北京時間03月30日消息,中國觸摸屏網訊,

在上期《硬件編年史—顯示器常見背光種類盤點,藍光最強的它竟然應用最廣?中,我們淺析了LCD(非自發光特性)屏幕的一些常見種類以及各個變種產品的優劣之處。而如今在個人消費市場中,隨著高端智能手機的普及,OLED屏幕正在廣泛地出現在人們的視野里,這種以高亮度、高對比度以及濃郁色彩顯示效果著稱的屏幕越發成為人們心中“好屏幕”的代名詞。那么什么是OLED?這種屏幕的優缺點是什么?它是我們屏幕的最終材料形態嗎?下面就來一起看看吧。

    本文來自:http://www.tskeys.com/lcd/news/dynamic/2022/0330/61254.html

來自LG Display官網對OLED的介紹

  OLED對比傳統LCD屏幕的優劣

來自LG Display官網

  做“薄”,做“彎”。由于OLED不需要大面積的背光層以及液晶層,故其在厚度上就較LCD有著天然優勢,可以做到極薄的形態,這也是符合當下智能手機、智能穿戴設備、超級電視、顯示器的需求。此外,由于OLED不一定需要“玻璃基板”作為底層、上層材料,故其可以變得彎折,近年來的折疊手機就是用的這項技術,用軟性PI塑料作為基板來實現大角度地彎折。

OPPO Find N,圖片來自太平洋電腦網

  “黑”得純粹,相比于LCD使用的背光技術,在顯示黑色時只能盡力遮蓋相比,OLED如果顯示黑色,即直接切斷電壓傳輸即可,讓光子不再產生也就沒有了一絲絲的光亮,讓黑色更加純粹。同時由于黑得純粹,也讓其對比度與LCD屏幕有了質的差距,OLED桌面顯示器的對比度動輒10萬比1,而LCD屏幕的桌面顯示器往往平均也就只有1000比1。

來自LG Display官網

  “色得妖艷”,OLED的有機材料在發光時往往可以發出很純正的三原色光線來組合成不同的顏色,而LCD屏幕受制于背光技術和被動色彩顯示,在色域方面是不如OLED來得那么豐富的。

來自LG Display官網

  “亮得均勻”,由于LCD的顯示時需要背光作為支撐的,而背光多數又是采用“側入式”,因此在照射均勻性上比較一般。OLED在這方面要表現好得多,由于每個像素都能自己發光,在亮度均勻性上就很容易做到統一可控,讓屏幕看起來更加的完整統一。

來自LG Display官網

  “動作快”,區別與LCD屏幕的顯示必備的液晶分子偏轉需要時間,故在灰階時間(響應時間)上,OLED這種用電壓來控制像素點的方式要快上很多倍,理論上OLED屏幕是可以做到0.1ms級別的響應延遲,而LCD屏幕最快的電競快速IPS屏幕的響應時間都要在5ms左右。

來自LG Display官網

  那么難道說OLED就是無敵的嗎?OLED一點缺點也沒有嗎?當然不是。

  “燒屏”由于OLED的發色原理來自于有機物,就不得不考慮有機物損耗、壽命短的問題,同時因為同樣面積大小的紅綠藍三色子像素的使用壽命并不相同,這就導致了一旦其中一種顏色(藍色壽命最短)發生加速損耗,就會使得正常的顯示內容發生嚴重色偏,甚至由損耗區域組成某種圖形,這就是燒屏,這樣也是為什么一些OLED手機、電視在長時間使用后會出現發黃現象的原因。

圖片來自于網絡,底部的狀態欄在純白背景下依然可見,為OLED燒屏現象。

  “同樣分辨率下精細度低”,為了解決上述的燒屏問題,OLED廠家一般都會采用通過調整紅綠藍三個子像素的大小和位置以及數量來控制其壽命差不多相等。早期階段OLED市場上會使用Pentile排列,而Pentile排列與標準RGB排列相比減少了三分之一的像素點,精細程度是同樣分辨率LCD屏幕的2/3。雖然隨著時代的發展,讓OLED的子像素排列有了新的變化,比如說三星的鉆石排列,華星光電的珍珠排列,這樣排列都讓OLED像素的密度和有所上升,但最高也不過83%左右,與標準的RGB垂直排列還是有一定差距的。

圖片來自于網絡,左邊為RGB標準排列,右邊則為Pentile排列

  “高頻閃”這幾年PMW調光因為一些手機圈的新聞被大家所熟知,尤其是去年發布的新iPhone,因為其搭載了高頻次的PMW調光技術而被許多用戶吐槽說看久了眼睛受不了。那么PMW調光是什么呢?PMW調光是一種脈沖調光技術,原理比較繁瑣,簡單拿開燈來比喻,正常的調節臺燈亮度為轉動旋鈕來調整電壓、電阻的大小來實現(DC調光);而PMW調光則是通過在極短的時間內開關燈,利用人眼對于光的暫留現象來控制亮度。這一點是由于OLED屏幕在低亮度下屏幕顯示不均勻所迫不得已采用的。

  OLED發光原理

  OLED(英文名:Organic Light-Emitting Diode、中文直譯:有機發光二極管)是一種有機材料發光技術,最早于1950年代由法國人研制,其后由美國柯達及英國劍橋大學加以演進,日本SONY及韓國三星和LG等公司于21世紀開始量產。 

來自LG Display官網

  OLED最典型的結構就是“類三明治”型,由一薄而透明具半導體特性之銦錫氧化物(ITO),與電力之正極相連,再加上另一個金屬陰極組成,來構建成電洞傳輸層(HTL)、發光層(EL)與電子傳輸層(ETL)三個結構。當給到一定電壓的時候,陽極與陰極的電子就會在發光層中相遇、結合,產生光子。發光層中帶有特殊的有機材料(OLED中的O),來與光子一起變成紅綠藍三原色。

OLED基本結構:1. 陰極 (−);2. 發光層(Emissive Layer, EL);3. 陽極空穴與陰極電子在發光層中結合,產生光子;4. 導電層(Conductive Layer);5. 陽極 (+)來自維基百科。

  用一個通俗易懂的比喻來說,OLED的原理就好像給有機材料做“電刑”,陰極陽極一通電,有機材料就被“電得發光”。由于每個像素中的紅綠藍三原色點都可以被單獨的電壓所控制來發光,不需要大面積的背光作為屏幕的“亮源”,故這種技術也被稱為自發光技術。

  從OLED的發光原理上,我們就能看出,其相對于LCD技術來說,在原理層面就要簡單很多。同時,OLED相比于傳統的LCD屏幕來說還有著許多的優勢。雖然有著些許缺點,但依然瑕不掩瑜。一塊好屏幕的最重要的定義應該就是能夠盡可能地還原出世界真實的色彩,而這一點上OLED肯定是能做得好的。但OLED就是最終的答案嗎?各位可以看看以下兩種技術。

來自LG Display官網

  Mini LED和Micro LED

  其中Mini LED技術我們在上一期就已經講過,其原理就是將原本LED背光板改為由成數千個單獨的LED燈珠組成,其中多個LED燈珠組成LED背光矩陣,每個背光矩陣都可以化成單獨的控光區域。以一個市面上頂級的Mini LED電競屏幕為例,其擁有4096個LED燈珠,每兩個就可以組成一個控光區域,即擁有2048個單獨的控光區域。
 

  這樣做的好處就是讓Mini LED也擁有像OLED一樣的超高對比度以及更精細化、可調的局部亮度,由于在顯示黑色區域的時候,該區域內的燈珠是處于熄滅狀態,所以理論上其對比度與OLED顯示器是相等的,同時又沒有OLED顯示器長時間顯示會燒屏的風險。Mini LED還有一個較大的優勢就在于,其獨立的區域燈珠可以在短時間內激發出較大的亮度,在一些優秀的Mini LED可實現局域2000尼特的最高亮度,常見的Mini LED也基本都能通過HDR1000的認證,這就讓Mini LED對HDR內容非常友好,在HDR內容顯示上優質的Mini LED可以與OLED所媲美。

  但目前Mini LED還只是一個剛剛完善的屏幕種類,也擺脫不了LCD屏幕天生的可視角度差和色域窄的問題,如果想要解決色域窄的問題,就要在Mini LED顯示器中再增加一層量子點膜(QLED技術),來拉高色域,但這樣做又會讓顯示器的成本大大增加,得不償失。目前高階的Mini LED的顯示器已經可以做到高階OLED的水準,同時在成本控制上還有15%左右的優勢。

  得益于國內的屏廠對于Mini LED市場的進攻態度,在未來五年內,Mini LED背光技術將會逐漸成為中高端顯示器的主流背光技術,而且其技術也將不斷改進,燈珠數量得到提升,分區控制的技術也不斷完善。

蘋果去年發布的全新Macbook Pro系列搭載Mini LED屏幕

  而目前,雖然OLED已經占據了自發光屏幕的絕大部分市場,Mini LED蠢蠢欲動,但還有一個“新皇”已經被孕育出來,其帶有的“王霸”之氣已經讓前兩者感到威脅,它就是Micro LED。

  Micro LED(英語:Micro Light Emitting Diode Display,中文直譯為發光二極管顯示器)其顯示原理,是將紅綠藍三原色的LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化,讓其尺寸僅在1~10微米等級左右;后將微米級別的LED批量式轉移至電路基板上,再在每一個微米LED下安裝電路和晶體管,就可以完成一個簡單的Micro LED顯示器。

  Micro LED的每一個像素都含有可以自發光、獨立控制的RGB三個LED子像素。以索尼在2012年推出的第一款Micro LED產品Crystal LED為例,該顯示器擁有55英寸的面積,1920*1080的分辨率,它的微米LED的數量就為1920*1080*3=6220800顆。相比于高階的Mini LED顯示器區2萬顆左右的燈珠,Micro LED的技術難度提升得不止一點半點。

來自三星Display官網對于Micro LED的介紹

  由于Micro LED采用的是自發光的單獨的微米級LED,所以其在色彩表現能力上是出類拔萃的,微米LED發光頻譜其主波長的半高全寬FWHM僅約20nm,可提供極高的色飽和度,通常可大于120%NTSC。這與當下頂級的OLED顯示器所能提供的色域幾乎是一致的。同時由于LED無機物的穩定性,讓色彩無論在使用多少時間后都可以保持一致性與穩定性,這一點是OLED所無法比擬的。同時Micro LED也兼顧顯示純黑色的特性,而且是像素級別的純黑色,這一點要比Mini LED的分區背光控制要來得更加直接和純粹。

來自三星Display官網對于Micro LED的介紹

  而Micro LED能實現的另外一點就是省電和超高的亮度,在傳統LCD 電視中,顯示效率約為 3%,LCD中的TFT 的損耗很小,因為它是電壓驅動的。但是由于彩色濾光片、偏光片和 LC 材料中的能量損失,所以就導致LCD 的效率很低。而Micro LED由于結構簡單,能耗較小,擁有更高的光電轉換效率,功率消耗量可低至LCD的10%、OLED的50%,在大幅度減少單位用電的同時還允許更高的能量用于直接發光,讓最高亮度可以去到近2000尼特。

來自三星Display官網對于Micro LED的介紹

  Micro LED幾乎集合了OLED和LCD的所有優點,兼顧了高亮度、高色域、高對比度,又能做到長壽命、省電、柔性屏。可以說是未來屏幕的集大成者,那為什么Micro LED擁有這么多優點還沒有普及呢?

  可以說成也蕭何敗也蕭何,Micro LED的優勢就是來自于它多達百萬級的微米LED,而難度也出現在這上面。目前,Micro LED主要有三個技術難點和問題,量子效率Droop效應(有效發光面有限、紅光LED效率低)、驅動能力匹配問題(需要高電流、低功耗的驅動材料)、巨量轉移問題(工藝要求高、精度要求高、成本高)。而最重要的問題就出現在巨量轉移問題上。

巨量轉移示意圖

  巨量移植技術是目前Micro LED的主流、理想制造技術,由于Micro LED是以微米級為單位的二極管,需要在硅晶圓上來制造,而非直接在屏幕基板上制造。所以這就需要讓在硅晶圓上生產出來的微米LED移植到屏幕的基板上。這其中的轉移技術就叫做巨量移植。由于待轉移的微米LED晶片,大約為頭發絲的1/10,需要精度很高的精細化操作;一次轉移需要移動幾萬乃至幾十萬顆以上的LED,數量十分巨大,要求有極高的轉移速率,這就讓該技術的實現難度有了較高的挑戰。

巨量轉移示意圖,來自eeNews

  同時,制造海量的微米LED的成本也比較昂貴,以一塊2K分辨率的Micro LED屏幕舉例,其就需要1105萬顆微米LED才能實現,在當前的制造難度下,其就決定了Micro LED的成本與售價肯定是不菲的。目前在民用領域中,Micro LED還沒有正式的量產產品,上一個離我們比較近的產品是三星的The Wall商用屏幕,三星的The Wall 電視采用了806.4×453.6mm的Micro LED面板模組構成,每個模組具有960×540分辨率,無邊框設計,可完美拼接。每個模組都有250 - 2000 nits亮度,約10,000:1的對比度,16bit 顏色深度,高達100/120 Hz刷新率。可以通過模組的拼接來自由組合屏幕大小,最高可以選裝292英寸的產品。售價也超過了驚人的10萬美金。

  雖然,Micro LED在技術和成本、制造上仍然有著不小的難點,但也不阻止各大屏廠以及大品牌對它的渴望。世界最成功的科技品牌之一的蘋果就在2020年開始布局Micro LED,蘋果與臺灣省LED 生產商晶元光電和臺灣省液晶面板制造商友達光電合作建造新工廠,該工廠將位于新竹科學園區龍潭分廠,蘋果的總投資估計為新臺幣 100 億美元(3.34 億美元)。蘋果在一份公開報告中表示:“與OLED一樣,Micro-LED也是自發光的。然而,與OLED相比,Micro-LED可以支持更高的亮度、更高的動態范圍和更廣的色域,同時實現更快的更新速率、更廣的視角和更低的功耗,這些都是蘋果青睞的品質。”

  在Micro LED普及后,相信其一定會成為未來屏幕材質的首要選擇,而且其模塊化的組裝方式,可以讓屏幕根據用戶的心意來進行定制,讓屏幕也可以進入“DIY時代”。

來自三星Display官網對于Micro LED的介紹

  總結:本期的《硬件編年史》,我們分析總結了目前自發光屏幕陣營(OLED、Mini LED、MIcro LED)三大產品線的實現技術與優缺點。目前的自發光屏幕做得比較成熟、市場接受度高的產品為OLED,但OLED并不會制霸自發光屏幕陣營榜首很久,因為Mini LED會在這幾年實現彎道超車,待分區背光技術與控制芯片成熟后,其壽命長、無衰減、不燒屏的優勢就會凸顯出來。而Micro-LED則是未來20年屏幕發展的大趨勢,模塊化、微型化的產品形態,高亮、廣色域、高對比、省電、反應快的特點都讓它可以笑到最后。

 

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