Mini/Micro LED電路設計

一、研究目標

Mini LED 是將 LED 微縮至約次毫米等級之大小,尺寸介於傳統 LED 與 Micro LED 之間,承襲了 LED 自發光與採用無機材料製造之特性,且無 OLED 會逐漸老化造成亮度衰減之問題,其厚度與對比度近似 OLED 且能搭配軟性基板,適合作為 LCD 面板之背光源(backlight),而Mini LED除了適合作為背光模組外,因其自發光與無機材料的特性,直接作為畫素電路之發光元件能達到更輕薄與更高對比度顯示器。Micro LED除了保有Mini LED高色彩飽和度、高對比度及高可靠度之優點,搭配CMOS技術,Micro LED可實現超高解析度之顯示面板,故Micro LED被視為顯示器產業新一代的顯示技術。但由於Mini-LED及Micro LED在驅動電流大小不同時,會產生LED發光波長偏移(Wavelength-shift)現象,將使顯示器對顏色的均勻性難以掌握,故本實驗室預計提出具改善色偏之畫素電路、周邊驅動電路及顯示面板功率消耗模型,於畫素電路端將提出混合式(Hybrid)驅動架構之畫素電路,結合PAM及PWM驅動方法以改善色偏現象,同時具有降低電路功耗、提高電流均一性、精準控制灰階等優點,提升Micro LED及Mini LED顯示器之附加價值。

Apple 所推出之Mini LED背光顯示器產品

產品友達光電與錼創科技共同推出9.4 吋高解析度柔性 Micro LED 顯示器

二、研究內容
1. PWM 畫素電路設計

下圖為本實驗室於2022年 Journal of the Electron Devices Society所提出之適用於Mini LED背光模組的驅動電路,此電路可達到補償TFT之臨界電壓(threshold voltage, VTH)變異與電壓源電壓變異(I-R rise),以提高驅動電流的一致性,進而提升畫面均勻度,並利用Pulse width modulation(PWM)驅動方式,使LED在發光時能操作在最佳發光效率,且設計電路在發光電流路徑上僅有一顆電晶體,以改善面板整體功率消耗。

本實驗室於2022年所提出之AM Mini LED背光電路

2. 可改善功耗之驅動電路

本實驗室亦於2021年 Transactions on Electron Devices提出一可應用於Mini LED背光模組之驅動電路,下圖為其電路架構及對應時序圖,此電路降低電流路徑上開關TFT之VDS,進而降低所需之VDD-VSS跨壓,以節省面板整體功率消耗。

本實驗室於2021年所提出之AM Mini LED背光電路

3. 功耗模型探討

針對Mini LED功率消耗的議題,本團隊與美國中央佛羅里達大學合作,於2020年Light: Science & Applications發表一關於Mini LED、Micro LED及OLED現況及未來展望之研究,並深入探討顯示器之功率消耗,左下圖為OLED(虛線)及Micro-LED(實線)RGB三色量子效率特性圖,從圖中可得知OLED在正常操作範圍內量子效率能維持穩定,然而隨著亮度增加會逐漸下降;相較之下,Micro LED在高亮度時量子效率優於OLED,再者,也可從右下圖的Micro LED量子效率特性圖中觀察到,Micro LED在低於50 µA時量子效率及VF之比例會急遽下降,使Micro LED之功耗上升,綜合上述結果,如何將Micro LED之量子效率操作至較佳效率值成為實現Micro LED 顯示器之重要關鍵。

不同發光元件量子效率特性