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五年前,苹果iPhone X开始搭载OLED(有机小分子电致发光显示)屏幕;2021年,苹果在新款MacBook Pro上搭载了新的显示技术:Mini-LED(次毫米发光二极管)。但Mini-LED不是终点站,苹果涉足的另一项储备技术,新秀Micro-LED(微米发光二极管)显示技术或有望一统江湖。# M; p6 v9 g; B$ `0 L" `& d
之所以升级显示技术,都是为了看得更清晰、更还原真实世界。但目前,搭载Micro-LED技术的产品过于昂贵,如三星110英寸的Micro-LED电视,价格已超过百万元,普通人根本无福消受。Micro-LED产品价格何时才能亲民,手机平板何时才能上Micro-LED屏幕?) ?; V- Q6 v) @
本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第十七篇文章,关注Micro-LED国产替代。在本文中,你将了解到:Micro-LED为什么被称作终极显示技术,Micro-LED的产业化难点,Micro-LED市场情况。! ]* A% R% ]. g. E1 _ S2 u
付斌丨作者8 ]! y' Q0 h! m, n$ T1 b( [: Z
李拓丨编辑
! r( U1 P9 ?1 {( s5 G 果壳硬科技丨策划1 q \- g) \$ Y4 J0 i
改变人类生活的显示技术
( P- N+ C" y, G$ U% b- R 简单来讲,你可以把Micro-LED理解成将LED缩放到极小尺寸的一种新型显示技术。其未来应用有望涉及显示器、电视、手机平板显示、增强现实/虚拟现实/混合现实(AR/VR/MR)、空间显示、柔性透明显示、可穿戴/可植入光电器件、光通讯/光互联、医疗探测、智能车灯等领域。
6 z! N& `( q& A6 y% ^, M0 }2 x8 N0 m4 ` 业界使用两种方法界定Micro-LED的技术规格。
( i! z" f7 n: i& ~4 k# u9 D# \ 一是通过芯片尺寸界定,将LED芯片缩放至小于100μm,便可称为Micro-LED芯片(也有学者认为应以50μm为界)。根据观看距离和人眼的极限分辨率,对芯片尺寸的要求也不同:( ]/ y! x# r& R+ X# ]& H
VR/AR应用观看距离约5cm,像素密度要达到1800PPI左右,此时Micro-LED芯片尺寸为3~5 μm;
% o# {. {& K( I- i" l 10英寸~12英寸的平板至少要达到300PPI的像素密度,对应芯片尺寸为20~30μm;' X: k, N8 L" n
75英寸的电视则只需43PPI,芯片尺寸往往为200μm左右。[1]
+ t% S8 V0 V7 l; G4 \. z# W 不同应用对Micro-LED芯片尺寸的要求,制表丨果壳硬科技 参考资料丨《电子工业专用设备》[2] 4 X' y2 ^& }7 g$ m5 E
另一种是通过工艺界定,由于Micro-LED芯片尺寸非常小,其长宽甚至比芯片的高度还小,导致芯片高度大于固晶面尺寸,不利于芯片在基板上固定,因此会比传统LED增加一步激光剥离芯片基板的操作。! Q6 M) ]8 t6 J8 t
纵观整个显示行业,技术持续涌现,目前市场主流技术包括TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示)、AMOLED(主动矩阵有机发光二极管显示)、QD-OLED(混合OLED和QLED的技术)、QNED(以蓝光LED作为光源的QD-OLED显示)、Mini-LED、Micro-LED、Micro-OLED。
& r+ L, f2 _% P 可以简单将现阶段显示技术分为LCD、OLED、QLED、Micro-LED四个大类,其他技术是在此基础上的改良版或过渡版,而Micro-LED被认为是理想的显示技术,是新型显示时代的终极目标,有望替代现阶段大面积使用的LCD和OLED。6 l M5 L. {& ^, r) o2 Z
从黑白到高清彩色,CRT技术满足了一代人对影响世界的梦想。从又厚又重到平板显示,LCD和OLED满足了人们对轻薄、便携、对视力友好的要求。而现阶段,唯一能达到更接近现实,甚至是能够骗过人眼的下一代显示技术,是Micro-LED。[3]
6 @, |6 _' d' c [6 ^: n0 J: t 行业人士认为,当多种显示技术集中爆发后,最终可能只会有一两种技术能主导市场,而最有希望的无疑是Micro-LED。[1]
; [4 c, \1 L3 l% b9 Q$ n 主流显示技术的分类,制图丨果壳硬科技 参考资料丨《Micro LED显示研究报告(2019)》[4],《电子工业专业设备》[2]
9 ~4 w, p1 E1 @$ I Micro-LED凭什么能获得如此高的评价?因为它不仅拥有LED的大部分优点,还具有高亮度、高分辨率、高响应速度、低功耗、体积小、易拆解、灵活度高、无拼缝等特征,能够覆盖绝大多数显示应用场景[5]。与此同时,它的响应速度能够达到几十纳秒,没有残像且不存在寿命问题。[3]4 v2 Q" p( @$ q, w0 j& ^
除此之外,对比LCD、OLED、QLED等前辈,Micro-LED的主要性能参数均较为优异。( Q- e+ E% A/ h) K( l O) b& ?; g
现代显示技术比较[1]
) j m0 N. y o0 x- S1 h5 g; {+ E 过渡技术已大规模商业化
: S2 w+ D' l3 ] Micro-LED还有一个近亲:Mini-LED,可以将后者理解为LED与Micro-LED间的过渡技术。由于技术原理极为类似,业界普遍将二者归结于一个路线中,有些情况也会被合称为MLED。
( g2 p/ `$ ?9 _6 k 作为前序技术,Mini-LED主要解决的问题是芯片尺寸断层问题,相关技术发展对Micro-LED具备一定的借鉴作用,其芯片尺寸一般为75μm~300μm。% g T1 H+ m. E! r/ {8 a$ {1 ]' p
LED全景图[6] 1 I- K0 z5 a. b8 h8 W
Mini-LED要比Micro-LED实现起来简单地多,不仅在芯片尺寸上更容易被实现,而且在材料上也没有科学性的难题,已被量产投入到市场中,苹果、三星、TCL等品牌已实现规模化量产。8 y$ c- P6 J+ N
但Mini-LED与Micro-LED有不同应用场景,市面上Mini-LED一般作为LCD背光源出现,再结合量子点技术,实现高动态范围显示,而Micro-LED则直接用于制作显示像素[7]。简单来说,市售的Mini-LED显示器本质上还是LCD,Mini-LED只是LCD的一个陪衬,而Micro-LED显示器则直接发光成像。[8]& {. Z' ^4 B$ v0 S0 q
自2018年开始,面板厂商陆续发布使用Mini-LED作为背光的样机,产品尺寸达到152.4mm~685.8mm(6~27英寸),至今为止,Mini-LED背光的显示器已拥有1398mm(55英寸)、1651mm(65英寸)、1905 mm(75英寸)和2159 mm(85英寸)等型号,可达8K分辨率、120Hz刷新率的高指标,可将现有显示器对比度由10000∶1拉升至1000000∶1。[9]; N8 g- c, |% e: Q! Y: G
Mini-LED产业化行径明晰,已具备一定出货量。2021年,全球中尺寸Mini-LED背光面板出货量达740万片。到2023年,智能汽车将成为Mini-LED的新阵地。[10]
& s9 `, \/ a' w 基于Mini-LED背光产品的发展路线[9] 7 A2 v9 Z6 k P+ l& ~, l) _* i" q
作为中间过渡的Mini-LED产业一派欣欣向荣之势,而Micro-LED依然小众,那想让么Micro-LED出圈,究竟难在哪里?6 t4 C( g! x) G" _9 Q
想造,没那么容易; e5 r8 o3 z8 P* r, A) n
Micro-LED什么都好,就是贵。究其原因,在于制造环节的难题较多,导致难以大量生产、良率较低,引发价格攀升。
& ~" B" K J9 A6 {+ R$ z 从表面看,Micro-LED芯片只是将LED芯片微缩化,但实际情况远比想象中要难。从毫米级到微米级转换的过程,本质是LED微小化、薄膜化和矩阵化,在该过程中材料生长、器件制备、驱动技术、生产工艺等步骤都发生了变化,最终产生质变。[11]
9 e) s( u8 M6 L1 t8 H) e- B Micro-LED采用的是RGB(红绿蓝)颜色标准,由于是自发光元件,想让Micro-LED显现图像,就要分别做出三基色的发光芯片,以此构成一个个像素。- ?5 @" [$ }2 v
用不同材料,可以制备不同颜色的Micro-LED芯片,如InGaN/GaN基材料用于制备绿光/蓝光Micro-LED阵列,AlInGaP/GaAs基材料用于制备红光Micro-LED阵列,蓝宝石、砷化镓和硅等衬底上生长外延层,制备Micro-LED阵列。[12]( R7 u6 E. P. ]4 H% Z
从衬底到产品,Micro-LED显示器会经过外延生长、芯片制造、巨量转移、性能检测四大工艺。
: l* S- Z7 j M3 ]( B- O" l Micro-LED器件制造工艺流程[2]; T3 H; Y$ b2 U
Micro-LED器件制造简述和难点,制表丨果壳硬科技 参考资料《激光与光电子学进展》[13],《电子工业专业设备》[2]
# m5 W h) ^* g1 K 从技术上来看,芯片制备相关的材料和设备上相对成熟,问题症候在于制造环节,具体来说,Micro-LED的壁垒包括以下几点:
/ E7 q: v' I6 { 都是小惹的祸
% M$ t7 z* T- D2 k8 A 对芯片来说,尺寸做得越小,制造难度就越大,Micro-LED亦如此。Micro-LED芯片的尺寸实在太小了,将其制作成各种显示器件时,都要考虑小尺寸带来的影响。$ o5 j6 E+ ~& Z1 [, W$ B
要取得小尺寸的Micro-LED,就要使用微缩制程技术,将LED芯片微缩后到满足应用要求的尺寸。微缩制程技术包括芯片焊接、晶圆焊接、薄膜转移三种路径,技术实施得越好,像素密度就会越高。
* j) H2 g( Y+ o4 x2 A& g 微缩制程技术实现的三种路径,制表丨果壳硬科技 参考资料丨《Micro-LED技术路线图(2020版)》[6],有删改 1 z9 a' d; ]# g4 Y# {* s$ w
Micro-LED还有个不得不面对的致命问题:在微缩过程中,时常会产生侧壁缺陷。比如,同样是2μm的误差缺陷,在250μm×250μm尺寸的LED上,剩余可使用率为97%,但在5μm×5μm的Micro-LED上,剩余可使用率仅为4%。[14]
! M- C$ b5 ]4 ? 误差缺陷导致芯片使用率大幅度降低[14]
% F- q" P' `! q 不仅如此,Micro-LED芯片尺寸越小,电感耦合等离子体(ICP)刻蚀区域(侧壁)与有源区体积的比率就会越大,刻蚀损伤所形成的缺陷占比越高[15]。导致非辐射复合比例逐渐上升,发光效率和使用寿命下降。如尺寸从400μm减小至20μm,电流密度光效下降比例可达50%[7]。这还会导致有源区内肖克利·雷德·霍尔(SRH)非辐射复合几率增加、辐射复合几率和发光效率降低、引入新的漏电通道加重器件反向漏电。这些问题,在尺寸小于10μm的Micro-LED上尤为显著。[16]
5 ]6 H0 s: ] Y: b5 _3 Q, j/ M2 G 芯片尺寸问题还会让提高驱动器与Micro-LED阵列集成的效率和稳定性成为难题。简言之,量产LED或是Mini-LED的工艺流程,对Micro-LED来说可能不再适用。9 Q9 Y7 s2 n, f
巨量转移的困境( o' J" ^% M* m, i+ J
LED显示器的每个像素点都由点阵组合而成,一个个小LED芯片组成的阵列的间距基本一致。Micro-LED也是同理。制造出芯片后,也要将大批量的Micro-LED芯片定点巨量地转移到电路基板上,这个过程就是“巨量转移”。
; \1 `4 t" k, X, S 与传统的LED不同,Micro-LED的巨量转移不仅对转移精度、转移速率、色彩均匀度的控制有更高要求,转移数量也更大,4K的Micro-LED显示器需完成两千多万颗的Micro-LED芯片倒装,而8K则达到了上亿颗。[17]2 U& d3 a* ^# b: ]6 m4 e0 l W
目前巨量转移技术有多种技术方案,包括精准拾取技术、激光释放技术、流体自组装技术及滚轮转印技术等,不同技术拥有不同特性,但都存在一定弊端。* F# |9 s n( d/ s9 F+ g$ }% m
Micro-LED芯片巨量转移方式[2] 2 T6 O7 Z) s9 l8 H* w J1 j
具体来说,精准拾取技术对转移设备精准度及稳定度要求极高;激光释放技术在实施过程中可能会对芯片表面造成损伤,降低良率,此外激光设备价格昂贵;流体组装技术需经历3次才能完成转移,效率较低;滚轮转印技术可在柔性基底上实现转移,但同样需要3次转移才能完成巨量转移。[17]2 V$ L, ^# F' a3 n' Z
部分方法在实验室可达99.99%的良率,但比起至少要达到99.9999%良率的产业化要求,相差距离较大。业界正在探寻一种易实现、良率高又较为便宜的技术方案。[18]3 t' _5 s' [: e! Z% U- G# }& J
缤纷色彩背后的挑战# a+ B. o, Q9 w: {% l2 o
为什么显示器能够呈现得如此丰富多彩?因为显示界普遍采用了RGB(红绿蓝)颜色系统,通过RGB三原色叠加合成,能够实现肉眼可见的大部分色彩。想要Micro-LED能够正确描绘出画面,就要做好色彩方案,即全彩化。
! e3 D1 [9 v5 r- z2 B$ Z Micro-LED彩色化主要有两种解决方案:一种是蓝色源转色方案,但色转换材料存在涂布均匀性和信赖性等问题,应用较少;另一种是直接使用LED的RGB三色方案,但对Micro-LED来说,这种方案并不是拿来就能用,需要对LED大小进行相应调整,此外由于各色波长均一性差异,还会面临光效率和良率不足的问题。[14]# i, I; E9 ?" o# ]- G
不同彩色化技术[17]
9 T" [; D. }& J5 L! R7 ] 产业链上的难题 D, e3 R+ s6 R! Y& P6 I& y6 v
造出Micro-LED芯片并不代表着结束,要让它真正显现在人们眼前,在多个技术领域上都要有所突破。
- |1 A. C7 z* P8 v) ?8 ^) s 与其它芯片技术相同,Micro-LED也将牵扯庞大的产业链与原材料问题,从原料到点亮屏幕,分为上游、中游和下游,每个环节都与最终成品息息相关,其中较为关键的技术包括驱动IC、驱动背板和封装。[19]
' r/ S; U: ], u* X& X& ] Mirco-LED显示产业链[19] - ] W% C& o% x7 \8 X
产业正蓄势待发: A5 Z- t% w R* Q. k- t
作为终极目标,Micro-LED无疑是显示领域的明星。
7 T' Q7 z2 V& l/ `; X9 Q; ` 2000年以来,得州理工大学教授提出Micro-LED的概念,堪萨斯州立大学制备基于Ⅲ族氮化物Micro-LED[20],学术界自此掀起研究浪潮。尤其在2006年后,开始呈指数型增长。谷歌学术数据显示,截止目前,Micro-LED领域已有近6000篇文献。
9 A: l/ T9 k. e 世界各地研究机构与厂商也相继投入Micro-LED的研究,在消费电子巨头牵动下,Micro-LED初步产业化。) f+ u6 u& g3 Z
2012年,索尼发布55英寸高清Micro-LED电视面板Crystal LED,它是首个作为商业产品出现的产品;
7 }0 k$ b4 t$ ?( j 2014年,苹果公司收购Lux Vue,入场Micro-LED的技术研究,这项技术真正开始进入大众视野,迄今为止,苹果不仅持续推动Micro-LED技术发展,还发布了多款Mini-LED相关产品;) y2 I! q1 z6 r/ p' M8 y* H
2018年,三星于CES展推出全球首款模组化拼接的146英寸Micro-LED TV“The Wall”;
& \( Q8 A. G" p! G) A$ D 2020年12月,三星发售110英寸Micro-LED电视;# d0 [5 `0 L8 ~" y6 W
2021年1月,Vuzix发布首款商业化的Micro-LED AR智能眼镜。[17]
% [6 |- M4 p* u3 n& U 从专利上来看,2002年~2014年,Micro-LED专利申请总量较小。而自2017年开始,申请量开始大幅提升。[21]( c; _0 I1 b# m
Micro-LED发展历程[12]
8 D8 {; F& H2 f 由于技术难题较多,现阶段Micro-LED整体市场规模有限,业内预计,Micro-LED在2024年将实现大规模商用化。[22]
) S; R) f6 T A 据Research And Markets统计,2020年,Micro-LED的全球市场规模为10亿美元,预计到2027年将以77.1%的年复合增长率增长[23]。另据高工产研LED研究所(GGII)预测,2025年全球市场规模将超过35亿美元,2027年有望突破100亿美元[24]。反观国内方面,有望在大规模商用化之后冲击800亿元市场规模。[22]
5 J6 `+ T: U' J. d# U4 N* w+ E Micro-LED技术路线图[6] * ~5 {: s2 [# {1 n
目前市场侧Micro-LED应用分为两大方向,一是以苹果为代表的可穿戴市场,另一个是以三星、索尼为代表的超大尺寸电视市场。短期来看,市场将集中在超小型显示器上,中长期来看,Micro-LED将会横跨可穿戴设备、超大室内外显示屏幕、抬头显示器(Head-Up Display,HUD)、车尾灯、AR/VR/MR、投影机等多领域。[25]
* C3 |1 M6 R# m0 \ 推进产业化的企业主要包括三类:第一类为传统LED芯片和封装企业,如日亚、晶电Lumens等企业;第二类为TFT-LCD和OLED等新型显示企业,如京东方;第三类为终端企业,如索尼、三星、LG。
- i4 E4 c, C R, _! J1 k4 ^0 ^ 产业化形式上则以合作为主,Micro-LED以定制化设计为主,加之技术要求较高,行业呈现高度整合态势,面板、芯片、巨量转移及驱动IC等厂商抱团式发展。[26]6 O2 L" H- a0 w/ |. o
国际上,相关融资也此起彼伏,目标均指向大规模产业化。
9 U& g+ ], Z) ]! u& f0 a 2022年1月~11月中旬Micro-LED国际相关融资不完全统计,制表丨果壳硬科技
% [ u4 i% A0 f, ]1 b Micro-LED在国内也受到热捧,在政策上不断倾斜,且投融资动作频繁。《2022 Mini/Micro LED显示产业白皮书》显示,仅2022年1月~8月,国内就有30多家企业有投资动作,涉及资金总计达415亿元。[10]
% z& m$ ]2 S/ ~5 o+ t) W6 V0 z8 c2 D 我国产业链上下游企业也纷纷在LED、巨量转移、彩色化、检测、修复等关键技术开展技术合作,形成“京东方+华灿光电”“三安+华星光电”“富采+錼创+友达+群创”三大阵营[27]。与此同时,国内已展开可穿戴显示、高清移动显示、车载显示、高清大尺寸显示、超大尺寸拼接商用显示样机的研发及试产工作。[18]
. A- t- o* B* F 2022年1月~11月中旬Micro-LED国内相关融资不完全统计,制表丨果壳硬科技
- R/ I( L' j! O- v. Z* D: O& u) r( Q 对产业来说,Micro-LED未来之路非黑即白,从好的方面来看,市场前景一片光明,从坏的方面来看,短时是销量的博弈。) u* j7 B7 d) |1 b
一方面,市场下行,面板行业则是砍单风暴的第一批“受害者”,消费电子需求不济,不知道这种情况是否会在大规模商业化时有所缓解。
/ [# B0 D! x) I 另一方面,对普通消费者而言,他们更多关注的是产品的性能、功能及价格,对于采用是哪种技术,并不会过多关心。对于显示厂商来说,最为重要的,可能便是思考如何让更多普通消费者感受到Micro-LED对生活的改变。
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( h. e8 J) r. E9 _ [27] OLEDindustry:3大MicroLED 阵营形成:富采、錼创将联手.2022.11.10.https://mp.weixin.qq.com/s/Q7Nun7N195ujXOV6qWcIEg |
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