都是非常关键的。从光学性能的性点分析影响，主要是：低灰时的高刷新率、高一致性、高扫高灰等。

    3.3.1 刷新频率

    刷新频率，在LED显示中又叫视觉刷新频率，是指同一帧图像重复显示的次数，因为LED驱动发光的调节是通过PWM的方式，也就是重复点亮的方式（改变点亮与熄灯的时间比来调节亮度），因此涉及到重复显示一帧画面变化快慢的问题，这个快慢直接影响显示效果及摄影效果，视觉刷新频率越高，画面越稳定，闪烁感越小。像高清摄影，都是采用每秒1000HZ以上的高速摄影机进行，较低的视觉刷新率拍摄时就会产生的黑色扫描线。

    LED显示视觉刷新频率主要是由恒流驱动IC决定，随着低灰高刷新技术的出现，LED显示屏视觉刷新率主要由IC驱动的几个参数共同决定或制约，GCLK总时序速度，灰度等级，行扫描数，行消隐时间等，以Micro LED产品为例。GCLK，又叫灰度时钟，取消了原有由接收卡FPGA直接产生方式，由LED驱动芯片内部通过锁相环电路进行倍频等转化。

    图7、LED驱动电信号时钟控制图

    GCLK大小决定了总的运行速度，它由灰度等级每个数据处理占有，行扫描数量进行均分，以13灰度等级为例，以GCLKs代表一个时钟单位，13位灰度数大小为8192，采用PWM作为数据处理，至少需要8192个GCLKs，假如采用40扫，那么至少需要8192*40=327680个GCLKs，才能完整显示一帧画面一次，假如GCLK总量为30M左右，那么可以重复显示的次数为30M/327680约=91，即视觉刷新率为91HZ，远远低于1000HZ，以及现在能达到的3840HZ，因此芯片内部又引入了新的S-PWM技术，S-PWM技术在这不展开细说，可以等同理解为把灰度等级分割处理，变成同样规格的一块一块的小单元同步处理。比如13灰度等级8192，可以分割成128*64，相当于分割成64份，那么同样条件处理一份数据只有128GCLKs，视觉刷新频率这30M/128/40约=5800HZ，刷新率提高明显，这个数据是一个理想的状态，实际应用时，为去除每行扫描时余留的电量，会增加行扫描消隐时间条件，这个行消隐会加在每行行扫描之前，同样会占用一定的GCLKs周期，这个GCLKs多少要根据实际我们开发的电路板，及灯珠状态进行调节到一个合适值，假如行消隐设置为2.2us，需占用2.2us*30M=66个GCLKs。 

图8、LED驱动控制的刷新方式

    那么视觉刷新率为30M/[(128+66)*40]约=3947HZ。测试方法：可以用示波器监测LED驱动IC引脚，然后计算得出视觉刷新率；可以用光电探头直接探测光输出脉冲量，然后通过处理器进行分析计算。

    3.3.2 换帧频率

    换帧频率指每秒钟更新画面的数量，高换帧率能真实自然的反映比较快速运动的画面，比如足球运动场面，格斗画面，运动员的技巧动作画面，Micro LED巨幕是由系统视频处理器及发送卡容量决定，诺瓦每一款发送卡的总容量是一定的，要提高换帧频率就需牺牲带载数量，比如其中一款4K产品，支持2K(1920*1080@120HZ),带载到4K时，换帧频率对应降低，支持（3840*2160@30HZ）,带载数量增长4倍，换帧频率降低4倍，单独容量也只是个成本的问题，可选用高容量的发送盒，或采用发送拿级联都可以实现这项技术要求。

    最终反映显示画面上的换帧频率由片源，操作系统视频处理器，及LED发送盒共同决定，SDR片源常见的是24帧，HDR超高清片源为50,100,120帧三种。

    测试方法：利用能产生各种帧数片源的设备产生特定画面，在设备终端可观测是否有丢数据包的情况而判定是否支持到相对应的帧数，以下是一款巨幕测试的情况：

    图9、LED驱动控制的换帧频率

    3.4、LED芯片

    LED芯片的波长、亮度、出光角度等决定了显示面板的主要光学性能，由于LED晶粒尺寸微小、易损伤，一般都要封装后才能进行测试。而且面板封装会利用LED晶粒的光学特性进行二次光学设计，因此只有在充分了解LED晶粒的光学特性基础上才能准确测试分析面板的光学特性。 

    图10、LED芯片封装示意图

    （1）波长

    全彩LED显示屏是由红、绿、蓝3种芯片LED组成的，而显示屏的色彩与每种芯片颜色波长密切相关，所以，显示屏所用红、绿、蓝3种LED的平均波长决定了LED全彩显示屏的动态色域范围。一般，红色的波长范围在622~630nm，绿色在524~530nm，蓝色在468~476nm之间；高品质的LED全彩显示屏应该具有较宽的色域范围，这样才能真实逼真地再现显示的画面图像。红、绿、蓝三种颜色的主bin波长范围均不应宽于5nm，且每种颜色的波长分布应呈正态分布。目前行业正在进行的圆片芯片尝试，由于圆片的波长宽度接近10nm，所以圆片的应用在不同芯片的混排、混固上需要投入更多的时间。

    （2）亮度

    亮度是Micro LED全彩显示屏的基本指标。行业一般认定，=户内显示屏亮度应450~1000nits，整屏亮度取决于组成每个像素点的红绿蓝3种LED亮度值的叠加，红、绿、蓝的亮度值近似按照3:6:1的比例配比，通常是在器件电流出厂标称值的基础上，设定红、绿、蓝的不同电流值以达到上述比例。整屏亮度不是越高越好，而是合适就行。Micro LED全彩显示屏亮度的一致性取决于Micro LED芯片亮度的一致性。一般要求Micro LED每种颜色的最高与最低亮度比不高于1.3，保证相邻的两个同色Micro LED亮度差异小于10%。Micro LED亮度越高，使用电流的余量越大，对节省耗电、保持LED稳定越有好处。下图列举了不同

    全彩Micro LED显示屏是由一定数量的红、绿、蓝Micro LED芯片组成的像素拼成的，每种颜色Micro LED的亮度、波长的一致性决定了整个显示屏的亮度、白平衡、色度一致。一般来说，显示屏厂家要求芯片供应商提供5nm的波长范围及1:1.3的亮度范围的LED芯片，这些指标可由器件供应商通过芯片测试设备进行分级达到。电压的一致性一般不做要求。由于Micro LED是有角度的，故全彩LED显示屏同样具有角度方向性，即在不同角度观看时，其亮度是会递减或递增的。目前蓝绿芯片的主要发光角度为10°到170°，红光芯片的主要发光角度为40°~140°。这样，红、绿、蓝3种颜色LED的角度一致性将严重影响不同角度白平衡的一致性，直接影响显示屏视频颜色的保真度。

    （4）白平衡的调试

    白平衡的设计是将三种基色调配为一种设想白色的过程，包括颜色和亮度的调配。我们的调配步骤如下：

    a）、设定温度、电压、电流等；

    b）、设定目标颜色的坐标值（X，Y）, 目标色温。

    c）、调节白屏的亮度。

    通常颜色混合遵循亮度相加定律，即混合色的亮度等于各组成色的亮度之和，同时也遵守颜色代替律，即凡是在视觉上相同的颜色，不管它们的光谱成份是否一样，在颜色混合中的作用是等效的。 

    四、结论

    由上述可知，Micro LED芯片的波长、亮度、出光角度等参数决定了显示面板的主要光学性能，Micro LED 芯片与封装材料的折射率对器件的发光效率有着至关重要的影响。如果封装材料的折射率较低，则其与芯片之间的临界角θc 就会偏小，损失较高的光通量并产生大量热量，造成器件温度过高。周期性微结构表面与平面相比能够有效提高光提取效率，其原因在于有效光子逃逸锥可以降低封装层和空气之间界面上全反射现象的发生。封装胶的外表面墨色、黑度、一致性、以及对外界环境光的反射率，对显示面板的显示对比度、外观墨色一致性有着重要影响，而外封胶的表面墨色不仅由外封胶中添加的黑色素与封胶模具的表面光学处理方式决定，也由PCB的底色以及LED晶粒占发光像素的PCB焊盘面积比例大小等有关系，为了改善表面墨色也可以增加处理工艺，比如：喷涂、沾贴光学膜材等方式。随着低灰高刷新技术的出现，LED显示屏视觉刷新率主要由IC驱动的几个参数共同决定或制约，换帧频率指每秒钟更新画面的数量，高换帧率能真实自然的反映比较快速运动的画面。

    参考文献

    [1] 杨梅慧，林伟瀚，于 海，等. Mini+LED显示光学性能分析[J]. 液晶与显示,

    2022，37（6）：680-686.

    [2] 罗超云. LED用高折射率光学树脂的制备与性能研究[D]. 华中科技大学，

    2013.

    [3] 曹艳亭. 高取光效率的LED阵列封装研究[D]. 中国计量大学，2018.