Mini LED显示光学性能分析

作者：杨梅慧林伟瀚于海胡文党谢沛川来源：《液晶与显示》日期：2022-08-08人气：1959

目前液晶显示（LCD）在市场上仍然占据主导位置，有机电致发光显示（OLED）占据了部分高端市场。新型显示领域主要的技术系统有量子点电致发光显示（QLED）和微发光二极管（Micro LED）显示。Micro LED显示利用微米尺寸（一般小于50 μm）^［1］无机LED器件作为发光像素，来实现主动发光矩阵式显示。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^［2］、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Micro LED的器件设计制造和全彩显示解决方案^［3］，以及VLC通讯^［4-5］、全集成多功能化新型显示器件^［6］等方面被广泛研究。根据现代TRIZ理论的技术系统S曲线进化趋势，QLED和Micro LED目前处于婴儿期^［7］。作为Micro LED前驱的次微发光二极管（Mini LED），器件尺寸为50~200 μm^［8］，由于尺寸小，使用板上固晶（COB）工艺可以将屏幕像素间距做到P1.25 mm以下，形成微间距Mini LED显示产品。Mini LED器件也可以应用在液晶显示背光灯板上，通过精细化的分区实现局域动态调光来实现高亮度、高动态对比度的优秀画质^［9-10］。Mini LED显示目前产业已经成熟，市场规模逐年增加，并逐渐抢占常规商业显示的市场。Mini LED微间距显示产品具有高PPI、高亮度、高对比度等特性。Mini LED微间距拼接显示产品随着拼接技术和驱动技术的优化，将产生4K/8K户内影院产品，有望打开家电消费市场。

Mini LED主动式显示技术使用红绿蓝倒装的Mini LED芯片器件，使用固晶的方式贴在印制电路板（PCB）或者玻璃驱动基板上面（COB或COG）。相较于使用常规的支架封装的LED显示屏，COB产品因为没有LED封装支架的反光杯，像素之间容易发生光串扰，在大角度观看Mini LED显示屏幕时容易出现色偏现象。

2 实验

本文采用尺寸100 µm的4 mil×8 mil Mini LED芯片，通过COB固晶、表面封胶工艺，制作红绿蓝全彩显示的Mini LED灯板。表面封胶材料为混合碳粉的有机硅改性环氧树脂，封胶厚度为250 µm。样品1固晶后表面膜压50 µm厚的黑色膜层，黑胶填缝于Mini LED芯片缝隙之间，等离子清洗芯片表面残胶后，再膜压一层200 µm厚度的半透膜，表面为光面。样品2固晶后注塑模压40%透过率的改性环氧树脂，封胶厚度250 µm，胶体表面为雾面，样品如图1所示。屏幕像素间距P为0.68 mm。Mini LED芯片器件长边方向朝向水平方向。

图1 Mini LED灯板样品

Fig.1 Mini LED light board

样品1和样品2采用CS2000进行亮度和色坐标光学测试，CS2000镜头光学角度为1°。将屏幕按角度旋转，旋转测试角度为-‍90°~90°，测试角度间隔为5°，使用 CS2000 测试样品在不同角度条件下的色坐标值及亮度值。结合主观观测，得出显示屏幕的色偏现象及数值。测试Mini LED RGB 裸晶芯片长边方向光学数据，将其与屏幕角度色坐标变化及色偏现象进行对比，分析屏幕色偏原因。

3 结果与讨论

3.1　实验结果

通过主观观测，正视屏幕，视线与屏幕法线呈0°时为标准白场，随着角度的增加，屏幕右角度方向先呈现淡青色再变为浅红色再变为淡青色，左方向则呈现浅红色现象。使用CS2000将屏幕按角度旋转进行亮度色度测试。

表1为样品1和样品2在不同角度下测试的色坐标（CIE1931）数据，图2为依据表1绘制的屏幕不同角度下的色坐标分布图，其中横坐标为CIE 1931颜色坐标的x坐标，纵坐标为颜色坐标的y坐标。如图2，样品1在右方向色坐标60°处呈现拐点，依据表1数据，0°~60°视角时x值增加+0.012 7，y值增加+0.001 8，x值增加明显，即红色光强增加明显。60°~85°范围x值基本不再增加，y值增加0.010 4，即此范围红颜色光强降幅明显。样品1左方向拐点依然在60°，0°~60°时x值增加+0.023 1，y值增加+0.003 7，x值增加比右方向明显，即左边角度偏红现象比右边明显。60°~85°范围x值变化为-0.009，y值增加0.005 1，大角度视角出现偏淡青色现象。

表1 样品不同角度色坐标值

Tab.1 Color coordinate values of samples at different angles

样品1色坐标分布						样品2色坐标分布
左边角度/（º）	x	y	右边角度/（º）	x	y	左边角度/（º）	x	y	右边角度/（º）	x	y
0	0.318 8	0.309 4	0	0.318 8	0.309 4	0	0.303 5	0.299 1	0	0.303 5	0.299 1
-5	0.319 7	0.309 4	5	0.316 8	0.310 3	-5	0.305	0.299 5	5	0.303 9	0.299 6
-10	0.322 1	0.309 6	10	0.317 2	0.310 4	-10	0.307	0.299 6	10	0.302 9	0.299 9
-15	0.325 3	0.310 1	15	0.317 7	0.312 1	-15	0.309 4	0.299 9	15	0.303	0.300 8
-20	0.328 1	0.311 1	20	0.318	0.312 4	-20	0.312 4	0.300 3	20	0.303 9	0.301 2
-25	0.329 8	0.311 3	25	0.319 4	0.312 9	-25	0.315 4	0.300 8	25	0.305 6	0.302 1
-30	0.332 3	0.311 9	30	0.321 6	0.313 1	-30	0.318 3	0.301 3	30	0.306 9	0.302 8
-35	0.336 3	0.312 8	35	0.324 2	0.312 8	-35	0.320 7	0.301 8	35	0.309 1	0.302 9
-40	0.338 7	0.312 7	40	0.327 1	0.311 7	-40	0.322 2	0.302	40	0.310 6	0.303
-45	0.340 3	0.312 2	45	0.329 7	0.311 4	-45	0.322 7	0.302 2	45	0.314	0.302 6
-50	0.340 7	0.312 6	50	0.330 8	0.310 9	-50	0.323 3	0.302 4	50	0.315 4	0.302 3
-55	0.341 9	0.312 8	55	0.331	0.310 8	-55	0.322 8	0.302 2	55	0.315 6	0.302 2
-60	0.341 9	0.313 1	60	0.331 5	0.311 2	-60	0.321 7	0.302 8	60	0.315 3	0.302 3
-65	0.341 7	0.313 6	65	0.330 9	0.311 9	-65	0.321	0.303 3	65	0.312 9	0.302 9
-70	0.340 1	0.314 6	70	0.329 4	0.312 8	-70	0.318 2	0.303 9	70	0.31	0.303 8
-75	0.339 3	0.315 3	75	0.329 1	0.314 7	-75	0.313 6	0.304 8	75	0.305 6	0.305 1
-80	0.337 8	0.316 1	80	0.329 7	0.316 5	-80	0.308 2	0.306 2	80	0.300 2	0.307
-85	0.332 8	0.318 2	85	0.331	0.321 6	-85	0.294 9	0.308 6	85	0.287 3	0.309 5

图2 样品在不同角度的色坐标分布

Fig.2 Color coordinate distribution of samples at different angles

如图2所示，样品2色坐标视角变化趋势与样品1相似。其中右向角度色坐标趋势拐点在55°，0°~55°时x值增加+0.012 1，y值增加+0.003 1，55°~85°范围时x值变化-0.028 3，y值增加0.007 3，即55°以后白场颜色逐渐偏青。左向角度色坐标趋势拐点在50°，拐点角度比右方向角度小，0°~50°时x值增加+0.019 8，y值增加+0.003 3，左方向红色光强比右方向高。50°~85°范围x值变化-0.028 4，y值变化-0.006 2，即50°以后颜色逐渐偏蓝。

将样品不同角度测试的亮度数据进行归一化处理后制成光型分布图。两块样品测试的亮度光型分布图如图3所示。屏幕样品1的RGB颜色场光型形状不匹配而且左右不对称。GB颜色场光型图形状基本重合，红颜色场右方向大于30°角后形状突出于蓝绿，左方向-5°以后红颜色场形状突出于蓝绿。即随着灯板光线出射角度的增大，蓝绿芯片亮度衰减趋势大于红光的衰减趋势。其中，红颜色场左边方向视角亮度大于右边方向亮度，而蓝绿光颜色场则右边方向视角亮度大于左边方向亮度。样品2的光型图与样品1的形状和趋势相同。光型的不对称与前述左右方向色坐标的不对称对应。

图3 样品光型分布

Fig.3 Light type distribution of samples

将Mini LED RGB芯片沿着长边方向，测试-90°~ 90°之间的光强分布值，将3种芯片的角度光强值归一化后描绘芯片的光型分布图，结果如图4所示。

图4 Mini LED RGB裸晶芯片长边方向光型分布图（单位：（º））

Fig.4 Light distribution along the long side of Mini LED RGB die chip （unit：（º））

如图3和图4，裸晶芯片的光型分布与屏幕的光型分布趋势类似，均为左右不对称，但具体形状不一样，尤其是红光，裸晶芯片的收拢程度强于屏幕光型。

3.2　结果分析

3.2.1　色坐标拐点分析

Mini LED直显屏幕出现视角色偏现象有两种情况，现象1是随视角变化对应颜色发生变化，即视角色偏且变色。现象2，视角色偏现象左右两边变化不一样。归一化后RGB光型视角亮度幅值变化程度数据如图5。

图5 RGB光型光强变化差值

Fig.5 Light intensity changes of RGB light type

图5为样品的红光与绿光、红光与蓝光的视角光强幅度变化差值。样品1幅度变化差异值在60°达到峰值，样品2在50°达到峰值，这与色坐标拐点位置吻合。对于样品1而言，在出射光0°~60°范围，随着出射角度变大，红光的光强衰减程度弱于蓝绿光，出射光大于60°之后，红光的光强衰减程度强于蓝绿光。

样品1屏幕在60°~85°之间的大角度范围红光强度占比迅速减小，一是因为裸晶片本身大角度光强弱，二是因为蓝绿光散射效果强于红光，改性环氧树脂介质中存在微小碳粉颗粒及气泡，在此大角度低光强条件下散射效果要强于折反射效果。样品2的色坐标拐点角度小于样品1的色坐标拐点角度，是因为样品1的封胶表面是光面，样品2的封胶表面是雾面，雾面改变了界面的光线逃逸角方向，即光提取效率增加。

随着红绿蓝光强衰减程度比例变化，色坐标对应发生了突变出现拐点。屏幕视角光强衰减程度的变化，估计与RGB裸晶片的发光光型及RGB色散程度不同有关。

3.2.2　光型变化分析

如图4，裸芯片RGB光型形状不匹配，同时左右不对称。R光型比GB光型左右两边对称。GB光型一致，角度光强对称性较差。R光型左方向角度强度稍强于右方向，而GB右方向角度强度高于左方向。以上两点与Mini LED屏幕的光型不对称趋势一致。说明屏幕角度色坐标变化和色偏与Mini LED裸晶芯片RGB光型不匹配相关。

GB芯片光型对称性较差则由芯片的结构引起。Mini LED芯片为倒装芯片，出光面为蓝宝石衬底。裸晶芯片及灯板的光型测试均为沿着芯片的长边方向从左到右，即从芯片的N极到P极转动角度测试。LED芯片制程工艺中N极位置台阶偏低，发光反应层将被蚀刻掉。其中，GaN型芯片的PN两极分布在长边方向左右两侧的角部位置，因此GB芯片的N极方向的光强会降低，光型左右不对称。而红光R芯片的PN两极分布在长边方向左右两侧的居中位置，因此相对于GB来说R光型要对称。4×8 R芯片P极方向的电流阻挡层（CBL）及电极PAD面积占比比GB大，吸光程度较强，因此R芯片右边P极方向的光型强度比左边稍低。

如图3和图4，封胶后的屏幕灯板光型发散程度均高于裸晶光型发散程度，红光R的发散程度最大，即封胶后光逃逸角大于裸晶状态的光逃逸角。这可能与封胶前后折射率变化有关。Mini LED芯片出光面介质为蓝宝石，折射率为1.768^［11］。Mini LED灯板用的环氧树脂为有机硅改性环氧树脂，折射率约为1.51^［12-14］，空气折射率约为1，以上折射率均据于589.3 nm标准钠黄光测试数据。芯片反应层发射的光从蓝宝石衬底逃逸。封胶后光线在蓝宝石衬底与环氧树脂界面发生折射和全反射，折射出的光线进入环氧树脂层，光线到达环氧树脂与空气的界面时再次发生折射和全反射。

（1）

（2）

依据折射定律公式（1）和全反射公式（2），算出Mini LED裸芯片的光线逃逸角为34.5°，封胶后的Mini LED灯板中芯片的光线进入胶体的逃逸角为59.1°，芯片光取出率增加，如图6，光线到达环氧树脂与空气界面逃逸角为41.3°，出射光线进行了发散。环氧树脂折射率介于蓝宝石衬底及空气折射率之间，由于界面处折射率发生改变，增加了界面处的耦合光效，使器件的侧方向上的光通量增加^［15］，因此灯板封胶后出射光型会发散。其中树脂层大于41.3°逃逸角的光线反射回蓝宝石界面上，蓝宝石表面进行PSS（Patterned Sapphire Substrate）处理^［16-17］，同时环氧树脂表面进行了雾面处理，用来破坏界面全反射条件从而增加光取出率，并增加光型发散程度。

图6 Mini LED芯片及灯板逃逸角

Fig.6 Mini LED chip and light board escape angle

如图4，Mini LED裸芯片R光型收拢程度比GB强；如图3，封胶后的灯板R光型发散程度却高于GB的角度发散程度。这可能与不同波长的光线在同一介质中折反射角度不一致有关，即色散现象。

（3）

依据柯西（A.L.Cauchy）色散经验公式（3）^［18］，参考与封装胶体折射率相近的BK7玻璃500 nm折射率1.520 942^［11］，计算出改性环氧树脂柯西公式常数A为1.481 88，B为9.77E+03。蓝宝石衬底RGB折射率如表2所示^［11］。RGB Mini LED芯片的波长分别为630，530，470 nm，算出3种颜色光在介质中的折射率及界面逃逸角数据如表2所示。

表2 RGB颜色介质折射率及表面逃逸角

Tab.2 Refractive index and surface escape angle of RGB color

颜色	蓝宝石衬底折射率	改性环氧树脂折射率	衬底与树脂界面逃逸角/（º）	树脂与空气界面逃逸角/（º）
R	1.766	1.506	58.5	41.6
G	1.772	1.517	58.9	41.3
B	1.777	1.526	59.2	40.9

如表2中计算的逃逸角数据，RGB在蓝宝石衬底与树脂界面逃逸角均约59°，已包含裸晶片大部分高能量出射光线，红光R的聚拢程度比GB强。而在树脂与空气界面，红光的逃逸角大于蓝绿光逃逸角，因此红光裸芯片发出的光为聚拢光型，但是灯板封胶后红光的光型转变为发散光型，且发散程度强于蓝绿光。

4 结论

Mini LED直显屏幕随着出射角度变大，将产生从正视白场到偏淡红色再到偏淡青色的角度色偏现象。通过测试及计算发现，在50°~60°视角位置出现色坐标拐点。拐点前面角度x坐标明显增加，y坐标基本不变，大于拐点的角度x坐标停滞或减小，y坐标增加明显。通过光型分析，Mini LED屏幕表面的色偏现象与RGB裸晶片的光型不匹配及光型左右不对称有关，同时由于RGB颜色在介质中的色散现象，红光在树脂界面的逃逸角大于蓝绿光，光线经过介质后红光光型发散程度强于蓝绿光，红绿蓝光强衰减程度的差异引起了出射光角度色偏现象。

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