自发光屏幕的“新皇之争”—OLED与MicroMini LED分析-

在上期《硬件编年史—显示器常见背光种类盘点，蓝光最强的它竟然应用最广？》中，我们浅析了LCD（非自发光特性）屏幕的一些常见种类以及各个变种产品的优劣之处。而如今在个人消费市场中，随着高端智能手机的普及，OLED屏幕正在广泛地出现在人们的视野里，这种以高亮度、高对比度以及浓郁色彩显示效果著称的屏幕越发成为人们心中“好屏幕”的代名词。那么什么是OLED？这种屏幕的优缺点是什么？它是我们屏幕的最终材料形态吗？下面就来一起看看吧。

来自LGDisplay官网对OLED的介绍

OLED对比传统LCD屏幕的优劣

来自LGDisplay官网

做“薄”，做“弯”。由于OLED不需要大面积的背光层以及液晶层，故其在厚度上就较LCD有着天然优势，可以做到极薄的形态，这也是符合当下智能手机、智能穿戴设备、超级电视、显示器的需求。此外，由于OLED不一定需要“玻璃基板”作为底层、上层材料，故其可以变得弯折，近年来的折叠手机就是用的这项技术，用软性PI塑料作为基板来实现大角度地弯折。

“黑”得纯粹，相比于LCD使用的背光技术，在显示黑色时只能尽力遮盖相比，OLED如果显示黑色，即直接切断电压传输即可，让光子不再产生也就没有了一丝丝的光亮，让黑色更加纯粹。同时由于黑得纯粹，也让其对比度与LCD屏幕有了质的差距，OLED桌面显示器的对比度动辄10万比1，而LCD屏幕的桌面显示器往往平均也就只有1000比1。

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“色得妖艳”，OLED的有机材料在发光时往往可以发出很纯正的三原色光线来组合成不同的颜色，而LCD屏幕受制于背光技术和被动色彩显示，在色域方面是不如OLED来得那么丰富的。

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“亮得均匀”，由于LCD的显示时需要背光作为支撑的，而背光多数又是采用“侧入式”，因此在照射均匀性上比较一般。OLED在这方面要表现好得多，由于每个像素都能自己发光，在亮度均匀性上就很容易做到统一可控，让屏幕看起来更加的完整统一。

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“动作快”，区别与LCD屏幕的显示必备的液晶分子偏转需要时间，故在灰阶时间（响应时间）上，OLED这种用电压来控制像素点的方式要快上很多倍，理论上OLED屏幕是可以做到0.1ms级别的响应延迟，而LCD屏幕最快的电竞快速IPS屏幕的响应时间都要在5ms左右。

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那么难道说OLED就是无敌的吗？OLED一点缺点也没有吗？当然不是。

“烧屏”由于OLED的发色原理来自于有机物，就不得不考虑有机物损耗、寿命短的问题，同时因为同样面积大小的红绿蓝三色子像素的使用寿命并不相同，这就导致了一旦其中一种颜色（蓝色寿命最短）发生加速损耗，就会使得正常的显示内容发生严重色偏，甚至由损耗区域组成某种图形，这就是烧屏，这样也是为什么一些OLED手机、电视在长时间使用后会出现发黄现象的原因。

“同样分辨率下精细度低”，为了解决上述的烧屏问题，OLED厂家一般都会采用通过调整红绿蓝三个子像素的大小和位置以及数量来控制其寿命差不多相等。早期阶段OLED市场上会使用Pentile排列，而Pentile排列与标准RGB排列相比减少了三分之一的像素点，精细程度是同样分辨率LCD屏幕的2/3。虽然随着时代的发展，让OLED的子像素排列有了新的变化，比如说三星的钻石排列，华星光电的珍珠排列，这样排列都让OLED像素的密度和有所上升，但最高也不过83%左右，与标准的RGB垂直排列还是有一定差距的。

“高频闪”这几年PMW调光因为一些手机圈的新闻被大家所熟知，尤其是去年发布的新iPhone，因为其搭载了高频次的PMW调光技术而被许多用户吐槽说看久了眼睛受不了。那么PMW调光是什么呢？PMW调光是一种脉冲调光技术，原理比较繁琐，简单拿开灯来比喻，正常的调节台灯亮度为转动旋钮来调整电压、电阻的大小来实现（DC调光）；而PMW调光则是通过在极短的时间内开关灯，利用人眼对于光的暂留现象来控制亮度。这一点是由于OLED屏幕在低亮度下屏幕显示不均匀所迫不得已采用的。

OLED发光原理

OLED（英文名：OrganicLight-EmittingDiode、中文直译：有机发光二极管）是一种有机材料发光技术，最早于1950年代由法国人研制，其后由美国柯达及英国剑桥大学加以演进，日本SONY及韩国三星和LG等公司于21世纪开始量产。

来自LGDisplay官网

OLED最典型的结构就是“类三明治”型，由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物（ITO），与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极组成，来构建成电洞传输层（HTL）、发光层（EL）与电子传输层（ETL）三个结构。当给到一定电压的时候，阳极与阴极的电子就会在发光层中相遇、结合，产生光子。发光层中带有特殊的有机材料（OLED中的O），来与光子一起变成红绿蓝三原色。

OLED基本结构：1.阴极( )；2.发光层（EmissiveLayer,EL）；3.阳极空穴与阴极电子在发光层中结合，产生光子；4.导电层（ConductiveLayer）；5.阳极(+) ， 来自维基百科。

用一个通俗易懂的比喻来说，OLED的原理就好像给有机材料做“电刑”，阴极阳极一通电，有机材料就被“电得发光”。由于每个像素中的红绿蓝三原色点都可以被单独的电压所控制来发光，不需要大面积的背光作为屏幕的“亮源”，故这种技术也被称为自发光技术。

从OLED的发光原理上，我们就能看出，其相对于LCD技术来说，在原理层面就要简单很多。同时，OLED相比于传统的LCD屏幕来说还有着许多的优势。虽然有着些许缺点，但依然瑕不掩瑜。一块好屏幕的最重要的定义应该就是能够尽可能地还原出世界真实的色彩，而这一点上OLED肯定是能做得好的。但OLED就是最终的答案吗？各位可以看看以下两种技术。

来自LGDisplay官网

MiniLED和MicroLED

其中MiniLED技术我们在上一期就已经讲过，其原理就是将原本LED背光板改为由成数千个单独的LED灯珠组成，其中多个LED灯珠组成LED背光矩阵，每个背光矩阵都可以化成单独的控光区域。以一个市面上顶级的MiniLED电竞屏幕为例，其拥有4096个LED灯珠，每两个就可以组成一个控光区域，即拥有2048个单独的控光区域。

这样做的好处就是让MiniLED也拥有像OLED一样的超高对比度以及更精细化、可调的局部亮度，由于在显示黑色区域的时候，该区域内的灯珠是处于熄灭状态，所以理论上其对比度与OLED显示器是相等的，同时又没有OLED显示器长时间显示会烧屏的风险。MiniLED还有一个较大的优势就在于，其独立的区域灯珠可以在短时间内激发出较大的亮度，在一些优秀的MiniLED可实现局域2000尼特的最高亮度，常见的MiniLED也基本都能通过HDR1000的认证，这就让MiniLED对HDR内容非常友好，在HDR内容显示上优质的MiniLED可以与OLED所媲美。

但目前MiniLED还只是一个刚刚完善的屏幕种类，也摆脱不了LCD屏幕天生的可视角度差和色域窄的问题，如果想要解决色域窄的问题，就要在MiniLED显示器中再增加一层量子点膜（QLED技术），来拉高色域，但这样做又会让显示器的成本大大增加，得不偿失。目前高阶的MiniLED的显示器已经可以做到高阶OLED的水准，同时在成本控制上还有15%左右的优势。

得益于国内的屏厂对于MiniLED市场的进攻态度，在未来五年内，MiniLED背光技术将会逐渐成为中高端显示器的主流背光技术，而且其技术也将不断改进，灯珠数量得到提升，分区控制的技术也不断完善。

苹果去年发布的全新MacbookPro系列搭载MiniLED屏幕

而目前，虽然OLED已经占据了自发光屏幕的绝大部分市场，MiniLED蠢蠢欲动，但还有一个“新皇”已经被孕育出来，其带有的“王霸”之气已经让前两者感到威胁，它就是MicroLED。

MicroLED（英语：MicroLightEmittingDiodeDisplay，中文直译为发光二极管显示器）其显示原理，是将红绿蓝三原色的LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化，让其尺寸仅在1~10微米等级左右；后将微米级别的LED批量式转移至电路基板上，再在每一个微米LED下安装电路和晶体管，就可以完成一个简单的MicroLED显示器。

MicroLED的每一个像素都含有可以自发光、独立控制的RGB三个LED子像素。以索尼在2012年推出的第一款MicroLED产品CrystalLED为例，该显示器拥有55英寸的面积，1920*1080的分辨率，它的微米LED的数量就为1920*1080*3=6220800颗。相比于高阶的MiniLED显示器区2万颗左右的灯珠，MicroLED的技术难度提升得不止一点半点。

来自三星Display官网对于MicroLED的介绍

由于MicroLED采用的是自发光的单独的微米级LED，所以其在色彩表现能力上是出类拔萃的，微米LED发光频谱其主波长的半高全宽FWHM仅约20nm，可提供极高的色饱和度，通常可大于120%NTSC。这与当下顶级的OLED显示器所能提供的色域几乎是一致的。同时由于LED无机物的稳定性，让色彩无论在使用多少时间后都可以保持一致性与稳定性，这一点是OLED所无法比拟的。同时MicroLED也兼顾显示纯黑色的特性，而且是像素级别的纯黑色，这一点要比MiniLED的分区背光控制要来得更加直接和纯粹。

来自三星Display官网对于MicroLED的介绍

而MicroLED能实现的另外一点就是省电和超高的亮度，在传统LCD电视中，显示效率约为3%，LCD中的TFT的损耗很小，因为它是电压驱动的。但是由于彩色滤光片、偏光片和LC材料中的能量损失，所以就导致LCD的效率很低。而MicroLED由于结构简单，能耗较小，拥有更高的光电转换效率，功率消耗量可低至LCD的10%、OLED的50%，在大幅度减少单位用电的同时还允许更高的能量用于直接发光，让最高亮度可以去到近2000尼特。

来自三星Display官网对于MicroLED的介绍

MicroLED几乎集合了OLED和LCD的所有优点，兼顾了高亮度、高色域、高对比度，又能做到长寿命、省电、柔性屏。可以说是未来屏幕的集大成者，那为什么MicroLED拥有这么多优点还没有普及呢？

可以说成也萧何败也萧何，MicroLED的优势就是来自于它多达百万级的微米LED，而难度也出现在这上面。目前，MicroLED主要有三个技术难点和问题，量子效率Droop效应（有效发光面有限、红光LED效率低）、驱动能力匹配问题（需要高电流、低功耗的驱动材料）、巨量转移问题（工艺要求高、精度要求高、成本高）。而最重要的问题就出现在巨量转移问题上。

巨量转移示意图

巨量移植技术是目前MicroLED的主流、理想制造技术，由于MicroLED是以微米级为单位的二极管，需要在硅晶圆上来制造，而非直接在屏幕基板上制造。所以这就需要让在硅晶圆上生产出来的微米LED移植到屏幕的基板上。这其中的转移技术就叫做巨量移植。由于待转移的微米LED晶片，大约为头发丝的1/10，需要精度很高的精细化 *** 作；一次转移需要移动几万乃至几十万颗以上的LED，数量十分巨大，要求有极高的转移速率，这就让该技术的实现难度有了较高的挑战。

巨量转移示意图，来自eeNews

同时，制造海量的微米LED的成本也比较昂贵，以一块2K分辨率的MicroLED屏幕举例，其就需要1105万颗微米LED才能实现，在当前的制造难度下，其就决定了MicroLED的成本与售价肯定是不菲的。目前在民用领域中，MicroLED还没有正式的量产产品，上一个离我们比较近的产品是三星的TheWall商用屏幕，三星的TheWall电视采用了806.4 453.6mm的MicroLED面板模组构成，每个模组具有960 540分辨率，无边框设计，可完美拼接。每个模组都有250-2000nits亮度，约10,000:1的对比度，16bit颜色深度，高达100/120Hz刷新率。可以通过模组的拼接来自由组合屏幕大小，最高可以选装292英寸的产品。售价也超过了惊人的10万美金。

虽然，MicroLED在技术和成本、制造上仍然有着不小的难点，但也不阻止各大屏厂以及大品牌对它的渴望。世界最成功的 科技 品牌之一的苹果就在2020年开始布局MicroLED，苹果与台湾省LED生产商晶元光电和台湾省液晶面板制造商友达光电合作建造新工厂，该工厂将位于新竹科学园区龙潭分厂，苹果的总投资估计为新台币100亿美元（3.34亿美元）。苹果在一份公开报告中表示：“与OLED一样，Micro-LED也是自发光的。然而，与OLED相比，Micro-LED可以支持更高的亮度、更高的动态范围和更广的色域，同时实现更快的更新速率、更广的视角和更低的功耗，这些都是苹果青睐的品质。”

在MicroLED普及后，相信其一定会成为未来屏幕材质的首要选择，而且其模块化的组装方式，可以让屏幕根据用户的心意来进行定制，让屏幕也可以进入“DIY时代”。

来自三星Display官网对于MicroLED的介绍

总结：本期的《硬件编年史》，我们分析总结了目前自发光屏幕阵营（OLED、MiniLED、MIcroLED）三大产品线的实现技术与优缺点。目前的自发光屏幕做得比较成熟、市场接受度高的产品为OLED，但OLED并不会制霸自发光屏幕阵营榜首很久，因为MiniLED会在这几年实现弯道超车，待分区背光技术与控制芯片成熟后，其寿命长、无衰减、不烧屏的优势就会凸显出来。而Micro-LED则是未来20年屏幕发展的大趋势，模块化、微型化的产品形态，高亮、广色域、高对比、省电、反应快的特点都让它可以笑到最后。

由于AMOLED是OLED技术的一种，我们以OLED的工作原理来进行分析。OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）是指利用有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的二极管。OLED发光原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。辐射光可从ITO一侧观察到，金属电极膜同时也起了反射层的作用。

最近看论文的时候看到了一篇用QLED做发光柔性皮肤的，但是这个QLED是什么我就不清楚了，让老夫来搜索一波

一般情况下，粒径小于10nm的半导体纳米晶被称之为量子点。

这个时候就需要提到量子限域效应了，激子束缚能的唯一变量是量子点的半径R，所以，带隙的能量和半径成反比关系。其强弱可以通过玻尔激子半径（电子空穴的距离）来判断，即：

在体相材料中，电子和空穴的距离很远，束缚能很小，当粒径减小而电子和空穴的波函数交叠部分增加时，束缚能随之增大，带隙变宽。

激子玻尔半径可以作为临界值判断量子限域效应。当量子点半径R接近或小于R B 时，电子和空穴的运动在空间上受到量子点维数的限制，导致量子点内部电子的运动状态处于体相分子和单独分子的中间态，能级的状态由连续转变为离散。此时激子跃迁能随尺寸减小而增加，吸收和发光峰位蓝移。

因此，调节量子点尺寸可以调节发光的波长。 [1]

适当频率的激光入射半导体材料，由于带间吸收及其他吸收过程而激发到半导体能带或局部能级中的载流子会跃迁回基态引起符合。电子从高能级向低能级跃迁回自发辐射光子，这种吸收外界光子后又重新辐射出光子的过程位光致发光。 [2]

量子点的光致发光主要来自于荧光辐射。

（辐射符合常有带间本政府和、深缺陷能级符合、激子符合）

因此光致发光测量技术可以通过一定波长的光激发照射量子点材料，通过单色仪和光电探测器收集分析，得到不同波长的荧光强度分布，即为PL谱

通过测量样品的荧光光强随激发光波长变化而获得的光谱则是PLE谱

半导体材料在停止照射时，荧光不会立即消失，而是逐渐衰减，TRPL谱变是观察物理或化学瞬态过程并分析时间的谱。

国际上对电致发光量子点（QLED）的真正定义是Quantum Dot Light Emitting Diodes，即量子点发光二极管，或量子电自发光显示。严格意义上终极版本的QLED是不需要额外光源的自发光技术，其发光原理和结构更加简单，量子点层夹在电子传输和空穴传输有机材料层之间，外加电场使电子和空穴移动到量子点层中，它们在这里被捕获到量子点层并且重组，从而发射光子。 [4]

但是目前而言这种自发光很难实现，也因此并没有真正意义上的自发光QLED。

开头提到的看的那个量子点发光皮肤的文献倒是尝试着使用电致发光的量子点来进行应用，看上去效果还不错，能够实现微纹理的光学转化。

就像是三星的AMOLED屏幕是用OLED为单元做成的屏幕。量子点屏幕，自然就是发光材料使用量子点的屏幕。

量子点屏幕的结构比较简单，就是很多层堆起来，然后有比如蓝光LED先照射它使它激活，然后它再去发出其他颜色的光。

不过这些电视背光仍然是需要提供一个光源来激活量子点发光，其效果也就是色域上进行了优化。

如果某天QLED能过实现电致发光，自发光显示技术才真正的到来。

[1]尹文旭. 二硫化钨/二硫化钼半导体量子点的制备及光电器件研究[D].吉林大学,2019.

[2]王颖. Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点和量子阱复合结构纳米材料光学特性研究[D].北京交通大学,2019.

[3]知乎的众多答案

[4]量子点从光致背光到电致自发光要走十年, https://www.jiemian.com/article/1207583.html

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