MicroLEDs 的巨大影響

MicroLEDs 本質上是半導體裝置，由小型發光二極體 (LED) 所組成，直徑範圍從 5 微米 到 100 微米不等，尺寸與小塵粒或細沙差不多。

MicroLEDs 的出現

在現代世界的奔忙節奏中，技術進步使裝置不斷縮小，變得更快、更有效率。顯示器領域的變革。從液晶顯示器到有機發光二極體 (OLEDs) 等顯示器技術的微型化，顯示器技術自笨重的陰極射線管時代以來每一代新產品都擁有更小巧、更明亮、更高解析度的螢幕。近年來，microLED 異軍突起，有望在亮度、色域、對比、反應時間、使用壽命和能源效率方面達成顯著改善。從我們最愛的小工具和汽車內的顯示器，甚至是高速通訊網路，microLED 在各種應用中都大有可為。

微型化的設計挑戰

microLED 一旦達到規模化生產，更小的尺寸不僅更方便、更省電，成本甚至更低。然而，微型化也伴隨著一系列的挑戰。製造這種微小發光結構的過程會在LED的邊緣產生主要在原子層級的缺陷，電流在那裡無法轉換為光，從而降低內部效率。microLED 越小，單元周長與單元表面積的比例就越大，邊緣出光比例增加，達成高內部效率的難度就越高。 

光萃取和出光場形是其他主要挑戰。當您將 LED 做得更小時，對尺寸變化和錯位的容許範圍會變得更為嚴格。不僅如此，更難有效地從裝置中擷取光線，同時控制並避免鄰近像素之間非預期的訊號或能量傳輸 (即串擾)。隨著像素密度增加，這些挑戰更為艱鉅。

除了microLED 像素的奈米/微型化設計之外，設計人員還需要在宏觀裝置層級上考慮這些像素的大型陣列的非相關放射和相互作用。根據不同的使用情況，通常有其他層和光學元件，例如透鏡、濾光片、色彩轉換層、散射結構、光柵和偏振器，以協助進行色彩定義、光束強化以及光束成形。在無縫工作流程中結合合適的求解器，對這些構件及其相互作用進行精確建模，是工程師在系統層級面臨的一大挑戰。

現在考慮到需要填充高解析度顯示螢幕所需的大量MicroLED，並想像一下以微米級準確度放置數百萬顆微小沙粒的艱鉅任務。許多製造商一直在大力投資高效率且可擴充的巨量轉移過程，用於將數百萬顆 microLED 晶片從施予晶片上分離出來，使其附著在轉印印章上，然後將其釋放到展示基板上的精準位置。透過巨量流程與設備，數百萬個 microLED 轉移到顯示器背板上以陣列組裝，形成顯示器中的子像素。接著以金屬互連方式將 microLED 與帶有相關開關和驅動電路的主動互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 背板面進行電路連接。由於子像素不斷縮小，如何製造出高度精巧、高效能和複雜的薄膜電晶體 (TFT) 驅動程式，並能精準快速地單獨控制每個像素，是一個需要克服的主要障礙。

microLED 生產週期的任何階段都可能出現瑕疵。試想一下超過八百萬像素的 4K 顯示器。即使製程的良品率為 99.99%，顯示器的像素最終也可能出現 1,000 多個壞點。在這種規模上辨識並修復瑕疵是非常具有挑戰性的。因此，解決瑕疵和達成高亮良率的方法和技術值得密切關注。  

MicroLED 技術的主要優點

MicroLED 技術提供多項關鍵優勢：

高亮度：可提高輸入電流來增加microLED 亮度，但達到一定程度後，裝置出現效率下降、快速老化等問題，可能需要謹慎的溫度管理。MicroLED 可承載大電流密度，在維持輕薄外型的同時達成更高的效率和亮度。

快速回應時間：microLED 所使用的半導體材質具有快速的電學與光學反應特性，相較於 OLED 所使用的有機材料，像素的反應時間較快。

獨立像素控制：microLED 顯示器中的每個像素都可獨立驅動，直接控制其開關狀態，而 OLED 則仰賴有機物質來發光或熄滅。

穩定性與耐用性：MicroLED 是由氮化鎵 (GaN) 等半導體材質所組成，具有優異的穩定性，因此不需要複雜的封裝方法。雖然 OLED 在嚴寒氣溫中運作良好，但高溫會大幅加速老化。溫度管理也是 LCD 的一大挑戰，因為溫度會影響顯示器的效率，低溫環境會導致效能遲緩。堅固耐用的基礎 LED 技術為 microLED 帶來了優異的亮度與使用壽命，可應用於潮濕或各種操作溫度等嚴苛環境。

MicroLED 有哪些應用？

前述各項優點讓 microLED 在特定應用中有卓越表現：

抬頭顯示器 (HUD) 和中央叢集顯示器：汽車和飛機的 HUD 和中央叢集顯示器的 MicroLED 高亮度對於駕駛員安全至關重要。提升了陽光下的可視性，確保重要資訊在各種照明條件下均清晰可見。

汽車照明頭燈：microLED 具有高亮度，可選擇性控制像素層級的光段，因此能夠對汽車頭燈應用的光線分佈和強度精準和即時地控制。microLED 技術有可能取代目前照明系統中的數位光處理（DLP）技術的微鏡，並增加頭燈中可控制的光線分段數量，超越 DLP 先前所能達到的效果。這項高像素計數功能可啟用先進的無眩光遠光頭燈，改善駕駛體驗。  

消費性電子元件：microLED 亮度高且體積小，在需要在小區域顯示資訊的應用程式中具有關鍵優勢，同時還能應對智慧型手錶和擴增實境 (AR) 等顯示器環境光較強的應用，提升使用者體驗。

對於需要流暢運動渲染和快速移動的內容 (例如遊戲、運動和動作內容，以及 AR/VR) 的應用中，直接控制每個像素的且同時有快速反應時間，減少動態模糊和殘影偽影。

高速光通訊：最佳化 microLED ，開關時間更快，能應用在加速運算的光通訊中。

可延展的柔性顯示器：microLED 的穩定性與耐用性使其成為柔性和可延展顯示器的理想候選材料，無需複雜的封裝方法。

MicroLED 充滿挑戰與前景的未來

儘管 Sony、Samsung 和 Konka 等少數公司銷售 microLED 電視牆，以及其他公司已展示過各種 microLED 原型，例如豪華電視，以及各種尺寸的透明和柔性顯示器，但廣泛採用的技術尚未實現。其中一項挑戰是，由於 OLED 技術的成熟且符合成本效益，大幅提升了進入市場的門檻。過去數十年來，OLED 在材料、裝置和製造開發方面的大量投資使其成為電視和智慧型手機領域的強勁對手。

 雖然在某些領域中達成與 OLED 的差異化可能極具挑戰性，但在其他應用中，高亮度、高解析度密度、反應時間、功耗以及在極端條件下的堅固性等嚴苛要求都非常適合 microLED，這些應用很可能會促使人們廣泛採用這項技術。

Optica 的首席技術長 (CTO) Jose Pozo 表示：「microLED 在消費性電子產品中有很大的潛力。」技術領導者持續推動「新一代技術」期盼。試想智慧型手機的每個新一代的產品如何提供最新的增強功能並提升更好的體驗。這種思維現在適用於所有進入業界的新技術。在可穿戴式技術、擴增實境和虛擬實境等相對新興的領域，microLED 所具有的特性使其對產品的持續發展具有高度吸引力。」Optica 創立於 1916 年，是一個面向科學家、工程師、商業專業人員、學生及其他對光學產業有興趣的領先組織。其致力於促進光學領域知識的產生、應用、歸檔和傳播。

此外，在新材料與新技術的研發方面也不斷進行投資，從而持續推動 OLED 技術的發展。每年都有新的顯示器製造商、新創公司、原始設備製造商 (OEM) 和設備製造商不斷進入 microLED 領域，科技產業的主要廠商也持續投入數十億研發 microLED，這充分說明這項新興顯示技術是一片沃土，具有可觀的投資與成長潛力。

額外資源

若要深入瞭解 Ansys Optics 用於 microLED 設計的模擬功能，請參閱我們的應用程式庫範例：MicroLED 多重物理量設計。