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        【深度】Micro LED未來之路非黑即白

        來源:果殼硬科技        編輯:lsy631994092    2022-11-30 08:32:36     加入收藏

        五年前,蘋果iPhoneX開始搭載OLED(有機小分子電致發光顯示)屏幕;2021年,蘋果在新款MacBookPro上搭載了新的顯示技術:MiniLED(次毫米發光二極管)。但MiniLED...

          五年前,蘋果iPhone X開始搭載OLED(有機小分子電致發光顯示)屏幕;2021年,蘋果在新款MacBook Pro上搭載了新的顯示技術:Mini LED(次毫米發光二極管)。但Mini LED不是終點站,蘋果涉足的另一項儲備技術,新秀Micro-LED(微米發光二極管)顯示技術或有望一統江湖。

          之所以升級顯示技術,都是為了看得更清晰、更還原真實世界。但目前,搭載Micro LED技術的產品過于昂貴,如三星110英寸的Micro LED電視,價格已超過百萬元,普通人根本無福消受。Micro LED產品價格何時才能親民,手機平板何時才能上Micro LED屏幕?

          在本文中,你將了解到:Micro LED為什么被稱作終極顯示技術,Micro LED的產業化難點,Micro LED市場情況。

          付斌丨作者

         

          改變人類生活的顯示技術

          簡單來講,你可以把Micro LED理解成將LED縮放到極小尺寸的一種新型顯示技術。其未來應用有望涉及顯示器、電視、手機平板顯示、增強現實/虛擬現實/混合現實(AR/VR/MR)、空間顯示、柔性透明顯示、可穿戴/可植入光電器件、光通訊/光互聯、醫療探測、智能車燈等領域。

          業界使用兩種方法界定Micro LED的技術規格。

          一是通過芯片尺寸界定,將LED芯片縮放至小于100μm,便可稱為Micro LED芯片(也有學者認為應以50μm為界)。根據觀看距離和人眼的極限分辨率,對芯片尺寸的要求也不同:

          VR/AR應用觀看距離約5cm,像素密度要達到1800PPI左右,此時Micro LED芯片尺寸為3~5 μm;

          10英寸~12英寸的平板至少要達到300PPI的像素密度,對應芯片尺寸為20~30μm;

          75英寸的電視則只需43PPI,芯片尺寸往往為200μm左右。[1]

        不同應用對Micro-LED芯片尺寸的要求,制表丨果殼硬科技

        參考資料丨《電子工業專用設備》[2]

          另一種是通過工藝界定,由于Micro LED芯片尺寸非常小,其長寬甚至比芯片的高度還小,導致芯片高度大于固晶面尺寸,不利于芯片在基板上固定,因此會比傳統LED增加一步激光剝離芯片基板的操作。

          縱觀整個顯示行業,技術持續涌現,目前市場主流技術包括TFT LCD(薄膜晶體管液晶顯示)、AMOLED(主動矩陣有機發光二極管顯示)、QD-OLED(混合OLED和QLED的技術)、QNED(以藍光LED作為光源的QD-OLED顯示)、Mini-LED、Micro LED、Micro OLED。

          可以簡單將現階段顯示技術分為LCD、OLED、QLED、Micro LED四個大類,其他技術是在此基礎上的改良版或過渡版,而Micro LED被認為是理想的顯示技術,是新型顯示時代的終極目標,有望替代現階段大面積使用的LCD和OLED。

          從黑白到高清彩色,CRT技術滿足了一代人對影響世界的夢想。從又厚又重到平板顯示,LCD和OLED滿足了人們對輕薄、便攜、對視力友好的要求。而現階段,唯一能達到更接近現實,甚至是能夠騙過人眼的下一代顯示技術,是Micro LED。[3]

          行業人士認為,當多種顯示技術集中爆發后,最終可能只會有一兩種技術能主導市場,而最有希望的無疑是Micro LED。[1]

        主流顯示技術的分類,制圖丨果殼硬科技

        參考資料丨《Micro LED顯示研究報告(2019)》[4],《電子工業專業設備》[2]

          Micro LED憑什么能獲得如此高的評價?因為它不僅擁有LED的大部分優點,還具有高亮度、高分辨率、高響應速度、低功耗、體積小、易拆解、靈活度高、無拼縫等特征,能夠覆蓋絕大多數顯示應用場景[5] 。與此同時,它的響應速度能夠達到幾十納秒,沒有殘像且不存在壽命問題。[3]

          除此之外,對比LCD、OLED、QLED等前輩,Micro LED的主要性能參數均較為優異。

        現代顯示技術比較[1]

         

          過渡技術已大規模商業化

          Micro LED還有一個近親:Mini LED,可以將后者理解為LED與Micro LED間的過渡技術。由于技術原理極為類似,業界普遍將二者歸結于一個路線中,有些情況也會被合稱為MLED。

          作為前序技術,Mini LED主要解決的問題是芯片尺寸斷層問題,相關技術發展對Micro LED具備一定的借鑒作用,其芯片尺寸一般為75μm~300μm。

        LED全景圖[6]

          Mini LED要比Micro LED實現起來簡單地多,不僅在芯片尺寸上更容易被實現,而且在材料上也沒有科學性的難題,已被量產投入到市場中,蘋果、三星、TCL等品牌已實現規?;慨a。

          但Mini LED與Micro LED有不同應用場景,市面上Mini LED一般作為LCD背光源出現,再結合量子點技術,實現高動態范圍顯示,而Micro LED則直接用于制作顯示像素[7] 。簡單來說,市售的Mini LED顯示器本質上還是LCD,Mini LED只是LCD的一個陪襯,而Micro LED顯示器則直接發光成像。[8]

          自2018年開始,面板廠商陸續發布使用Mini LED作為背光的樣機,產品尺寸達到152.4mm~685.8mm(6~27英寸),至今為止,Mini LED背光的顯示器已擁有1398mm(55英寸)、1651mm(65英寸)、1905 mm(75英寸)和2159 mm(85英寸)等型號,可達8K分辨率、120Hz刷新率的高指標,可將現有顯示器對比度由10000∶1拉升至1000000∶1。[9]

          Mini LED產業化行徑明晰,已具備一定出貨量。2021年,全球中尺寸Mini LED背光面板出貨量達740萬片。到2023年,智能汽車將成為Mini LED的新陣地。[10]

        基于Mini-LED背光產品的發展路線[9]

          作為中間過渡的Mini LED產業一派欣欣向榮之勢,而Micro LED依然小眾,那想讓么Micro LED出圈,究竟難在哪里?

         

          想造,沒那么容易

          Micro LED什么都好,就是貴。究其原因,在于制造環節的難題較多,導致難以大量生產、良率較低,引發價格攀升。

          從表面看,Micro LED芯片只是將LED芯片微縮化,但實際情況遠比想象中要難。從毫米級到微米級轉換的過程,本質是LED微小化、薄膜化和矩陣化,在該過程中材料生長、器件制備、驅動技術、生產工藝等步驟都發生了變化,最終產生質變。[11]

          Micro LED采用的是RGB(紅綠藍)顏色標準,由于是自發光元件,想讓Micro LED顯現圖像,就要分別做出三基色的發光芯片,以此構成一個個像素。

          用不同材料,可以制備不同顏色的Micro LED芯片,如InGaN/GaN基材料用于制備綠光/藍光Micro LED陣列,AlInGaP/GaAs基材料用于制備紅光Micro LED陣列,藍寶石、砷化鎵和硅等襯底上生長外延層,制備Micro LED陣列。[12]

          從襯底到產品,Micro LED顯示器會經過外延生長、芯片制造、巨量轉移、性能檢測四大工藝。

        Micro-LED器件制造工藝流程[2]

        Micro-LED器件制造簡述和難點,制表丨果殼硬科技

        參考資料《激光與光電子學進展》[13] ,《電子工業專業設備》[2]

          從技術上來看,芯片制備相關的材料和設備上相對成熟,問題癥候在于制造環節,具體來說,Micro LED的壁壘包括以下幾點:

          都是小惹的禍

          對芯片來說,尺寸做得越小,制造難度就越大,Micro LED亦如此。Micro LED芯片的尺寸實在太小了,將其制作成各種顯示器件時,都要考慮小尺寸帶來的影響。

          要取得小尺寸的Micro LED,就要使用微縮制程技術,將LED芯片微縮后到滿足應用要求的尺寸。微縮制程技術包括芯片焊接、晶圓焊接、薄膜轉移三種路徑,技術實施得越好,像素密度就會越高。

        微縮制程技術實現的三種路徑,制表丨果殼硬科技

        參考資料丨《Micro-LED技術路線圖(2020版)》[6] ,有刪改

          Micro LED還有個不得不面對的致命問題:在微縮過程中,時常會產生側壁缺陷。比如,同樣是2μm的誤差缺陷,在250μm×250μm尺寸的LED上,剩余可使用率為97%,但在5μm×5μm的Micro-LED上,剩余可使用率僅為4%。[14]

        誤差缺陷導致芯片使用率大幅度降低[14]

          不僅如此,Micro LED芯片尺寸越小,電感耦合等離子體(ICP)刻蝕區域(側壁)與有源區體積的比率就會越大,刻蝕損傷所形成的缺陷占比越高[15] 。導致非輻射復合比例逐漸上升,發光效率和使用壽命下降。如尺寸從400μm減小至20μm,電流密度光效下降比例可達50%[7] 。這還會導致有源區內肖克利·雷德·霍爾(SRH)非輻射復合幾率增加、輻射復合幾率和發光效率降低、引入新的漏電通道加重器件反向漏電。這些問題,在尺寸小于10μm的Micro LED上尤為顯著。[16]

          芯片尺寸問題還會讓提高驅動器與Micro LED陣列集成的效率和穩定性成為難題。簡言之,量產LED或是Mini LED的工藝流程,對Micro LED來說可能不再適用。

          巨量轉移的困境

          LED顯示器的每個像素點都由點陣組合而成,一個個小LED芯片組成的陣列的間距基本一致。Micro LED也是同理。制造出芯片后,也要將大批量的Micro-LED芯片定點巨量地轉移到電路基板上,這個過程就是“巨量轉移”。

          與傳統的LED不同,Micro LED的巨量轉移不僅對轉移精度、轉移速率、色彩均勻度的控制有更高要求,轉移數量也更大,4K的Micro LED顯示器需完成兩千多萬顆的Micro-LED芯片倒裝,而8K則達到了上億顆。[17]

          目前巨量轉移技術有多種技術方案,包括精準拾取技術、激光釋放技術、流體自組裝技術及滾輪轉印技術等,不同技術擁有不同特性,但都存在一定弊端。

        Micro-LED芯片巨量轉移方式[2]

          具體來說,精準拾取技術對轉移設備精準度及穩定度要求極高;激光釋放技術在實施過程中可能會對芯片表面造成損傷,降低良率,此外激光設備價格昂貴;流體組裝技術需經歷3次才能完成轉移,效率較低;滾輪轉印技術可在柔性基底上實現轉移,但同樣需要3次轉移才能完成巨量轉移。[17]

          部分方法在實驗室可達99.99%的良率,但比起至少要達到99.9999%良率的產業化要求,相差距離較大。業界正在探尋一種易實現、良率高又較為便宜的技術方案。[18]

          繽紛色彩背后的挑戰

          為什么顯示器能夠呈現得如此豐富多彩?因為顯示界普遍采用了RGB(紅綠藍)顏色系統,通過RGB三原色疊加合成,能夠實現肉眼可見的大部分色彩。想要Micro LED能夠正確描繪出畫面,就要做好色彩方案,即全彩化。

          Micro LED彩色化主要有兩種解決方案:一種是藍色源轉色方案,但色轉換材料存在涂布均勻性和信賴性等問題,應用較少;另一種是直接使用LED的RGB三色方案,但對Micro LED來說,這種方案并不是拿來就能用,需要對LED大小進行相應調整,此外由于各色波長均一性差異,還會面臨光效率和良率不足的問題。[14]

        不同彩色化技術[17]

          產業鏈上的難題

          造出Micro LED芯片并不代表著結束,要讓它真正顯現在人們眼前,在多個技術領域上都要有所突破。

          與其它芯片技術相同,Micro LED也將牽扯龐大的產業鏈與原材料問題,從原料到點亮屏幕,分為上游、中游和下游,每個環節都與最終成品息息相關,其中較為關鍵的技術包括驅動IC、驅動背板和封裝。[19]

        Mirco-LED顯示產業鏈[19]

         

          產業正蓄勢待發

          作為終極目標,Micro LED無疑是顯示領域的明星。

          2000年以來,得州理工大學教授提出Micro LED的概念,堪薩斯州立大學制備基于Ⅲ族氮化物Micro LED[20] ,學術界自此掀起研究浪潮。尤其在2006年后,開始呈指數型增長。谷歌學術數據顯示,截止目前,Micro LED領域已有近6000篇文獻。

          世界各地研究機構與廠商也相繼投入Micro LED的研究,在消費電子巨頭牽動下,Micro LED初步產業化。

          2012年,索尼發布55英寸高清Micro LED電視面板Crystal LED,它是首個作為商業產品出現的產品;

          2014年,蘋果公司收購Lux Vue,入場Micro LED的技術研究,這項技術真正開始進入大眾視野,迄今為止,蘋果不僅持續推動Micro LED技術發展,還發布了多款Mini LED相關產品;

          2018年,三星于CES展推出全球首款模組化拼接的146英寸Micro LED TV“The Wall”;

          2020年12月,三星發售110英寸Micro LED電視;

          2021年1月,Vuzix發布首款商業化的Micro LED AR智能眼鏡。[17]

          從專利上來看,2002年~2014年,Micro LED專利申請總量較小。而自2017年開始,申請量開始大幅提升。[21]

        Micro-LED發展歷程[12]

          由于技術難題較多,現階段Micro LED整體市場規模有限,業內預計,Micro LED在2024年將實現大規模商用化。[22]

          據Research And Markets統計,2020年,Micro LED的全球市場規模為10億美元,預計到2027年將以77.1%的年復合增長率增長[23] 。另據高工產研LED研究所(GGII)預測,2025年全球市場規模將超過35億美元,2027年有望突破100億美元[24] 。反觀國內方面,有望在大規模商用化之后沖擊800億元市場規模。[22]

        Micro-LED技術路線圖[6]

          目前市場側Micro LED應用分為兩大方向,一是以蘋果為代表的可穿戴市場,另一個是以三星、索尼為代表的超大尺寸電視市場。短期來看,市場將集中在超小型顯示器上,中長期來看,Micro LED將會橫跨可穿戴設備、超大室內外顯示屏幕、抬頭顯示器(Head-Up Display,HUD)、車尾燈、AR/VR/MR、投影機等多領域。[25]

          推進產業化的企業主要包括三類:第一類為傳統LED芯片和封裝企業,如日亞、晶電Lumens等企業;第二類為TFT-LCD和OLED等新型顯示企業,如京東方;第三類為終端企業,如索尼、三星、LG。

          產業化形式上則以合作為主,Micro LED以定制化設計為主,加之技術要求較高,行業呈現高度整合態勢,面板、芯片、巨量轉移及驅動IC等廠商抱團式發展。[26]

          國際上,相關融資也此起彼伏,目標均指向大規模產業化。

        2022年1月~11月中旬Micro-LED國際相關融資不完全統計,制表丨果殼硬科技

          Micro LED在國內也受到熱捧,在政策上不斷傾斜,且投融資動作頻繁?!?022 Mini/Micro LED顯示產業白皮書》顯示,僅2022年1月~8月,國內就有30多家企業有投資動作,涉及資金總計達415億元。[10]

          我國產業鏈上下游企業也紛紛在LED、巨量轉移、彩色化、檢測、修復等關鍵技術開展技術合作,形成“京東方+華燦光電”“三安+華星光電”“富采+錼創+友達+群創”三大陣營[27] 。與此同時,國內已展開可穿戴顯示、高清移動顯示、車載顯示、高清大尺寸顯示、超大尺寸拼接商用顯示樣機的研發及試產工作。[18]

        2022年1月~11月中旬Micro-LED國內相關融資不完全統計,制表丨果殼硬科技

          對產業來說,Micro LED未來之路非黑即白,從好的方面來看,市場前景一片光明,從壞的方面來看,短時是銷量的博弈。

          一方面,市場下行,面板行業則是砍單風暴的第一批“受害者”,消費電子需求不濟,不知道這種情況是否會在大規模商業化時有所緩解。

          另一方面,對普通消費者而言,他們更多關注的是產品的性能、功能及價格,對于采用是哪種技術,并不會過多關心。對于顯示廠商來說,最為重要的,可能便是思考如何讓更多普通消費者感受到Micro LED對生活的改變。

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