三大显示器发展现状和未来趋势

显示技术已经在我们的日常生活中无处不在；其广泛应用涵盖智能手机、平板电脑、桌面显示器、电视、数据投影仪和增强现实/虚拟现实设备。当前，液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）显示器是两种主要的平板显示技术。最近出现了mini-LEDs （mLEDs） and micro-LEDs （μLEDs），可显著提高LCD的动态范围或用作阳光下可读的发光显示器。然而，传质收率和缺陷修复等挑战依然存在，这无疑会影响成本。“液晶显示器（LCD）、有机发光二极管（OLED）还是micro-LEDs（μLED）谁赢了？”已经成为激烈争论的话题。

液晶显示器（LCD）于1960年代末和1970年代初发明。自2000年代以来，LCD逐渐取代了笨重的阴极射线管（CRT），并已成为主导技术。然而，液晶显示器是非透射的，需要背光单元（BLU），这不仅增加了面板厚度，而且限制了其灵活性和形状因素。同时，经过30年设备开发以及对先进制造技术的巨额投资，有机发光二极管（OLED）显示器发展迅速，使可折叠智能手机和可卷曲电视成为可能。在过去的几年中，发光OLED显示器获得了发展动力，并且由于其出众的空前暗态，薄外形和自由形状，在电视和智能手机中与LCD展开了激烈竞争。但是，某些关键问题，例如老化和寿命，仍需要改进。最近，micro-LEDs（μLED）和mini-LEDs （mLED）已经成为下一代显示器。micro-LEDs（μLED）对于透明显示器和高亮度显示器特别有吸引力，而mini-LEDs （mLED）既可以用作高动态范围（HDR）LCD的局部可调光背光，也可以用作发光显示器。mLED和μLED均提供超高亮度和长寿命。这些功能对于诸如智能手机，公共信息显示器和车辆显示器之类的日光可读显示器是非常需要的。

为了比较不同的显示器，以下是重要的性能指标：（1）HDR和高环境对比度，（2）虚拟现实的高分辨率或高分辨率密度，以最小化屏幕门效应，（3）宽色域（4）宽视角和不明显的角色偏（5）抑制图像模糊的快速运动图像响应时间（MPRT）（6）低功耗，这对于电池供电的移动显示器尤为重要，（7）薄型、自由形式和轻质系统，以及（8）低成本。

图1. a. RGB芯片mLED /μLED/ OLED发光显示器。b. 颜色转换mLED /μLED/ OLED发光显示器。c. miniLED-背光LCD。CF：滤色片；CC：色彩转换；TFT：薄膜晶体管；DBEF：双增亮膜；BEF：增亮膜；BLU：背光单元。

图1展示了三种常用的设备配置：红，绿，蓝（RGB）芯片发光显示器26，27（图1a），颜色转换（CC）发光显示器25（图1b）和mLED-背光LCD（ 图1c）。在发光显示器（图1a，b）中，mLED /μLED/ OLED芯片用作子像素。在不发光的LCD中（图1c），mLED背光灯被分成一个区域结构。每个区域包含几个mLED芯片以控制面板亮度，并且每个区域都可以有选择地打开和关闭。液晶面板由M和N像素组成，每个RGB子像素由薄膜晶体（TFT）管独立寻址，调节背光的亮度透射率。这三种类型的全色图像生成方式不同。

功耗

mLED /μLED/ OLED显示器的功耗主要取决于驱动电路设计、LED量子效率和光学系统效率。有几种方法可以提高mLED /μLED/ OLED显示器的功率效率。对于较低的Pwire，我们可以将面板分割成更多的单元并采用低电阻率导线材料。

1. PTFT管驱动晶体管的减少

PTFT可以通过优化TD参数。更高Cox更高WT/LT帮助降低VDS_min和PTFT管。其中，

WT和LT是电路设计参数，但应在合理的范围内进行调整。μT和Cox是薄膜晶体管工艺参数。薄膜晶体管栅极处的氧化层被设计得足够薄，以达到高Cox和良好的绝缘性。高的μT可以从互补金属氧化物半导体晶体管获得。因此，业界领袖开始用互补金属氧化物半导体驱动集成电路取代薄膜晶体管。然而，粉末冶金显示器的分辨率和尺寸是有限的。因此，为了获得高分辨率和大尺寸的显示器，需要平铺多个永磁块。平铺设计的主要挑战是接缝的可见性和均匀性，这分别需要小发射孔径和制造后校准。在AM（amplitude modulation）方案中，每个像素有一个单元电路，通常需要补偿设计。该方案对空间要求很高，对高ppi显示器尤其不友好。高度集成的集成电路缓解了这一问题，并提供了更精确的电流控制。此外，该技术能够实现小型化的脉宽调制驱动电路。2015年，Lumiode报道了一种将硅薄膜晶体管集成到AM μLED微显示器上的无转移方法。2017年，X-Celeprint通过微转移印刷展示了具有像素化微尺度IC的AMμLED显示器。2018年，JDC在硅底板上推出了2000ppi的μLED。在2019年，LETI建议以晶圆级制造基本像素单元并将其转移到接收基板上。集成电路驱动器的主要缺点是它们的成本比薄膜晶体管高。随着采用集成电路数量的增加，面板成本也随之增加。因此，在低分辨率彩色显示器中使用集成电路比在高分辨率发射显示器中使用更具成本效益。

2. 通过高EQEchip/VF操作降低PLED

从Eq中，研究人员发现ηLED与EQEchip/VF成正比，表明较高的EQEchip/VF操作偏好。

对比度和ACR

发射显示器的CR（Contrast ratio）本质上很高。在非辐射型LCD中，其CR（Contrast ratio）受到去极化效应的限制，主要受所用LC材料，表面取向和CFs的影响。在实际应用中，除了显示的内容之外，还可以感知反射的环境光（来自外表面或来自内部电极）。

响应时间和MPRT

mLED /μLED/ OLED芯片的响应时间比LC快几个数量级。

但是不能断定mLED /μLED/ OLED发光显示器比LCD提供更流畅的视觉体验。

HDR

HDR是指旨在忠实再现自然场景的显示标准。当前，多种HDR格式共存，例如基本HDR10，出色的杜比视觉，广播友好的Hybrid Log Gamma（HLG）和正在崛起的Advanced HDR。HDR显示器可能支持一种或多种HDR格式，但硬件规格比所采用的格式对最终性能更为重要。

未来应用场景

1、可穿戴显示器

可穿戴电子产品，如虚拟现实/增强现实耳机和智能腕带，被认为是下一代信息平台。可穿戴显示器的常见要求是低功耗、轻重量和高分辨率密度。具体来说，虚拟现实/增强现实近眼显示器需要一个快速MPRT来减少运动图像模糊，而智能腕带更喜欢灵活性。

2、车辆显示器

用于汽车和航天器的典型车辆显示器包括中央仪表板和平视显示器（HUD）单元。对于这些应用，可靠性和阳光可读性对于驾驶员安全至关重要。较宽的工作温度是车辆显示器的另一项要求。无机LED具有最宽的温度范围。OLED显示器在寒冷的环境中工作良好，如果加热会很快老化。液晶显示器在寒冷天气下反应缓慢，上限取决于清洁温度（Tc）。

在未来的几年中，随着技术的逐渐成熟，OLED将在智能手机市场中继续增长，而mLED背光LCD将渗透到平板电脑，游戏显示器，计算机和电视中。在不久的将来，随着mLED /μLED发光显示器的成本变得可以接受，它们可能会逐渐走向中心舞台。