MicroLED的巨大影响力

MicroLED本质上是由直径在5μm到100μm之间的微型发光二极管（LED）组成的半导体器件，它们的大小与微小的灰尘颗粒或细沙粒大致相同。

MicroLED的兴起

随着现代社会日新月异的发展，技术进步促使设备不断缩小、速度越来越快、效率越来越高。想象一下显示器领域的变革。随着显示技术的微型化发展，从液晶到有机发光二极管（OLED），显示器自笨重的阴极射线管时代以来已经取得了巨大进展，为每一代新产品带来了更紧凑、更明亮和更高分辨率的屏幕。近年来，MicroLED已成为强有力的竞争者，有望在亮度、色域、对比度、响应时间、使用寿命和能效等方面实现重大改进。从我们最喜爱的汽车电子设备和显示器，乃至高速通信网络，MicroLED都具有广泛的应用前景。

微型化面临的设计挑战

对于MicroLED应用而言，一旦实现规模化生产，其更小型的尺寸不仅意味着更方便，而且更节能，甚至成本更低。然而，微型化本身也面临着一系列挑战。在制造此类微小发光结构的流程中，会导致主要发生在LED边缘的原子级缺陷，在这些地方，电流无法转换为光，从而降低内部效率。MicroLED越小，其边缘面积与表面积的比率就越大，实现高内部效率的难度就越大。 

光提取和塑形也是关键挑战。当LED尺寸变小，尺寸变化和错位的公差将变得更加严格。与此同时，有效地从设备中提取光，同时控制和避免相邻像素之间的无用信号或能量传输（即串扰）也变得更加困难。而随着像素密度的增加，这些挑战变得更加严峻。

除了MicroLED像素的纳米/微尺度设计外，设计人员还需要考虑这些像素的大型阵列在宏观器件层面上的非相干发射和相互作用。根据使用情况，通常还可集成其它层和光学元件，例如透镜、滤光片、颜色转换层、散射结构、光栅和偏光片，以帮助进行颜色定义、光束增强和光束整形。工程师在系统层面面临的一项关键挑战是，将合适的求解器无缝集成到工作流程中，以便对这些构建块及其相互作用进行准确建模。

现在可以试想一下，填充高分辨率显示屏所需的MicroLED数量惊人，就如以微米级精度放置数百万微小沙粒一样，都是艰巨的任务。许多制造商一直在大力投资高效和可扩展的巨量转移（mass transfer）流程，以便从供体晶圆（donor wafers）上分离数百万个MicroLED芯片，使它们附着在印模（stamp）上，然后将其释放到显示基板的精确位置。通过巨量转移流程和设备，数百万个MicroLED被传输到显示器背板，并装配成阵列，以在显示器内形成子像素。然后，使用金属互连将微型LED与具有相关开关和驱动电路的有源互补金属氧化物半导体（CMOS）背板进行电气连接。鉴于子像素尺寸的不断缩小，需要克服的主要障碍是，高度紧凑、节能且复杂的薄膜晶体管（TFT）驱动器的制造问题，以便能够精确、快速地单独控制每个像素。

在MicroLED产品生命周期的任何阶段都可能出现缺陷。以超过800万像素的4K显示器为例。即使制造流程的成品率为99.99%，显示器最终也可能会出现超过1,000个坏像素。识别和修复这种规模的缺陷极具挑战性。因此，必须密切关注解决缺陷和实现高产量的方法和技术。  

MicroLED技术的主要优势

MicroLED技术具有以下几项关键优势：

高亮度：在OLED等发光器件中，可以通过增加输入电流来提高亮度，但达到一定阈值后，器件开始出现效率降低、快速老化等问题，并且可能需要采取谨慎的热管理措施。MicroLED可承载高电流密度，并以高效率实现更高的亮度，同时使产品保持更纤薄的外观。

快速响应时间：与OLED中使用的有机材料相比，MicroLED中使用的半导体材料具有快速的电气和光学响应特性，可实现更快的像素响应时间。

独立像素控制：MicroLED显示器中的每个像素都可以独立驱动，以直接控制其打开和关闭状态，而OLED则依赖于有机材料来发光或熄灭。

稳定性和鲁棒性：MicroLED由氮化镓（GaN）等半导体材料组成，具有卓越的稳定性，无需复杂的封装方法。虽然OLED在低温下运行良好，但高温会显著加速其老化。对于液晶显示器而言，热管理也是一大难题，因为它会影响显示器的效率，而低温会导致性能下降。具有鲁棒性的底层LED技术可为MicroLED提供出色的亮度和使用寿命，适用于在潮湿或温度多变的环境等严苛条件下的应用。

MicroLED有哪些应用？

上述优势使MicroLED能够在特定应用中脱颖而出：

抬头显示器（HUD）和中央集群显示器：MicroLED的高亮度对于汽车和飞机中的HUD和中央集群显示器的驱动器安全性至关重要。阳光下的可读性得到改进，以确保关键信息在各种照明条件下都清晰可见。

汽车照明中的前照灯：MicroLED的高亮度结合其像素级选择性控制光段的能力，可以精确实时地控制汽车前照灯应用的光分布和强度。MicroLED技术有望取代目前照明系统中数字光处理（DLP）技术的微透镜，并增加前照灯中可控光段的数量（超过了以前DLP所能控制的数量）。这种高像素计数可实现先进的无眩光远光前照灯，从而改善驾驶体验。  

消费类电子：MicroLED的高亮度和微型尺寸，使其在智能手表和增强现实（AR）显示器等需要在狭小区域显示信息并需应对高亮度环境的应用中具有关键优势，从而增强用户体验。

在需要流体运动渲染和涉及快速移动内容（如游戏、体育和动作内容以及AR/VR）的应用中，其能够将直接控制每个像素的能力与快速响应时间相结合，因此在减少运动模糊和重影伪影方面具有显著优势。

高速光通信：优化MicroLED以实现更快的切换时间，为其在高速光通信（如加速计算）中的应用打开了大门。

柔性可拉伸的显示器：MicroLED的稳定性和鲁棒性，使其成为了柔性可拉伸显示器领域颇具竞争力的候选产品，且无需复杂的封装方法。

MicroLED充满挑战与希望的未来

尽管索尼、三星和康佳等少数公司已在销售MicroLED电视墙（video wall），其他公司也展示了各种基于MicroLED的原型，如豪华电视和不同尺寸的透明柔性显示器，但它们的广泛应用还尚未实现。MicroLED面临的一项挑战是，OLED技术已很成熟且成本低廉，因此大幅提高了MicroLED进入市场的难度。几十年来，OLED在材料、设备和制造开发方面获得了大量投资，这使其在电视和智能手机应用领域具有强劲的竞争力。

 虽然在某些应用中实现与OLED的差异化优势可能极具挑战性，但MicroLED非常适合对高亮度、高分辨率密度、响应时间、功耗和极端条件下的鲁棒性要求严苛的其它应用，这类需求可能会推动该技术的广泛应用。

Optica首席技术官（CTO）Jose Pozo表示：“MicroLED在消费类电子产品中具有巨大潜力。技术领先企业有意开创不断追求‘新一代’愿景的先例。想象一下，智能手机的每一次更新都带来最新的增强功能，并拥有更好的体验。这种思维模式现在适用于进入该领域的任何新技术。随着可穿戴技术、增强现实和虚拟现实等相对新兴领域的发展，MicroLED的特性使其对产品的持续发展极具吸引力。”Optica成立于1916年，是一家为科学家、工程师、商务人士、学生和其他对光学行业感兴趣的人员提供服务的领先企业，其致力于促进光学领域知识的生成、应用、存档和传播。

此外，该公司还持续投资于新材料和技术的研发，以继续推进OLED技术的发展。每年都有新的显示器制造商、初创公司、原始设备制造商（OEM）和设备制造商不断进入MicroLED领域，并且技术行业的主要参与者在继续为MicroLED发展投入数十亿美元，这是充满希望的迹象，表明这一新兴显示技术是一块拥有大量投资和发展潜力的沃土。

更多相关资源

如欲了解Ansys Optics仿真功能在MicroLED设计领域应用的更多信息，请参阅我们的应用库示例：MicroLED多物理场设计。