季洪雷,陳乃軍，王代青，張 彥，葛子義

(1.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所,浙江 寧波 315201；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.TCL電子有限公司研發(fā)中心,廣東 深圳 518000 ;4.寧波激智科技股份有限公司，江浙 寧波 315000)

1 引 言

在狄更斯的《雙城記》中寫道“這是一個(gè)最好的時(shí)代，也是一個(gè)最壞的時(shí)代”，將這句話用在當(dāng)今的顯示技術(shù)時(shí)代再合適不過。2002年至今，我國在液晶顯示(LCD)產(chǎn)業(yè)上投資超過1萬億，近幾年在有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示產(chǎn)業(yè)的投資也超過了6 000億。2020年，我國的LCD顯示屏產(chǎn)量已經(jīng)占據(jù)全球第一，預(yù)計(jì)2023年我國OLED顯示屏的產(chǎn)量也將成為全球第一。借助國家的力量，顯示產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，可以說我們這一代趕上了百年不遇的產(chǎn)業(yè)發(fā)展契機(jī)。但同時(shí)，現(xiàn)在也是顯示技術(shù)大爆發(fā)的時(shí)代，從傳統(tǒng)的LCD、OLED到激光投影、量子點(diǎn)(Quantum dots,QD)液晶顯示，再到這兩年火熱的Mini-LED、Micro-LED、量子點(diǎn)有機(jī)發(fā)光二極管(QD-OLED)、QNED(以藍(lán)光LED作為光源的QD-OLED顯示)等顯示技術(shù)，顯示技術(shù)從業(yè)者往往也會有“亂花漸欲迷人眼”之感[1-2]。處在這樣一個(gè)“春花爛漫”的時(shí)代，從業(yè)者們需要意識到的是在多種顯示技術(shù)的集中爆發(fā)后，根據(jù)市場法則最終占據(jù)主導(dǎo)地位的必然只有一種技術(shù)，即“我花開后百花殺”的殘酷結(jié)局[3]。歷史已有經(jīng)驗(yàn)告訴我們，如同LCD技術(shù)淘汰陰極射線顯像管(CRT)和等離子顯示技術(shù)(PDP)一樣，目前多樣化的顯示技術(shù)從長期來看，在未來只有一種或兩種技術(shù)可以脫穎而出，成為真正的下一代顯示技術(shù)。本文從TV顯示技術(shù)的發(fā)展出發(fā)，介紹了Mini-LED背光技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

Mini-LED的概念源于Micro-LED技術(shù)的發(fā)展。盡管Micro-LED用于直接顯示的優(yōu)勢非常突出，然而受限于巨量轉(zhuǎn)移等技術(shù)的發(fā)展，距離市場化仍有一定的距離。傳統(tǒng)的LED的尺寸一般為毫米量級，而Micro-LED的尺寸一般為<100 μm。在傳統(tǒng)的LED和Micro-LED之間，存在一個(gè)芯片的尺寸斷層，被成為Mini-LED技術(shù)。Mini-LED技術(shù)可以看作是LED向Micro-LED技術(shù)的過渡。由于Mini-LED技術(shù)難度相對較低，同時(shí)得益于液晶直下式LED滿天星技術(shù)方案，Mini-LED技術(shù)在液晶顯示背光中產(chǎn)生了應(yīng)用前景，成為Mini-LED發(fā)展的主要推動力。此外，Mini-LED相關(guān)的巨量轉(zhuǎn)移、檢測等技術(shù)對于Micro-LED的發(fā)展具有一定推動作用，也成為Mini-LED技術(shù)發(fā)展的技術(shù)推動力量。

Mini-LED顯示技術(shù)主要分為兩大類，一類是直接將Mini-LED通過無源矩陣(PM)驅(qū)動或有源矩陣(AM)驅(qū)動，是最接近Micro-LED的顯示技術(shù)，尚有多項(xiàng)技術(shù)問題未攻克，還沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用；另外一類則是Mini-LED背光技術(shù)，通過將Mini-LED背光與LCD結(jié)合，可以大幅提升LCD在對比度和運(yùn)動模糊方面的性能。運(yùn)動模糊是指靜態(tài)場景或一系列的圖片像電影或是動畫中快速移動的物體造成明顯的模糊拖動痕跡。同時(shí)保持超薄厚度，使LCD技術(shù)升級到新的臺階，提升基于LCD終端產(chǎn)品的市場競爭力。

本文僅就目前最接近產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的Mini-LED背光技術(shù)進(jìn)行討論，從Mini-LED背光技術(shù)的定義出發(fā)，回顧近年來Mini-LED背光技術(shù)在顯示產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用狀況，闡述Mini-LED背光技術(shù)對傳統(tǒng)LCD顯示產(chǎn)業(yè)的意義。在此基礎(chǔ)上，從Mini-LED背光技術(shù)層面和TV的應(yīng)用層面提出了Mini-LED背光技術(shù)發(fā)展中存在的問題和挑戰(zhàn)以及Mini-LED背光技術(shù)在TV產(chǎn)品中應(yīng)用的發(fā)展方向。

2 Mini-LED背光的定義

目前產(chǎn)業(yè)界還沒有形成Mini-LED標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，不同廠商在產(chǎn)業(yè)鏈中所處的位置不同，對于Mini-LED背光技術(shù)的定義標(biāo)準(zhǔn)也不同。

圖1 Mini-LED背光的定義角度Fig.1 Definition of Mini-LED backlight from different perspectives

從Mini-LED名詞自身的角度看，需要按照芯片的尺寸來定義，目前通常認(rèn)為，Mini-LED指的是芯片短邊尺寸在75～300 μm之間的芯片。

而對于封裝廠而言，在分區(qū)數(shù)量較少的情況下使用微米級的芯片用于背光方案，芯片的數(shù)量大幅增加，驅(qū)動電流大幅降低，芯片的發(fā)光效率也隨之大幅降低。

對于TV產(chǎn)品應(yīng)用，Mini-LED背光技術(shù)提供實(shí)現(xiàn)區(qū)域調(diào)光技術(shù)(Local Dimming)更多的分區(qū)[4]。區(qū)域調(diào)光顧名思義即將整個(gè)畫面按矩陣式分成若干個(gè)區(qū)域，CPU根據(jù)每個(gè)區(qū)域分布計(jì)算平均亮度，對各區(qū)域的亮度獨(dú)立控制。因此單位面積的分區(qū)數(shù)量(即分區(qū)密度)是終端廠家評價(jià)Mini-LED背光的重要參數(shù)。

對于普通消費(fèi)者而言，他們更多關(guān)注的是產(chǎn)品的性能、功能以及價(jià)格，對于選購的產(chǎn)品是否采用Mini-LED背光技術(shù)并不關(guān)心，他們更關(guān)心的是與Mini-LED背光相關(guān)的高畫質(zhì)參數(shù)是否能夠帶來全新的附加功能。在這方面還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)。

一項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值取決于它能夠給最終使用者的賦能，賦能即提升性能、增加功能。就此而言，Mini-LED背光的定義應(yīng)該根據(jù)其能夠給終端帶來的價(jià)值提升來定義，而在這個(gè)問題上目前行業(yè)內(nèi)最大的難題是，Mini-LED背光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的高分區(qū)、高亮度、高對比度等性能，使用傳統(tǒng)的直下式背光(滿天星方案)也能夠達(dá)到，也就是在高畫質(zhì)的性能提升方面，Mini-LED背光技術(shù)與滿天星背光技術(shù)相比辨識度較低，這也是在應(yīng)用角度目前難以對Mini-LED背光技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定義的主要原因[5]。從Mini-LED背光的結(jié)構(gòu)示意圖[6](圖2)可以看出，除了所用LED芯片尺寸的不同，其他部分的結(jié)構(gòu)與直下式LED背光的結(jié)構(gòu)基本無異。

圖2 Mini-LED背光的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of Mini-LED backlight structure

3 Mini-LED背光技術(shù)在產(chǎn)品中的應(yīng)用

為了更好地展現(xiàn)出Mini-LED背光技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，本文從產(chǎn)品應(yīng)用的角度出發(fā)，首先概述了目前已展出或投入市場的多款產(chǎn)品?；贛ini-LED背光產(chǎn)品的發(fā)展路線如圖3所示，其各品牌廠商發(fā)布的Mini-LED背光的電子產(chǎn)品的具體參數(shù)如表1所示。Mini-LED背光技術(shù)與目前行業(yè)上流行的其他顯示技術(shù)相比，最大的優(yōu)勢就在于其在材料上沒有科學(xué)性難題，最容易也最快被量產(chǎn)并投入到市場中。

圖3 基于Mini-LED背光產(chǎn)品的發(fā)展路線，2018年節(jié)點(diǎn)處為各家發(fā)布mini-LED背光樣機(jī)。Fig.3 Development route of Mini-LED backlight products.Each company released Mini-LED backlight prototypes at the node in 2018.

表1 各品牌廠商發(fā)布的Mini-LED背光的電子產(chǎn)品參數(shù)Tab.1 Mini-LED backlight electronic product parameters released by various brands

2018年5月的美國顯示技術(shù)學(xué)會(Scociety of information display,SID)展上，京東方、友達(dá)、群創(chuàng)和華碩等公司，分別展出了152.4～685.8 mm(6～27 in)基于Mini-LED背光技術(shù)的產(chǎn)品樣機(jī)。在隨后2018年9月的柏林國際電子消費(fèi)品展覽會(Internationale Funkausstellung Berlin，IFA)展上，TCL電子在行業(yè)內(nèi)最早展示了基于Mini-LED背光技術(shù)的1 651 mm(65 in)TV樣機(jī)。2019年3月，TCL電子有限公司發(fā)布了使用Mini-LED背光技術(shù)的高端電視75X10，這是全球第一款將Mini-LED背光技術(shù)應(yīng)用于消費(fèi)市場的產(chǎn)品。2020年,TCL電子在北美發(fā)布了低成本的Mini-LED背光電視R63系列，在維持高亮度、高對比度性能的同時(shí)，將LED的使用數(shù)量降低到3 800顆，以此來降低成本。

此外，據(jù)媒體報(bào)告，韓國三星將于2021年首次推出自己的Mini-LED背光電視，預(yù)計(jì)出貨量將超過200萬臺，市場需求將會很高。三星以Mini-LED背光+QLED的產(chǎn)品挑戰(zhàn)OLED電視。這一新產(chǎn)品將加入包括QLED智能電視和Micro-LED電視在內(nèi)的三星高端產(chǎn)品系列中，三星宣稱Mini-LED電視將提供比目前市面上的QLED智能電視更好的體驗(yàn)。

三星在2021年的Mini-LED背光電視系列包括1 398 mm(55 in)、1 651 mm(65 in)、1 905 mm(75 in)和2 159 mm(85 in)的顯示器尺寸，具備4 K分辨率，以及多個(gè)Mini-LED局部調(diào)光區(qū)，可將現(xiàn)有顯示器對比度由10 000∶1拉升至1 000 000∶1。采用直徑為100～300 μm的超小型LED芯片作為背光源，每臺電視使用8 000～30 000個(gè)LED芯片。

以O(shè)LED為其代表技術(shù)的LG公司近日有消息稱將在CES 2021上展出最新使用Mini-LED背光技術(shù)的QNED電視(Q代表量子點(diǎn)技術(shù)，N代表NanoCell系列名)。LG QNED電視的最大特征是采用了Mini-LED背光技術(shù)，并擁有多達(dá)2 500個(gè)控光分區(qū)。在面板層面，LG QNED電視將提供8 K分辨率和120 Hz刷新率的超高指標(biāo)。此外，美國的蘋果公司也將在2021年Q1季度發(fā)布其采用Mini-LED背光技術(shù)的326.6 mm(12.9 in)的Ipad產(chǎn)品。

綜上所述，Mini-LED背光技術(shù)已經(jīng)在TV產(chǎn)品中得到了實(shí)際的應(yīng)用，也取得了較好的市場反響，甚至有人說2020年是Mini-LED背光顯示技術(shù)的元年。在2021年，世界主流消費(fèi)電子廠商將紛紛入局Mini-LED顯示技術(shù)，切入點(diǎn)都是Mini-LED背光。

目前在TV顯示技術(shù)領(lǐng)域，大的格局是LCD技術(shù)與OLED顯示技術(shù)的競爭。相比傳統(tǒng)LCD，OLED技術(shù)對LCD技術(shù)主導(dǎo)的TV產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。憑借其主動發(fā)光的特性，省卻了LCD必需的背光源，首先在形態(tài)上帶來的輕與薄是顯而易見的，市場上厚度5 mm以下的OLED TV比比皆是。其次在畫質(zhì)方面也帶來了明顯的提升，尤其是在對比度和可視角度兩項(xiàng)指標(biāo)上。因?yàn)橹鲃影l(fā)光，所以不存在LCD TV的漏光問題，理論上不存在黑場漏光，即理論上對比度可以趨于無窮大。

而LCD TV顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢是通過對背光和屏兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行不斷升級改進(jìn)，從而不斷提升LCD技術(shù)的顯示指標(biāo)，使LCD TV產(chǎn)品無論在形態(tài)和性能上都能接近或者超過OLED TV。在這種大環(huán)境下，Mini-LED背光技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如圖4所示，首先，Mini-LED背光技術(shù)可以在理論上實(shí)現(xiàn)高密度的分區(qū)，在技術(shù)上可以大幅提高LCD顯示的動態(tài)對比度。其次，Mini-LED背光使用超多的芯片數(shù)量，每個(gè)芯片的驅(qū)動電流只有5～10 mA，而實(shí)際這些芯片的額定驅(qū)動電流通常都在50～100 mA左右，所以我們的使用電流遠(yuǎn)低于其額定電流，而且由于在Mini-LED背光方案中，LED芯片會均勻的分布在整個(gè)顯示區(qū)域，散熱面積大，熱量分布均勻，這些特性都有助于實(shí)現(xiàn)Mini-LED背光TV產(chǎn)品的高亮度[7]。高亮度和高對比度及普遍應(yīng)用于TV產(chǎn)品的量子點(diǎn)高色域技術(shù)，就可以在高動態(tài)范圍圖像(High-Dynamic Range，HDR)層面超過OLED，增加LCD TV產(chǎn)品在終端的競爭力[8]。

圖4 Mini-LED背光在TV上的技術(shù)優(yōu)勢Fig.4 Technical advantages of Mini-LED backlight on TV

在外觀形態(tài)上，由于Mini-LED背光方案通?；旃饩嚯x(Optical distance，OD)較小，一般小于5 mm，在整機(jī)厚度上遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的LCD直下式背光產(chǎn)品，在外觀形態(tài)上接近OLED，彌補(bǔ)了LCD TV的短板，在高端機(jī)層面可以與OLED TV一較高下[9]。

總之，在綜合顯示性能和外觀形態(tài)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)上，Mini-LED背光技術(shù)可以助力傳統(tǒng)LCD技術(shù)在成本提升有限的情況下，最大限度地提升產(chǎn)品競爭力，在TV顯示領(lǐng)域，助力LCD顯示技術(shù)戰(zhàn)勝OLED。這是Mini-LED背光技術(shù)對于LCD TV最為重要的貢獻(xiàn)和價(jià)值。

4 Mini-LED背光在技術(shù)層面的難點(diǎn)

Mini-LED背光技術(shù)雖然已經(jīng)開始應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，但仍然存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)(圖5)。本文將從技術(shù)層面出發(fā)，分別闡述Mini-LED背光在芯片、巨量轉(zhuǎn)移、缺陷管理、驅(qū)動技術(shù)、背板技術(shù)以及混色6個(gè)方面所面臨的技術(shù)問題與挑戰(zhàn)[1]。

圖5 Mini-LED背光面臨的技術(shù)難點(diǎn)匯總Fig.5 Summary of technical difficulties faced by Mini-LED backlight

4.1 芯片技術(shù)的難點(diǎn)

首先是芯片的良率問題。Mini-LED背光所用芯片因?yàn)槭艿骄€寬精度和電極遮光的影響，芯片自身的亮度降低，從而影響到Mini-LED背光所用芯片晶圓的良率。目前Mini-LED背光所用芯片晶圓的裁切良率一般為75%左右[10]。其次是波長一致性的問題，Mini-LED所用芯片通常采用化學(xué)氣相沉積的方式生產(chǎn)，化學(xué)氣相沉積法存在膜厚均一性的問題，這個(gè)問題反饋到芯片性能上就是發(fā)光波長一致性的問題。LED產(chǎn)業(yè)一般采用多次分選技術(shù)解決這一問題，通常一個(gè)規(guī)格(Bin)的精度為2.5 nm，而Mini-LED背光技術(shù)所用的芯片，由于數(shù)量巨大，且涉及到亮度和色度一致性的問題，需要規(guī)格的精度達(dá)到1～1.5 nm才能滿足應(yīng)用的要求。這就同時(shí)對晶圓的品質(zhì)(優(yōu)化晶圓生長過程，提高芯片的波長一致性)和后續(xù)的分選精度提出了更高的要求。此外，隨著芯片尺寸的大幅減小，在小電流驅(qū)動下，芯片自身外量子效率也會隨之下降。Mini-LED背光芯片在小電流下工作時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率會大幅下降[11]，相比綠光和紅光芯片而言，藍(lán)光芯片的光電轉(zhuǎn)換效率下降幅度較小，能夠滿足實(shí)際產(chǎn)品的應(yīng)用要求，這也是為什么目前基于Mini-LED背光的產(chǎn)品基本都采用藍(lán)光LED芯片配合光轉(zhuǎn)換材料實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射的原因，其中光轉(zhuǎn)換材料的選擇又以量子點(diǎn)材料為最佳，量子點(diǎn)材料的引入可以提升Mini-LED背光產(chǎn)品的色域。

續(xù) 表

4.2 轉(zhuǎn)移技術(shù)的難點(diǎn)

Mini-LED背光技術(shù)的芯片轉(zhuǎn)移難度雖然無法與Micro-LED和Mini-LED顯示技術(shù)所需的巨量轉(zhuǎn)移相提并論，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨著轉(zhuǎn)移效率和良率的問題。轉(zhuǎn)移效率和良率直接影響了Mini-LED背光產(chǎn)品的成本，例如目前1 905 mm(75 in)Mini-LED背光燈板加驅(qū)動的報(bào)價(jià)普遍在傳統(tǒng)燈板加驅(qū)動報(bào)價(jià)的10倍以上。兩種背光之間的巨大價(jià)格差直接阻礙了Mini-LED背光技術(shù)在終端顯示市場中的應(yīng)用和推廣。Mini-LED芯片的轉(zhuǎn)移通過高速貼片機(jī)或固晶機(jī)實(shí)現(xiàn)，Mini-LED芯片由于其焊點(diǎn)面積小，因錫膏檢查設(shè)備(SPI)設(shè)備的檢測精度不足，空洞率較高，容易造成焊點(diǎn)假焊的現(xiàn)象，這兩種轉(zhuǎn)移方式均不可避免，尤其在通過回流焊之后，假焊現(xiàn)象更容易造成轉(zhuǎn)移的不良[12]。

轉(zhuǎn)移的精度和速度也是Mini-LED背光技術(shù)所面臨的技術(shù)難點(diǎn)，而且這兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)相互矛盾。通常情況下，首先要保證轉(zhuǎn)移的精度，在此基礎(chǔ)上再盡可能地提高轉(zhuǎn)移速度。使用板上芯片封裝(COB)轉(zhuǎn)移方式的Mini-LED背光，要求轉(zhuǎn)移精度在10～20 μm之間，目前行業(yè)內(nèi)較好的固晶機(jī)可以在保證此精度的前提下將轉(zhuǎn)移速度提升至50 K。當(dāng)然，也有使用激光轉(zhuǎn)移技術(shù)的公司宣稱轉(zhuǎn)移速度可以達(dá)到200 K。但無論如何，目前Mini-LED芯片轉(zhuǎn)移技術(shù)的效率和速度離終端應(yīng)用的需求仍有一定差距。

4.3 缺陷管理的難點(diǎn)

此處缺陷的概念不僅是指在轉(zhuǎn)移過程中的不良，也包括芯片的微缺陷不良、基板和焊盤的不良、刷錫膏的不良等。由于Mini-LED背光燈板使用相關(guān)部品的一致性和良率要求都比傳統(tǒng)的背光燈板高得多，為了盡可能地提高轉(zhuǎn)移制程的直通率和效率，需要配備專業(yè)的設(shè)備對相關(guān)部品進(jìn)行自動的缺陷檢測與篩查[13-14]。

芯片轉(zhuǎn)移過程中的缺陷檢測與篩查必不可少。例如在回流焊之前對焊盤位置和錫膏厚度的檢測，在回流焊之后對于轉(zhuǎn)移缺陷和死燈的檢測，以及檢測之后的自動維修等。這些檢測步驟和環(huán)節(jié)作為轉(zhuǎn)移制程中良率的補(bǔ)充工藝，對Mini-LED背光燈板技術(shù)至關(guān)重要。

4.4 驅(qū)動技術(shù)的難點(diǎn)

Mini-LED背光技術(shù)的驅(qū)動電流較小(<10 mA)，這就對驅(qū)動IC控制電流的精度提出了高要求。一般需要將Mini-LED背光的驅(qū)動電流精度控制在±1.5%范圍內(nèi)，才能提供穩(wěn)定的畫面輸出，而一般傳統(tǒng)LED背光的電流驅(qū)動精度僅為±10%左右。由于目前Mini-LED背光中使用的芯片數(shù)量較多，整機(jī)功率增加，因此通常采用共陰式驅(qū)動IC，以此來降低Mini-LED的功耗和溫度。為了降低驅(qū)動成本，Mini-LED背光使用的驅(qū)動IC通道數(shù)越來越多，需要提高多通道電流的穩(wěn)定性和精度來滿足應(yīng)用的需求。如果考慮到為紅綠藍(lán) Mini-LED背光的需求，紅綠藍(lán)三基色芯片的驅(qū)動電流和電壓均不同，且涉及到亮度和顏色一致性問題，屆時(shí)將會對Mini-LED的驅(qū)動技術(shù)提出更高的挑戰(zhàn)。

4.5 背板技術(shù)的難點(diǎn)

背板的材質(zhì)可以分為玻璃基板和印刷電路板(PCB)。這兩種基板各有優(yōu)劣，目前基本以印刷電路板為主，未來玻璃基板可能會成為主流。

印刷電路板由玻璃纖維、金屬層和各種圖層復(fù)合在一起組成，具有很高的韌性，不易因碰撞造成損傷。印刷電路板制程成熟，可以根據(jù)不同需求搭配印刷電路板層疊厚度與線路，在開發(fā)階段具有很高的靈活性和開發(fā)效率。印刷電路板的尺寸可以隨意變化，不受限制，驅(qū)動IC可放置在印刷電路板后面，減少無效區(qū)，提升拼接的兼容性。但是印刷電路板存在成本高、尺寸穩(wěn)定性差、基板本身的平整性差、受熱或過回流焊后容易板材翹曲等問題。

玻璃基板與印刷電路板相反，首先在做多層線路時(shí)，玻璃基板使用TFT的光罩工藝來制作線路，雖然初期開發(fā)時(shí)一次性投入大，但是玻璃基板成本低，以4層板為例，其價(jià)格預(yù)計(jì)僅為印刷電路板的1/3。而且玻璃基板的平整度高(>99.9999%)，適合大面積高精度的Mini-LED背光芯片的轉(zhuǎn)移。由于使用光罩工藝，玻璃基板的線路和焊盤的精度極高，與印刷電路板不在一個(gè)數(shù)量級上。如果用薄膜晶體管(TFT)的主控制板驅(qū)動，驅(qū)動成本將大幅降低[14]。

盡管玻璃基板有以上這些優(yōu)勢，但仍有幾個(gè)問題亟需解決。首先是電流線損(IR Drop)問題，由于TFT基板的線路電遷移率低，電流的線阻較大，造成電流輸入端與輸出端的電流分布不均，從而造成亮度差異較大。其次，TFT-LCD一般使用電壓驅(qū)動，而Mini-LED背光技術(shù)使用的是電流驅(qū)動，電壓驅(qū)動模式下較小的電壓波動對于TFT-LCD的顯示性能影響不大，但當(dāng)電壓波動轉(zhuǎn)換成電流波動時(shí)，對亮度的影響較大。除此之外，還存在溫升、可靠性等一系列問題。

4.6 顏色形成的技術(shù)難點(diǎn)

Mini-LED背光使用藍(lán)光芯片時(shí)，由于波長一致性、驅(qū)動電壓、電流波動的影響，在背光全白場檢測中經(jīng)常出現(xiàn)白場亮度不均或色度不均的問題[15]。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中，波長一致性的問題通常通過混規(guī)格的方法來解決。但一般混規(guī)格都是在完成封裝后再進(jìn)行，將已經(jīng)分好規(guī)格的LED按照不同算法選擇混合，而Mini-LED背光通常使用板上芯片封裝的方案，芯片按照同一規(guī)格排布在藍(lán)膜上，如果在轉(zhuǎn)移過程中進(jìn)行混規(guī)格就會降低轉(zhuǎn)移的速度，同時(shí)大幅增加轉(zhuǎn)移的難度，所以目前顏色形成中出現(xiàn)的光色不均勻性的問題，一般采用增加膜片的層數(shù)和擴(kuò)散度，或者使用D-mura技術(shù)解決，但這些方法都會犧牲Mini-LED背光的亮度，增加功耗，進(jìn)而容易造成熱量集中等問題[16]。

5 Mini-LED背光在應(yīng)用層面的難點(diǎn)

除了Mini-LED背光面臨技術(shù)層面的問題外，在應(yīng)用層面也面臨著多方面的挑戰(zhàn)，本文從技術(shù)必需性、價(jià)格、分區(qū)合理性、節(jié)能、環(huán)境光影響、光暈效應(yīng)(Halo Effect)6個(gè)方面進(jìn)行闡述，如圖6所示。

圖6 Mini-LED背光技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)Fig.6 Challenges of Mini-LED backlight technology application

5.1 技術(shù)必需性

如前面在Mini-LED背光的定義中所述，在應(yīng)用端比較突出的問題是75～300 μm芯片存在的必要性。這個(gè)尺寸范圍內(nèi)的芯片對應(yīng)的Mini-LED背光對TV產(chǎn)品性能的提升幅度，使用滿天星的背光方案或多分區(qū)的背光方案也可以達(dá)到[17]。這并不是否定Mini-LED背光技術(shù)的存在價(jià)值，而是需要整個(gè)行業(yè)根據(jù)其特性能夠進(jìn)一步開發(fā)出新的功能，從給消費(fèi)者賦能的角度促進(jìn)Mini-LED背光技術(shù)的發(fā)展。

5.2 價(jià)格挑戰(zhàn)

據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)估算，蘋果公司預(yù)計(jì)在2021年3月發(fā)布Ipad Pro產(chǎn)品，該產(chǎn)品搭載了Mini-LED背光技術(shù)，尺寸為326.6 mm(12.9 in)，預(yù)計(jì)使用10 000顆Mini-LED 芯片，預(yù)計(jì)其Mini-LED背光光源部分的成本將比傳統(tǒng)的同尺寸LCD顯示屏高166%，比同尺寸OLED的顯示屏高32%[18-19]。

使用Mini-LED背光技術(shù)的1 651 mm(65 in)電視，在背光源部分的成本為傳統(tǒng)側(cè)入式機(jī)型的148%，是傳統(tǒng)直下式的2倍。高成本來自于芯片成本，轉(zhuǎn)移、檢測、修復(fù)的工藝成本，多層電路基板的成本，多分區(qū)驅(qū)動造成的驅(qū)動成本。相比于產(chǎn)品本身采用了何種顯示技術(shù)，消費(fèi)者更加關(guān)心的是顯示終端的性價(jià)比，所以如何在未來幾年內(nèi)大幅度降低Mini-LED背光技術(shù)的應(yīng)用成本是該技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向[20]。

5.3 光暈效應(yīng)的影響

光暈效應(yīng)即為光暈之意。在使用分區(qū)控制技術(shù)中，單位分區(qū)的光擴(kuò)散的區(qū)域即為光暈區(qū)[21]。

傳統(tǒng)認(rèn)為光暈的區(qū)域越小越好，但實(shí)際上如果將Mini-LED背光中的光暈做到極小，在實(shí)現(xiàn)區(qū)域調(diào)光技術(shù)中會出現(xiàn)類似于馬賽克的效果，顯示效果反而會下降。反之，如果光暈區(qū)域太大也會影響Mini-LED背光實(shí)現(xiàn)高對比度的效果。所以如何能夠量化地定義光暈效應(yīng)，并且能根據(jù)實(shí)際需要選取終端需要的光暈值，是Mini-LED背光技術(shù)走向應(yīng)用所面臨的一個(gè)重要課題。此外，隨著Mini-LED背光中的混光距離變化，產(chǎn)生的光暈效果不同，所需要的調(diào)制算法也就不同。所以光暈效應(yīng)與混光距離以及分區(qū)數(shù)量都有密切的關(guān)系。如何配合液晶屏的類型和算法，定義并設(shè)計(jì)出合理的光暈值，對于發(fā)揮Mini-LED背光在終端應(yīng)用中的最大價(jià)值尤為重要。

5.4 分區(qū)的合理性

分區(qū)數(shù)量是衡量Mini-LED背光技術(shù)的重要指標(biāo)，也是決定性能、方案以及成本的關(guān)鍵參數(shù)，其關(guān)系如圖7所示。

圖7 分區(qū)數(shù)量與性能、解決方案之間的衡量參數(shù)。Fig.7 Measurement parameters between the number of partitions,performance,and solutions.

從理論上講，Mini-LED背光的分區(qū)數(shù)越多越好，如果能做到像素級分區(qū)，就可以追平甚至超越OLED的顯示效果。但隨著分區(qū)數(shù)量的上升，其驅(qū)動成本、LED的使用數(shù)量、背板線路的復(fù)雜程度都會造成成本的直線上升。

此外，顯示技術(shù)最終還是靠人眼來評價(jià)和感知，理論參數(shù)值的提高不意味著人眼感知也能夠提高。通過設(shè)計(jì)并進(jìn)行主觀實(shí)驗(yàn)，可以確定人類對光暈效應(yīng)的視覺感知極限。峰值信噪比(PSNR)是一種用于量化顯示圖像和目標(biāo)圖像之間差異的評估指標(biāo)，這個(gè)值在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)大于47.4 dB?；诖?，可以提出對分區(qū)數(shù)量的要求：對于高對比度 5 000∶1的LCD面板，超過200個(gè)分區(qū)即可，對于對比度 2 000∶1的LCD面板，需要超過3 000個(gè)調(diào)光區(qū)域[22]。

所以如何在性能與成本之間選擇一個(gè)平衡點(diǎn)，在保證人眼感知性能的前提下，盡量減少分區(qū)的數(shù)量是顯示終端在Mini-LED背光技術(shù)應(yīng)用時(shí)的一個(gè)重要課題。

5.5 環(huán)境光的影響

近幾年關(guān)于環(huán)境光對對比度、色域影響的研究很多，環(huán)境光的問題之所以能夠吸引眾多的研究人員深入其中，就在于終端工作的場景是伴隨有環(huán)境光的。而技術(shù)人員在測試顯示終端性能時(shí)，通常是在暗室條件下測量，這樣測量的顯示指標(biāo)并不能等同于消費(fèi)者在實(shí)際使用過程中的感知[23]。

正是由于環(huán)境光對于顯示效果，尤其是對比度有較大的影響，誕生出了環(huán)境光對比度的定義和計(jì)算方法。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，LCD與OLED TV當(dāng)屏幕反光亮度大于或接近LCD背光的漏光亮度時(shí)，二者的顯示效果就相接近了[24]。如果LCD的上偏光片使用了抗鏡面(Antiglass，AG)和減反射(Antireflection，AR)處理工藝，即使沒有多分區(qū)的區(qū)域調(diào)光技術(shù)，LCD的顯示效果，尤其是對比度的效果，也會得到顯著提升。

簡而言之，在環(huán)境光的影響下，Mini-LED背光技術(shù)所提供的高亮度、高色域的性能也許比多分區(qū)更有價(jià)值。如何衡量環(huán)境光影響下Mini-LED背光技術(shù)在TV終端的應(yīng)用也是直接影響到終端消費(fèi)者體驗(yàn)的重要因素。

5.6 節(jié)能

理論上Mini-LED背光技術(shù)的驅(qū)動電流小，又有分區(qū)控制技術(shù)的加持，Mini-LED背光技術(shù)的能耗被認(rèn)為將遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的LCD TV。以1 905 mm(75 in)TV為例，一般傳統(tǒng)的LCD TV 背光功率在250 W左右，但使用Mini-LED背光的功率一般會超過350 W。高出的100 W主要有幾個(gè)來源，低電流驅(qū)動芯片時(shí)，芯片的光電轉(zhuǎn)換效率低，當(dāng)驅(qū)動芯片數(shù)量增多后，驅(qū)動芯片的耗電量將會增加，此外驅(qū)動板使用低電壓、大電流供電，會造成線損增加，電源效率低[25]。

為了解決這些問題，芯片廠家積極開發(fā)電流驅(qū)動下高效率的Mini-LED專用芯片。此外，使用多PN節(jié)復(fù)合(MJT)技術(shù)，將多個(gè)PN結(jié)復(fù)合，將芯片的驅(qū)動電壓從原來的3 V提高到12 V或24 V，以此來減少線損，提高電源的使用效率。在驅(qū)動IC方面，使用共陰極、動態(tài)節(jié)能、黑屏節(jié)能以及低轉(zhuǎn)折節(jié)能等技術(shù)來降低驅(qū)動IC的能耗[26]。從以上解決方案來看，未來一兩年內(nèi)，Mini-LED背光技術(shù)的功耗問題有望取得較大進(jìn)展。

6 結(jié) 論

Mini-LED背光技術(shù)在TV等顯示終端的應(yīng)用是近年來最具前景和革命性的事件，國外顯示巨頭如三星、LG和蘋果等公司紛紛入局，相繼發(fā)布自家的Mini-LED背光產(chǎn)品。在國內(nèi)，TCL最早發(fā)布了應(yīng)用Mini-LED背光技術(shù)的電視產(chǎn)品，小米、海信、創(chuàng)維等公司也逐步跟進(jìn)[27]。

盡管Mini-LED背光技術(shù)可以在外觀形態(tài)、對比度、亮度、色域等方面助力LCD產(chǎn)品在與OLED 產(chǎn)品的競爭中取得優(yōu)勢[28-29]。但目前Mini-LED背光技術(shù)并不是完全成熟的，與其他新型顯示技術(shù)相比，也許沒有科學(xué)級的問題要突破，但其自身的技術(shù)方案還不成熟。從產(chǎn)業(yè)化的角度看，距離真正的大規(guī)模量產(chǎn)仍有差距。

在應(yīng)用上，也有一些關(guān)鍵問題需要進(jìn)一步研究和解決。其中各個(gè)問題之間仍具復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，分區(qū)數(shù)與成本、光暈、算法等具有極強(qiáng)的相關(guān)性，在這方面仍然缺乏綜合性與系統(tǒng)性的研究，無法將單個(gè)要素的研究成果有機(jī)地整合，以達(dá)到綜合用戶體驗(yàn)、性能、成本的最佳Mini-LED背光技術(shù)方案。

面對即將到來的顯示技術(shù)大爆發(fā)時(shí)代，Mini-LED背光技術(shù)已然成為當(dāng)下研究最為火熱也是最貼近量產(chǎn)的一項(xiàng)應(yīng)用型技術(shù)。除了目前已經(jīng)成功商業(yè)化的基于藍(lán)光芯片加量子點(diǎn)膜片光轉(zhuǎn)換技術(shù)之外，未來基于紅綠藍(lán) Mini-LED背光技術(shù)的開發(fā)也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。從顯示技術(shù)的發(fā)展看，多色分開控制的紅綠藍(lán) Mini-LED背光將會成為下一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)。