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創新驅動電路設計 挑戰Micro LED顯示效率極限
突破技術瓶頸 邁向量產之路

【作者: Kris Myny】   2022年10月12日 星期三

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平面顯示器市場目前主要由LCD液晶螢幕與OLED面板占據,主打各式終端產品,例如電視或電子看板使用的大型顯示器、平板與智慧手機的小型顯示器,以及AR/VR應用的微型顯示器。LCD螢幕利用無機材料的LED背光模組來發光,光線在通過液晶分子矩陣後會產生彩色影像。相較之下,OLED螢幕能夠自行發光,透過有機化合物對通過電流的反應來發射光線。


最近,第三種顯示技術Micro LED加入戰局,預計能提供比傳統螢幕還要鮮豔的色彩,以及更高亮度與更低功耗。採用這項技術的首發產品近期以亮眼表現進軍顯示器市場,像是顯示器大廠推出的Micro LED電視與電視牆,未來可望實現家庭、娛樂影視與商業應用的最佳視覺體驗。


Micro LED是微型LED,傳統LED尺寸>1mm,Micro LED則是<50μm。傳統LED採用獨立封裝,而Micro LED能以裸晶形式運作,這些大量晶粒需要透過整合來製成顯示器。每個Micro LED晶粒都包含紅色、綠色、藍色的子畫素,用來組成彩色顯示器。發光的顏色由LED的非有機材料(能隙)決定,舉例來說,磷化鋁銦鎵(AlGaInP)能產生紅光,氮化銦鎵(InGaN)則產生綠光。


採用TFT驅動Micro LED 鎖定大型模組化顯示器商機

採用主動式驅動的Micro LED顯示器由背板上的電晶體陣列控制,包含開關電流與驅動單一畫素。Micro LED背板材料分為兩種。第一種是矽材電晶體,採用傳統的CMOS製程。這些電晶體可以做到非常小,製成的背板電晶體具備極小間距(pitch),非常適合用於高解析度的VR/AR應用或投影設備。不過矽基板的成本較高,尺寸有限,而且不透明。


第二種是薄膜電晶體(TFT),可用非晶矽、低溫多晶矽(LTPS)或是氧化銦鎵鋅(IGZO)製成。TFT能在比矽材還要大尺寸的基板上製造,有機會達到更低的單位面積成本。本文的重點就是採用TFT基板的Micro LED技術。


其中一種設想的應用是用於電視或電視牆的大型模組化顯示器,應用場景包含家庭、電影院與廣告場域,抑或是大規模或小型會議。根據Micro LED模組的大小與數量,顯示器的最終尺寸會落在100吋~200吋之間,甚至更大。在這類應用中,Micro LED預計能超越一樣採用TFT基板的OLED面板,不僅更加省電,在相同電流下還能產生更高亮度。此外,Micro LED不含有機材料發光層,所以不需要封裝,更便於無縫轉移。相較之下,OLED必須對個別模組進行封裝。


不同於OLED,用於大型顯示器的Micro LED不能在同一個單片基板上製造。因此,中大型顯示器的Micro LED製程必須採用取放(pick and place)等技術。這項取放技術會使用三塊磊晶基板來製造紅色、藍色與綠色晶粒,然後進行切割,最後透過高速取放系統轉移到TFT背板上。


Micro LED的TFT背板設計

高性能Micro LED顯示器帶來了全新的背板設計挑戰。目前正在開發數種不同的電子設計方法,一種是主動式矩陣OLED(AMOLED)設計,另一種是被動式矩陣PCB驅動設計。


兩者在灰階、閃爍、畫素間距、散熱或功耗方面的表現各有優缺。imec憑藉著在TFT電路設計領域的多年經驗,開發了Micro LED驅動電路的替代方案,引領新一波的技術升級。


接下來將會介紹我們與Barco共同開發的應用案例,在Micro LED模組化顯示器上採用全新的TFT電路設計,整合目前不同驅動技術的強項。


Micro LED驅動電路設計:創新6T2C架構

在設計顯示器的驅動電路時,開發人員必須做出一些選擇,例如:選出最佳的矩陣結構(主動式或被動式矩陣)、灰階調變方法(使用類比訊號或數位訊號)、LED程式控制(電壓或電流控制)。imec研究團隊評估了多項先進驅動技術,最終開發了創新的混合式驅動技術,把各技術的最大優勢都整合在採用6T2C架構的驅動電路上,藉此解決micro LED顯示器的多項新興挑戰。


主動式vs被動式矩陣架構

主動式(AM)與被動式矩陣(PM)驅動的顯示器都是透過水平向與垂直向的線路來運作,水平向負責進行一次一列的掃描,垂直向則是傳遞顯示訊號到每行對應的電晶體,藉此導通那一列的畫素。這些電路能以高速率依序驅動畫素,快到連肉眼都無法分辨是逐線掃描,而視為平面影像。


在被動式矩陣的驅動模式下,像是用於目前的Micro LED電視牆,非選定線路上的畫素會處於關閉狀態,只有在被選時會短暫開啟。換句話說,這時只有一條畫素會發光。在主動式矩陣,例如AMOLED的電路設計中,所有畫素都有記憶性,可以在螢幕刷新的切換週期中維持驅動狀態,直到下次訊號更新,所以在其他線路進行掃描時,非選定畫素也會發光。如此一來就能降低對控制畫素亮度的要求,進而減少所需電流。這就是主動式與被動式驅動的基本差異。



圖一 : 被動式(左圖)與主動式(右圖)矩陣的驅動電路圖。
圖一 : 被動式(左圖)與主動式(右圖)矩陣的驅動電路圖。

結果發現,主動式矩陣更有利於降低功耗和成本,並提升影像品質。被動式矩陣的畫素只能短暫驅動,所以需要更大的瞬間亮度,LED驅動電流也必須維持整體亮度的一致性,這就加劇了功耗與散熱問題。對於包含上百萬顆Micro LED的大型模組化顯示器,比起被動式矩陣,主動式矩陣驅動才是首選。


灰階調變:數位vs類比驅動

單顆LED的灰階(grey level)或說是亮度由LED驅動電流的大小決定。每顆LED構成一個畫素,每個畫素的灰階最終會決定LED顯示器的整體亮度。


AMOLED顯示器所用的平板式設計通常採用類比式驅動,也就是說,對個別畫素施加的類比訊號(電流或電壓)以及OLED的驅動電流會決定最終的灰階顯示。在這種驅動模式下,高電壓或大電流會增加發光程度,進而提高畫素亮度。然而,對於非有機材料的(Micro)LED而言,這就有個缺點:為了調變顯示器的灰階而改變LED驅動電流,同時會影響到發光的波長,導致色偏(color shift)現象。


這也是數位驅動模式會更適合Micro LED顯示器的原因。數位驅動模式運用脈衝寬度調變(PWM)來控制Micro LED的驅動電流。藉此,所有LED都能維持相同電流,避免色偏現象,但還是能調整LED的平均導通時間(或稱佔空比),如此一來,就能控制顯示器的平均發光程度,也就是畫素的灰階。


12位元影像編碼表

為了在主動式矩陣架構的背板進行數位驅動,可以採用不同的影像編碼技術來實現脈衝寬度調變(PWM)。編碼表(coding table)會記錄Micro LED開關的確切時間點。imec研究團隊提出了獨特的12位元影像編碼表,以縮短黑屏時間並優化視覺呈現,最終把螢幕閃爍的機率降到最低。



圖二 : 運用imec提出的12位元影像編碼表,所有灰階在傅立葉頻譜上的第一個諧波振福都下降,減緩了顯示器閃爍的問題。
圖二 : 運用imec提出的12位元影像編碼表,所有灰階在傅立葉頻譜上的第一個諧波振福都下降,減緩了顯示器閃爍的問題。

創新的6T2C驅動電路

再次強調,在設計顯示器驅動電路時,必須做出一些取捨。例如,設計人員可以選用傳統的2T1C架構:一顆電晶體選取目標畫素,另一顆電晶體負責控制資料線的電壓,提供LED驅動電流。然而,電晶體特性一旦出現任何變化,都會影響驅動電流,進而產生色偏現象。因此,電壓驅動的電流控制並不理想。


為此,imec研究團隊開發了一種混合式驅動技術,利用兩顆電晶體組成的電流鏡(current mirror)來精準控制Micro LED的驅動電流,維持固定。PWM訊號傳輸則透過另外兩顆開關電晶體來施加電壓。這些開關電晶體可以根據影像編碼表來控制電流鏡的開關。最後兩顆電晶體則負責在輸入電流更新訊號時選取所需畫素。



圖三 : 採用6T2C驅動電路的Micro LED電路圖。
圖三 : 採用6T2C驅動電路的Micro LED電路圖。

運用6T2C結構,imec團隊成功導入混合式驅動技術,達到Micro LED顯示器的最佳效能。同時,他們也針對6T2C驅動電路做出一些調整來拓展應用。例如,其中一項設計變動是藉由共用電流鏡來縮小驅動電路的整體面積。此外,imec也提出一種全局快門設計,用來改善模組化顯示器對多個子模組進行同步更新的性能。


從原型開發到量產

創新的驅動電路是高性能Micro LED顯示器的關鍵。imec能協助企業與學術研究團隊探索基於IGZO、LPTS或非晶矽材的TFT驅動電路在顯示器市場的應用潛能。


imec也攜手業界的晶圓代工夥伴,提供TFT驅動電路在顯示器與非顯示器應用方面的生產資源。這套合作模式也延伸到多項與CMOS矽製程相關的研究計畫,且進行多年,為學研單位與顯示器業者提供一條技術商用的道路。


此外,imec還能借助比利時根特大學CMST研究實驗室的專業與服務,將Micro LED置於TFT背板上。CMST歷經多年研究,已經開發出一套取放方法,能快速準確地轉移Micro LED晶粒。


該研究團隊為了展示其量產潛能,已經完成載於LPTS背板的Micro LED原型晶片,採用的驅動電路就是先前介紹的創新設計。LTPS可以提供更高的驅動電流,因此比起IGZO,更適合用來製造TFT顯示器背板。舉例來說,特性分析結果顯示,LTPS面板具備良好的訊號保存能力,這就代表,這些訊號在畫素導通後能在電流鏡與電容器上保存多長時間。



圖四 : 顯示訊號保存時間的示波器分析結果。
圖四 : 顯示訊號保存時間的示波器分析結果。

結語

imec提出了一款利用TFT背板來驅動Micro LED的混合式方法,整合了LED電視牆與AMOLED設計的最大優勢,包含驅動電流的程式控制、PWM模式的主動式矩陣設計。另外也開發了創新的6T2C電路架構,讓這套混合式設計能驅動Micro LED顯示器達到最佳的影像品質。這款基於LTPS材料的TFT驅動電路設計完稿(tapeout)也擘畫了imec與晶片製造夥伴的合作之路,以實現量產Micro LED顯示器的目標。


(本文由imec提供;作者Kris Myny為imec主任研究員/編譯:吳雅婷)


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