Micro-LED显示光学性能研究*

0   引言

目前LCD液晶面板显示在市场上仍然占据主导位置，但是液晶面板的技术工艺已达技术瓶颈，加上其动式发光形式的限制，导致LCD行业很难再有质的突破。

目前三星、LG已经宣布退出LCD传统显现领域，转攻新型显示。OLED虽然具有许多传统LCD无可比拟的优点，但仍存在一些缺陷，例如：良品率较低、成本太高、8K分辨率无法量产、使用寿命较短、“烧屏”、功耗大等。因此，虽然从出现至今一直备受广大用户和厂商推崇，但是OLED在目前仍然难以取代LCD达到普及。

同时，随着第三代显示的需求推动和技术发展，Micro-LED由于其优异的电流饱和密度^[1]、更高的量子效率以及高可靠性，已经成为目前技术的热点，在显示、VLC（可见光）^[2-3]等方面被广泛研究。由于Micro-LED的技术门槛高，Mini-LED显示产品应时而生，结合现有的8K及QD（量子点）技术，有破壁OLED的趋势。

如今随着市场需求驱动以及技术迭代，显示技术已经由内容为王的二代技术逐渐过渡到突出硬件画质的第三代技术。行业内众多厂家如三星、苹果、友达等已加大对第三代显示技术的研发和投入。本文研究Micro-LED显示从LED光源到出光显示面板的光学变化模型，同时对比Micro-LED从LED光源到出光显示面板的亮度、色坐标、色温等光学方面的光学性能变化。

*：广东省重点领域研发计划资助，项目编号：2019B010135001

作者简介：杨梅慧，女，硕士，高级工程师，研究方向：LED电视技术。

1   实验

本文将采用P0.6的Micro-LED显示箱体模组为研究对象，样品采用100 μm尺寸的RGB三色LED芯片方案，灯板采用COB封装形式。测试仪器：CS2000、HASS2000、示波器、红外测温仪、工作站。

Micro-LED从光源到显示面板光学路径为LED芯片--加表面处理涂层灯板。成品显示屏为灯板模块拼接。实验分别测试裸晶灯板和涂表面处理层灯板数据。

分别测试RGB单芯片、裸晶灯板、3种规格厚度封胶灯板样品，测试其光谱、亮度、色坐标、主观视效等信息。LED芯片发射光谱数据如图1。

图1 RGB芯片发光光谱

同时测试Micro-LED单点芯片光源光学参数，以及组成Micro-LED面板显示后的光学参数，研究LED光源到Micro-LED面板显示的光学参数变化。

实验的理论模型如下。本文光学模型亮度计算依据为光度学能量公式(1)

Km 为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，为最大光谱光视效能，其值为683 lm/W。V (λ )为人眼的明视觉光谱光视效能。Φ (λ )为单位波长的辐射流。

同样，本文光学模型色坐标计算依据为CIE三刺激值公式（2）

以及相对色系数公式（3）

p(λ )为(380~780) nm之间光源单位波长辐射流；为标准三色光谱响应值。对于Mi c ro-LED，由于是主动式发光，光源传输路径比较简单，LED芯片表面只有封胶材料影响，可直接修正如下

P(λ )此处为1组RGB像素点的绝对光谱数据，N为显示屏的像素总数，S为显示屏面积，Ω为立体角。因LED的色坐标由实际工作电流决定，故需要用目标色坐标以及RGB芯片发射光谱利用经验和插值法反推使用电流。

A（λ）为灯板油墨反射率频谱和灯板表面的硅胶穿透率频谱叠加影响曲线，通过裸晶灯板和涂胶灯板测试数据对比得出。Kn为灯板表面封胶透过率、光利用率、校正系数的综合系数。

图2为100 μm的RGB芯片的光形图，按照经验面积匹配，选53°角度，旋转360°作为立体角，故式(6)中的立体角Ω值取1.18π。

图2 RGB LED芯片发光光型图

同时，Micro-LED RGB属于电流型驱动，由于RGB三种芯片的发光效率不一致，为了得到目标色温6 000~10 000 K，三种芯片的电流大小不一样，红光R芯片要求的电流较大，电源的电流需要特殊设计。为保

证电流稳定性及电源设计可靠性，目前普遍使用PWM控制电流脉宽模式来调节各芯片平均电流大小的形式来实现混光。设定x0.275y0.315，色温9 300 K的目标，依据上述LED发射光谱数据计算LED实际需要平均电流在(20~35) μA左右。因100 μm RGB LED chip的光效最优电流比这个值大，如红光最优光效利用电流范围：(0.6~20) mA，绿光最优光效利用电流范围：(0.04~10) mA，蓝光最优光效利用电流范围：(0.03~10) mA，尤其是红光，因此实际使用时将峰值电流提高，利用PWM模式调到平均电流值。即将绿光峰值提高10倍在278 μA，红光峰值电流提高20倍在512 μA。

电流设定后，测试灯板裸晶状态、封胶状态的光学数据。样品规格为：1# 450 μm厚度封胶、2# 300 μm厚度封胶、3# 200 μm厚度封胶、4#裸晶不封胶。

箱体输入R红、G绿、B蓝、W白4个画面，相同画面、电流条件下，采用CS2000测试的光学数据如表1。

如表1数据，随着封胶厚度增加，亮度Lv成比例下降，白场条件下裸晶状态亮度为2 400 cd/m2，到450 μm胶厚状态白场亮度降到537 cd/m2。450 μm成品胶厚，胶体穿透率只有22.4%。其中，蓝绿光穿透率比红光下降明显。随着胶体加厚，色温逐渐降低，到450 μm胶厚，色温降辐达到2 800 K。

通过对各胶体厚度样品煲机1 h后进行温度测试，数据如表2(室温22 ℃)。

如表2数据，因封胶后LED芯片表面空气辐射散热条件被阻隔，增加了1层胶体传导散热，LED灯板表面温度随封胶厚度增加而增加，裸晶状态散热条件好故温度最低。但总体来看，LED的温升在可靠性条件以内，封胶与裸晶温差3.6 K，这个温差对色温的影响较小^[4]。

图3为LED灯板表面封胶胶体穿透率数据。如图3所示，随着胶体加厚，穿透频谱逐渐右翘，蓝绿光比例在降低，导致色温下降。

封胶材料主体为环氧树脂，掺杂黑色素。黑色素材料为碳粉，但主体材料为透明环氧树脂，光谱在胶体内发生的动作为材料吸收、颗粒散射、介质折反射。环氧树脂在可见光光谱范围内无典型吸收波带，穿透率降低主要为碳粉引起。而穿透率波形的变化引起这一现象的主体原因预计为胶体的折反射。

随着观测视角加大，屏幕视效表现逐渐偏青，红色逐渐减弱。介质对光的折射率是n=c/v，而光在介质中传播频率不变，速度与波长的关系是v=f×λ，即波长越大折射率越小。

LED发光从环氧树脂胶体（折射率约为1.4）射向空气（折射率约为1），即从光密介质射向光疏介质。按照折射率公式，红光从胶体到空气的出射角比蓝绿光的出射角小，如图4。

图4 各波长光的折射图

同时，折射率越大，发生全反射的临界角越小，即蓝绿光更容易发生全反射，导致出光的蓝绿光减少。

LED-R chip由于本身材料的特性和芯片结构差异，红光的chip光形图发光角度明显比蓝绿光窄，如图2，加上红光折射率比蓝绿光小，如图4，在环氧树脂界面蓝绿光出光角度被进一步放大。亮度测试仪器CS2000的光学镜头为1°测量，这可解释封胶后白场色温大幅降低的原因。

3   结论

Micro-LED显示因使用电流小温升低，温度对光学的影响较小。灯板的封胶材料厚度对光学影响大，450μm胶厚时色温降低了2 800 K。因Micro-LED显示为LED芯片直显发光，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，以及蓝绿光更容易发生全反射，导致色温偏差。

参考文献：

[1] TIAN C,GUO S X,LIANG J Q,et al.Effects of unit size on current density and illuminance of micro- LED- array[J].Opto-electronics Letters,2017,13(2):84-89.

[2] ISLIM M S,FERREIRA R X,HE X,etc.Towards 10 Gb/s orthogonal frequency division multiplexing-based visible light communication using a GaN violet micro-LED[J]. Photonics Research,2017,5(2):A35-A43.

[3] 田朋飞,顾而丹,刘冉,等.氮化镓基Micro-LED的研究现状[J].光源与照明,2018(1):1-4.

[4] 姚健平,杨梅慧.电流调光模式对LED液晶模组光学性能的影响

[J].电视技术,2015,39(13):103-106.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2020年9月期）