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创新驱动电路设计 挑战Micro LED显示效率极限
突破技术瓶颈 迈向量产之路

【作者: Kris Myny】2022年10月12日 星期三

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平面显示器市场目前主要由LCD液晶萤幕与OLED面板占据,主打各式终端产品,例如电视或电子看板使用的大型显示器、平板与智慧手机的小型显示器,以及AR/VR应用的微型显示器。LCD萤幕利用无机材料的LED背光模组来发光,光线在通过液晶分子矩阵後会产生彩色影像。相较之下,OLED萤幕能够自行发光,透过有机化合物对通过电流的反应来发射光线。


最近,第三种显示技术Micro LED加入战局,预计能提供比传统萤幕还要鲜艳的色彩,以及更高亮度与更低功耗。采用这项技术的首发产品近期以亮眼表现进军显示器市场,像是显示器大厂推出的Micro LED电视与电视墙,未来可??实现家庭、娱乐影视与商业应用的最隹视觉体验。


Micro LED是微型LED,传统LED尺寸>1mm,Micro LED则是<50μm。传统LED采用独立封装,而Micro LED能以裸晶形式运作,这些大量晶粒需要透过整合来制成显示器。每个Micro LED晶粒都包含红色、绿色、蓝色的子画素,用来组成彩色显示器。发光的颜色由LED的非有机材料(能隙)决定,举例来说,磷化铝????(AlGaInP)能产生红光,氮化????(InGaN)则产生绿光。


采用TFT驱动Micro LED 锁定大型模组化显示器商机

采用主动式驱动的Micro LED显示器由背板上的电晶体阵列控制,包含开关电流与驱动单一画素。Micro LED背板材料分为两种。第一种是矽材电晶体,采用传统的CMOS制程。这些电晶体可以做到非常小,制成的背板电晶体具备极小间距(pitch),非常适合用於高解析度的VR/AR应用或投影设备。不过矽基板的成本较高,尺寸有限,而且不透明。


第二种是薄膜电晶体(TFT),可用非晶矽、低温多晶矽(LTPS)或是氧化????锌(IGZO)制成。TFT能在比矽材还要大尺寸的基板上制造,有机会达到更低的单位面积成本。本文的重点就是采用TFT基板的Micro LED技术。


其中一种设想的应用是用於电视或电视墙的大型模组化显示器,应用场景包含家庭、电影院与广告场域,抑或是大规模或小型会议。根据Micro LED模组的大小与数量,显示器的最终尺寸会落在100寸~200寸之间,甚至更大。在这类应用中,Micro LED预计能超越一样采用TFT基板的OLED面板,不仅更加省电,在相同电流下还能产生更高亮度。此外,Micro LED不含有机材料发光层,所以不需要封装,更便於无缝转移。相较之下,OLED必须对个别模组进行封装。


不同於OLED,用於大型显示器的Micro LED不能在同一个单片基板上制造。因此,中大型显示器的Micro LED制程必须采用取放(pick and place)等技术。这项取放技术会使用三块磊晶基板来制造红色、蓝色与绿色晶粒,然後进行切割,最後透过高速取放系统转移到TFT背板上。


Micro LED的TFT背板设计

高性能Micro LED显示器带来了全新的背板设计挑战。目前正在开发数种不同的电子设计方法,一种是主动式矩阵OLED(AMOLED)设计,另一种是被动式矩阵PCB驱动设计。


两者在灰阶、闪烁、画素间距、散热或功耗方面的表现各有优缺。imec凭藉着在TFT电路设计领域的多年经验,开发了Micro LED驱动电路的替代方案,引领新一波的技术升级。


接下来将会介绍我们与Barco共同开发的应用案例,在Micro LED模组化显示器上采用全新的TFT电路设计,整合目前不同驱动技术的强项。


Micro LED驱动电路设计:创新6T2C架构

在设计显示器的驱动电路时,开发人员必须做出一些选择,例如:选出最隹的矩阵结构(主动式或被动式矩阵)、灰阶调变方法(使用类比讯号或数位讯号)、LED程式控制(电压或电流控制)。imec研究团队评估了多项先进驱动技术,最终开发了创新的混合式驱动技术,把各技术的最大优势都整合在采用6T2C架构的驱动电路上,藉此解决micro LED显示器的多项新兴挑战。


主动式vs被动式矩阵架构

主动式(AM)与被动式矩阵(PM)驱动的显示器都是透过水平向与垂直向的线路来运作,水平向负责进行一次一列的扫描,垂直向则是传递显示讯号到每行对应的电晶体,藉此导通那一列的画素。这些电路能以高速率依序驱动画素,快到连肉眼都无法分辨是逐线扫描,而视为平面影像。


在被动式矩阵的驱动模式下,像是用於目前的Micro LED电视墙,非选定线路上的画素会处於关闭状态,只有在被选时会短暂开启。换句话说,这时只有一条画素会发光。在主动式矩阵,例如AMOLED的电路设计中,所有画素都有记忆性,可以在萤幕刷新的切换周期中维持驱动状态,直到下次讯号更新,所以在其他线路进行扫描时,非选定画素也会发光。如此一来就能降低对控制画素亮度的要求,进而减少所需电流。这就是主动式与被动式驱动的基本差异。



图一 : 被动式(左图)与主动式(右图)矩阵的驱动电路图。
图一 : 被动式(左图)与主动式(右图)矩阵的驱动电路图。

结果发现,主动式矩阵更有利於降低功耗和成本,并提升影像品质。被动式矩阵的画素只能短暂驱动,所以需要更大的瞬间亮度,LED驱动电流也必须维持整体亮度的一致性,这就加剧了功耗与散热问题。对於包含上百万颗Micro LED的大型模组化显示器,比起被动式矩阵,主动式矩阵驱动才是首选。


灰阶调变:数位vs类比驱动

单颗LED的灰阶(grey level)或说是亮度由LED驱动电流的大小决定。每颗LED构成一个画素,每个画素的灰阶最终会决定LED显示器的整体亮度。


AMOLED显示器所用的平板式设计通常采用类比式驱动,也就是说,对个别画素施加的类比讯号(电流或电压)以及OLED的驱动电流会决定最终的灰阶显示。在这种驱动模式下,高电压或大电流会增加发光程度,进而提高画素亮度。然而,对於非有机材料的(Micro)LED而言,这就有个缺点:为了调变显示器的灰阶而改变LED驱动电流,同时会影响到发光的波长,导致色偏(color shift)现象。


这也是数位驱动模式会更适合Micro LED显示器的原因。数位驱动模式运用脉冲宽度调变(PWM)来控制Micro LED的驱动电流。藉此,所有LED都能维持相同电流,避免色偏现象,但还是能调整LED的平均导通时间(或称占空比),如此一来,就能控制显示器的平均发光程度,也就是画素的灰阶。


12位元影像编码表

为了在主动式矩阵架构的背板进行数位驱动,可以采用不同的影像编码技术来实现脉冲宽度调变(PWM)。编码表(coding table)会记录Micro LED开关的确切时间点。imec研究团队提出了独特的12位元影像编码表,以缩短黑屏时间并优化视觉呈现,最终把萤幕闪烁的机率降到最低。



图二 : 运用imec提出的12位元影像编码表,所有灰阶在傅立叶频谱上的第一个谐波振福都下降,减缓了显示器闪烁的问题。
图二 : 运用imec提出的12位元影像编码表,所有灰阶在傅立叶频谱上的第一个谐波振福都下降,减缓了显示器闪烁的问题。

创新的6T2C驱动电路

再次强调,在设计显示器驱动电路时,必须做出一些取舍。例如,设计人员可以选用传统的2T1C架构:一颗电晶体选取目标画素,另一颗电晶体负责控制资料线的电压,提供LED驱动电流。然而,电晶体特性一旦出现任何变化,都会影响驱动电流,进而产生色偏现象。因此,电压驱动的电流控制并不理想。


为此,imec研究团队开发了一种混合式驱动技术,利用两颗电晶体组成的电流镜(current mirror)来精准控制Micro LED的驱动电流,维持固定。PWM讯号传输则透过另外两颗开关电晶体来施加电压。这些开关电晶体可以根据影像编码表来控制电流镜的开关。最後两颗电晶体则负责在输入电流更新讯号时选取所需画素。



图三 : 采用6T2C驱动电路的Micro LED电路图。
图三 : 采用6T2C驱动电路的Micro LED电路图。

运用6T2C结构,imec团队成功导入混合式驱动技术,达到Micro LED显示器的最隹效能。同时,他们也针对6T2C驱动电路做出一些调整来拓展应用。例如,其中一项设计变动是藉由共用电流镜来缩小驱动电路的整体面积。此外,imec也提出一种全局快门设计,用来改善模组化显示器对多个子模组进行同步更新的性能。


从原型开发到量产

创新的驱动电路是高性能Micro LED显示器的关键。imec能协助企业与学术研究团队探索基於IGZO、LPTS或非晶矽材的TFT驱动电路在显示器市场的应用潜能。


imec也携手业界的晶圆代工夥伴,提供TFT驱动电路在显示器与非显示器应用方面的生产资源。这套合作模式也延伸到多项与CMOS矽制程相关的研究计画,且进行多年,为学研单位与显示器业者提供一条技术商用的道路。


此外,imec还能借助比利时根特大学CMST研究实验室的专业与服务,将Micro LED置於TFT背板上。CMST历经多年研究,已经开发出一套取放方法,能快速准确地转移Micro LED晶粒。


该研究团队为了展示其量产潜能,已经完成载於LPTS背板的Micro LED原型晶片,采用的驱动电路就是先前介绍的创新设计。LTPS可以提供更高的驱动电流,因此比起IGZO,更适合用来制造TFT显示器背板。举例来说,特性分析结果显示,LTPS面板具备良好的讯号保存能力,这就代表,这些讯号在画素导通後能在电流镜与电容器上保存多长时间。



图四 : 显示讯号保存时间的示波器分析结果。
图四 : 显示讯号保存时间的示波器分析结果。

结语

imec提出了一款利用TFT背板来驱动Micro LED的混合式方法,整合了LED电视墙与AMOLED设计的最大优势,包含驱动电流的程式控制、PWM模式的主动式矩阵设计。另外也开发了创新的6T2C电路架构,让这套混合式设计能驱动Micro LED显示器达到最隹的影像品质。这款基於LTPS材料的TFT驱动电路设计完稿(tapeout)也擘画了imec与晶片制造夥伴的合作之路,以实现量产Micro LED显示器的目标。


(本文由imec提供;作者Kris Myny为imec主任研究员/编译:吴雅婷)


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