1. 緒論

顯示技術已遍及現代生活，應用涵蓋智慧型手機、平板電腦、顯示器、電視及AR/VR裝置。目前市場主要由液晶顯示器 (LCD) 與有機發光二極體 (OLED) 顯示器主導。然而，近期無機 Mini-LED (mLED) 與 Micro-LED (μLED) 的進展，為提升動態範圍、陽光下可讀性及新型態外觀設計帶來了新的可能性。本綜述將對這些競爭技術進行全面分析，評估其材料特性、元件結構、效能指標及未來潛力。

2. 顯示技術概況

從陰極射線管 (CRT) 到平面顯示器的演進，是由對更薄型化、更低功耗及更佳畫質的需求所驅動。

2.1 液晶顯示器 (LCD)

LCD 發明於 1960 年代末，並在 2000 年代成為主流。它們屬於非自發光顯示器，需要獨立的背光模組 (BLU)，這增加了厚度並限制了可撓性。其效能根本上與背光的品質及控制能力息息相關。

2.2 有機發光二極體 (OLED) 顯示器

經過 30 年的發展，OLED 顯示器屬於自發光技術，能實現完美的黑色、超薄外型及可撓式設計（例如摺疊手機）。然而，影像殘留與操作壽命（尤其是藍光 OLED）仍是其面臨的挑戰。

2.3 Mini-LED 與 Micro-LED 顯示器

這些無機 LED 技術提供了超高亮度與長壽命。Mini-LED 主要用作 HDR LCD 的區域調光背光源，而 Micro-LED 則以實現自發光顯示器為目標。其關鍵挑戰在於巨量轉移良率與缺陷修復，這直接影響了成本。

3. 效能指標分析

關於「誰勝出」的爭論，圍繞著幾個關鍵的效能參數。

關鍵效能指標

  • 高動態範圍 (HDR) 與環境對比度 (ACR)
  • 解析度密度 (PPI)
  • 廣色域
  • 視角與色偏
  • 動態影像反應時間 (MPRT)
  • 功耗
  • 外型設計（薄型、可撓、輕量）
  • 成本

3.1 功耗

對於行動裝置而言，電源效率至關重要。OLED 為畫素自發光，功耗與顯示內容成正比（在暗場景下具有優勢）。採用全域背光的 LCD 在顯示暗色內容時效率較低。具備區域調光功能的 mLED 背光 LCD，在高對比場景下能接近 OLED 的效率。μLED 則有望在自發光技術中提供最高的發光效率（流明/瓦）。

3.2 環境對比度 (ACR)

ACR 決定了在明亮環境下的可讀性。其定義為 $(L_{on} + L_{ambient} \cdot R) / (L_{off} + L_{ambient} \cdot R)$，其中 $L$ 為亮度，$R$ 為表面反射率。OLED 具有近乎無限的原生對比度，但受反射率影響。μLED 則能同時實現高峰值亮度與完美黑色，從而提供卓越的陽光下可讀性。

3.3 動態影像反應時間 (MPRT)

MPRT 影響動態模糊。OLED 具有近乎即時的反應速度 (<0.1 ms)。LCD 較慢 (2-10 ms)，通常需要過驅動電路。mLED 與 μLED 的快速反應速度可與 OLED 媲美，能消除動態模糊的瑕疵。

3.4 動態範圍與 HDR

HDR 需要高峰值亮度與深邃的黑色。mLED 背光 LCD 透過區域調光分區（從數百到數千個）來實現此目標。OLED 在黑色表現上表現卓越，但峰值亮度受限（約 1000 尼特）。理論上，μLED 能提供兩者的優點：>1,000,000:1 的對比度以及超過 10,000 尼特的峰值亮度。

4. 材料與元件結構

4.1 材料特性

OLED： 使用有機半導體材料。效率與壽命，特別是藍光發光體，是持續的研究領域。材料對氧氣與濕氣敏感。
mLED/μLED： 基於無機 III-氮化物半導體（例如 GaN）。它們提供更優異的穩定性、更高的電流密度耐受度及更長的壽命。藍光 μLED 的外部量子效率 (EQE) 是一個關鍵因素。

4.2 元件架構

OLED： 通常具有層狀結構：陽極/電洞注入層/電洞傳輸層/發光層/電子傳輸層/電子注入層/陰極。
μLED 顯示器： 由微觀 LED 陣列（尺寸 <100 µm）直接沉積或轉移到背板（矽或 TFT）上組成。每個子畫素（R, G, B）都是一個獨立的 LED。巨量轉移製程（例如取放技術、雷射剝離）是主要的製造障礙。

5. 技術細節與數學模型

功耗模型： 對於自發光顯示器，總功耗 $P_{total} \approx \sum_{i=R,G,B} (J_i \cdot V_i \cdot A_i)$，其中 $J$ 為電流密度，$V$ 為操作電壓，$A$ 為各顏色的有效面積。對於具備區域調光的 LCD，節能效果可根據調光分區數量 $N$ 與影像內容統計數據進行建模。
光萃取效率： 這是 μLED 的主要挑戰之一。效率 $\eta_{extraction}$ 受限於全內反射。常見的增強技術包括塑造 LED 台面結構與使用光子晶體。其關係通常以光線光學或更複雜的電磁模擬來描述。

6. 實驗結果與圖表說明

圖表說明（基於該領域的典型數據）： 一張比較圖表會顯示不同技術的亮度（尼特）隨年份的變化。OLED 的峰值亮度在 1000-1500 尼特附近趨於平穩。mLED 背光 LCD 則呈現急遽上升趨勢，在擁有 >1000 個區域調光分區時可達 2000+ 尼特。μLED 原型機展示的數值超過 5000 尼特。另一張關於功耗的圖表則會顯示，在深色使用者介面（例如 10% APL）下 OLED 最為高效，而在高 APL（例如 100% 白色畫面）下，mLED-LCD 與 μLED 則領先。

關鍵實驗發現： 來自加州大學聖塔芭芭拉分校及韓國科學技術院等機構的研究顯示，由於側壁缺陷，Micro-LED 的外部量子效率 (EQE) 在尺寸較小 (<50 µm) 時會顯著下降。這是實現高解析度、高效率 Micro-LED 顯示器的關鍵障礙。

7. 分析框架：個案研究

個案：為高階智慧型手機選擇顯示器。
框架應用：

  1. 定義權重： 為各指標分配重要性（例如：功耗：25%、對比度/ACR：20%、外型設計：20%、成本：20%、壽命：15%）。
  2. 技術評分： 針對每項指標為每種技術評分（1-10分）。
    • OLED： 功耗 (8)、對比度 (10)、外型設計 (10)、成本 (6)、壽命 (5)。加權分數：7.55
    • mLED-LCD： 功耗 (7)、對比度 (8)、外型設計 (4)、成本 (8)、壽命 (9)。加權分數：7.15
    • μLED： 功耗 (9)、對比度 (10)、外型設計 (9)、成本 (3)、壽命 (10)。加權分數：7.70（但成本是嚴重阻礙）。
  3. 洞察： 由於均衡的效能與可製造性，OLED 在當前消費性產品中領先。μLED 在純粹效能上勝出，但被成本因素淘汰，這與其目前聚焦於利基、高價值市場的現狀相符。

8. 未來應用與發展方向

近期（1-3年）： mLED 背光 LCD 將主導高階電視與顯示器市場的 HDR 應用。OLED 將持續應用於智慧型手機，並擴展至 IT 裝置（筆記型電腦、平板電腦）。

中期（3-7年）： 可能會出現混合式方法（例如，結合量子點色彩轉換的 mLED 背光）。μLED 將在超大尺寸公共顯示器、汽車抬頭顯示器及穿戴式 AR 眼鏡（其中小尺寸與高亮度至關重要）中實現商業化。

長期（7年以上）： 目標是為主流消費性電子產品提供全彩、高解析度的 μLED 顯示器。這取決於巨量轉移（例如單片整合、捲對捲印刷）、缺陷修復（雷射修復、冗餘設計）及成本降低方面的突破。可撓式與透明 μLED 顯示器將催生新的產品外型。

9. 參考文獻

  1. Huang, Y., Hsiang, EL., Deng, MY. & Wu, ST. Mini-LED, Micro-LED and OLED displays: present status and future perspectives. Light Sci Appl 9, 105 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0341-9
  2. Wu, T., Sher, C.W., Lin, Y. et al. Mini-LED and Micro-LED: Promising Candidates for the Next Generation Display Technology. Appl. Sci. 8, 1557 (2018).
  3. Kamiya, T. et al. The 2022 Nobel Prize in Physics and the birth of blue LEDs. Nature Reviews Physics (2022).
  4. International Society for Optics and Photonics (SPIE). Reports on Display Technology Roadmaps. https://spie.org
  5. Display Supply Chain Consultants (DSCC). Quarterly Display Technology Reports.

10. 原創分析：產業觀點

核心洞察

顯示產業並非走向單一「贏家通吃」的局面，而是進入一個漫長的策略性市場區隔時代。Huang 等人的綜述正確指出了各項指標，但低估了商業考量。真正的競爭是由效率與性能的權衡所定義，並受到製造經濟學的調節。OLED 之所以能贏得高階行動裝置與大尺寸電視市場，並非因為它在每項實驗室測試中都表現最佳，而是因為它提供了最佳的整合價值——在可製造的成本下提供卓越的黑色表現與外型設計。正如 DSCC 報告所指出的，OLED 工廠的產能利用率與良率提升顯著，鞏固了其地位。

邏輯脈絡

從論文中得出的邏輯進程很清晰：LCD（依賴背光）→ OLED（自發光、有機）→ mLED/μLED（自發光、無機）。然而，產業的發展路徑更為複雜。mLED 並非 OLED 或 μLED 的直接競爭者；它是對 LCD 生態系統的防禦性增強。透過為 LCD 注入新的活力，使其 HDR 性能在許多觀看條件下可與 OLED 匹敵，mLED 背光 LCD 延長了龐大 LCD 製造基礎設施的投資回報率。這為 μLED 的普及創造了一個強大的中階市場障礙。這種發展模式反映了其他領域的演進，例如卷積神經網路 (CNN) 透過殘差連接 (ResNet) 來克服限制，而非立即被 Transformer 模型所取代。

優勢與缺陷

分析的優勢： 該論文對 ACR 與 MPRT 等基礎指標的嚴謹比較極具價值。它正確指出了每種技術的阿基里斯腱：OLED 的壽命與影像殘留問題、mLED 受限的外型設計，以及 μLED 的「巨量轉移良率與缺陷修復」問題。對陽光下可讀性的關注，對於汽車與戶外應用具有前瞻性。

關鍵缺陷/遺漏： 該分析很大程度上將各技術孤立看待。最重要的近期趨勢是混合化。我們已經看到採用量子點 (QD) 色彩轉換器的 mLED（由 Nanosys 等公司推動的技術）來改善色域，實際上創造了 QD-mLED-LCD。其邏輯終點是將 μLED 作為 QD 色彩轉換的主要光源，這可能繞過個別轉移完美紅、綠、藍 μLED 的巨大挑戰。這種匯聚路徑才是真正創新的所在，類似於 CycleGAN 的框架為非配對圖像轉換開創了生成式 AI 的新混合方法。

可行動的洞察

對於投資者與策略制定者：押注於賦能技術，而不僅僅是終端顯示器。關鍵的「賣鏟子」機會在於轉移設備（例如 Kulicke & Soffa）、修復雷射及 QD 材料。市場在未來十年將是多技術並存的。

對於產品設計師：根據應用選擇。在美學與完美對比度至關重要的消費性裝置上使用 OLED。在峰值 HDR 亮度至關重要的專業顯示器與電視上指定 mLED-LCD。在成本次於性能的應用中探索 μLED——例如軍事、醫學影像及高階 AR，就像專用硬體（例如 NVIDIA 的 DGX）被部署於特定的 AI 訓練任務。

對於研究人員：最大的挑戰已不僅僅是製造更好的 LED。應聚焦於異質整合——高效地將 III-V 族半導體與矽背板結合。獎賞將屬於解決系統級製造難題、將每畫素成本降低數個數量級的人。前進的道路較少是顛覆性的擊倒，而更多是供應鏈上一系列整合式創新。