Micro LED 將成LED顯示技術(shù)的翻身仗？

2017年06月12日 16:21 來(lái)源：國(guó)金投行字體【大中小】

【中國(guó)數(shù)字視聽(tīng)網(wǎng)訊】一、蘋果今年將試生產(chǎn)microLED屏幕，明年或應(yīng)用于iWatch

本月初據(jù)日本媒體報(bào)道，蘋果目前計(jì)劃最早在2018年為其可穿戴設(shè)備換用microLED 屏。由于制造難度大，短期內(nèi)microLED 屏幕仍然“不大可能”被應(yīng)用在智能手機(jī)中。但蘋果可能最早明年為可穿戴設(shè)備iWatch配置microLED 屏。而臺(tái)灣初創(chuàng)公司PlayNitride 則將負(fù)責(zé)幫助蘋果在今年試產(chǎn)microLED。

那到底什么是microLED屏幕呢?它跟現(xiàn)在的LCD、OLED屏幕又有何區(qū)別和優(yōu)勢(shì)呢?microLED也被稱為微發(fā)光二極管，其通過(guò)在一個(gè)芯片上集成高密度微小尺寸的LED 陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)LED 的薄膜化、微小化和矩陣化。類似LED屏幕，其每個(gè)像素都能單獨(dú)定址和驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮。可以看成是戶外小間距LED顯示屏的迷你版，其將像素點(diǎn)距離從毫米級(jí)降低至微米級(jí)，體積則只有目前主流LED 大小的1%。由于Micro LED 自發(fā)光，光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以減少整體系統(tǒng)的體積、重量、成本，同時(shí)兼顧低功耗、快速反應(yīng)、壽命更長(zhǎng)、效率更高的優(yōu)勢(shì)，并具有高亮度和超高解析度的特點(diǎn)，其色彩飽和度接近OLED且沒(méi)有色衰的問(wèn)題。

從現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)而言，樂(lè)觀估計(jì)，需要至少等到2018年才可以見(jiàn)到裝有microLED屏幕的iWatch面世，而且預(yù)計(jì)microLED在低端iPhone上的應(yīng)用也會(huì)有其想象空間。

二、microLED顯示技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程及背景介紹

microLED最早起源于德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，其于1998年采用濕法腐蝕方法在AlGaInP LED 外延片上成功制作多個(gè)LED之后，開(kāi)啟了國(guó)際上對(duì)microLED 陣列的研究。

2000年之后，microLED顯示技術(shù)的發(fā)展歷程

索尼在2016年的InfoCommons和2017年CES展會(huì)上展示了其最新的CLEDIS屏幕，其采用超高密度LED顯示技術(shù)，即microLED技術(shù)，其具備超高亮度、無(wú)縫拼接(其實(shí)CLEDIS顯示屏幕由顯示單元拼接完成)。目前主流的4K內(nèi)容，以及未來(lái)8K甚至10K乃至更高的精細(xì)影像內(nèi)容，都能夠通過(guò)microLED面板駕馭。

索尼在2017 CES展會(huì)中展出的CLEDIS顯示屏幕

索尼CLEDIS面板基本結(jié)構(gòu)

microLED技術(shù)是指在一個(gè)芯片上集成的高密度微小尺寸的LED 整列，每一個(gè)像素可定址、單獨(dú)由TFT驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，像素點(diǎn)距離在微米級(jí);

microLED屏幕結(jié)構(gòu)(奇美電子)

目前對(duì)于Micro LED制程來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的主要技術(shù)分為三大種類：芯片級(jí)焊接、外延級(jí)焊接和薄膜轉(zhuǎn)移。

芯片級(jí)焊接：直接將LED 切割成微米等級(jí)的單塊結(jié)構(gòu)(包含外延薄膜和基板)，在通過(guò)SMT 或者COB 的方式將此單塊結(jié)構(gòu)的Micro LED 一顆顆鍵接與顯示基板。

外延級(jí)焊接：在LED 的外延薄膜蹭上用感應(yīng)耦合等離子蝕刻，直接形成微米等級(jí)的Micro LED 外延薄膜結(jié)構(gòu)，再將LED 晶圓(含外延層和基板)直接鍵接于驅(qū)動(dòng)電路基板上，最后通過(guò)剝離基板的方式形成最終顯示畫(huà)素。

薄膜轉(zhuǎn)移：通過(guò)剝離LED 基板，以一暫時(shí)基板承載LED 外延薄膜層，再利用感應(yīng)耦合等離子蝕刻，形成微米等級(jí)的Micro LED 外延薄膜結(jié)構(gòu);或者先利用感應(yīng)耦合等離子離子蝕刻，形成微米等級(jí)的Micro LED 外延薄膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)剝離LED 基板，通過(guò)暫時(shí)基板承載LED 外延薄膜結(jié)構(gòu)。

薄膜轉(zhuǎn)移法工藝流程，LED基板剝離后形成外延薄膜層，通過(guò)暫時(shí)基板承載LED 外延薄膜結(jié)構(gòu)(HSBC研究)

表1. 不同制程的技術(shù)特性

在Micro LED 的彩色化方向，目前主流的彩色化方案主要有三種，分別是RGB三色LED 法、UV/藍(lán)光LED + 發(fā)光介質(zhì)法、光學(xué)透鏡合成法。

RGB 三色法：即采用RGB 三個(gè)顏色的LED 構(gòu)成單位像素。此技術(shù)路徑所面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)芯片必須控制好每個(gè)像素點(diǎn)的輸出電流，稍有偏差，像素與像素點(diǎn)之間就會(huì)存在色彩偏差問(wèn)題。

RGB全彩顯示的像素布局(LEDinside)

RGB全彩顯示的驅(qū)動(dòng)原理

UV/藍(lán)光LED + 發(fā)光介質(zhì)法：此種方法主要是利用紫外microLED發(fā)出的光來(lái)激發(fā)紅綠藍(lán)三色的發(fā)光介質(zhì)，如熒光粉或量子點(diǎn)，產(chǎn)生不同顏色的光，并進(jìn)行配比實(shí)現(xiàn)全彩色。如果將熒光粉涂布在畫(huà)素表面，帶來(lái)的問(wèn)題是熒光粉吸收部分能量，降低了發(fā)光效率，而隨著microLED像素尺寸的直線減小，熒光粉的涂布均勻度將受到挑戰(zhàn)，稍有不均勻即會(huì)影響顯示效果。

利用熒光粉實(shí)現(xiàn)全彩化的microLED的像素設(shè)計(jì)及顯示效果

光學(xué)透鏡合成法：利用光學(xué)棱鏡將RGB 三種顏色的Micro LED 合成全彩色顯示，具體方法是將RGB 三色的microLED 陣列分別封裝到三塊不同的封裝板，并連接控制板以及三色棱鏡。通過(guò)驅(qū)動(dòng)面板傳輸圖片信號(hào)，調(diào)整Micro LED陣列亮度實(shí)現(xiàn)彩色化，利用光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)微投影。

光學(xué)透鏡合成法及其原理

三、microLED顯示性能的優(yōu)越性

低耗能：由于microLED的耗能只是LCD與OLED屏幕耗能的10-20%，所以在需要移動(dòng)電源的移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用中更顯優(yōu)勢(shì)。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，顯示屏幕的耗電量約占整個(gè)移動(dòng)設(shè)備耗電量的50-60%，故使用了microLED面板的移動(dòng)設(shè)備，其電池續(xù)航能力將是采用其他顯示屏技術(shù)設(shè)備的2 倍左右。由于microLED的像素非常之小，其發(fā)射角基本會(huì)聚焦在一個(gè)方向上，所以可以省去傳統(tǒng)LED必須使用的聚焦透鏡，從而使其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到傳統(tǒng)LED面板的4倍左右。而且，microLED的驅(qū)動(dòng)電流也要比傳統(tǒng)LED和OLED較小。

顯示屏耗電量占整個(gè)移動(dòng)設(shè)備耗電量近60%(澳大利亞南威爾士大學(xué))

發(fā)光效率：如果OLED和傳統(tǒng)LED的轉(zhuǎn)換效率要提高20%，那么其增加的亮度還是會(huì)受到多層有機(jī)發(fā)光層的制約(因?yàn)槊恳粚硬牧贤腹饴实膯?wèn)題)，因此，實(shí)際所增加的轉(zhuǎn)換效率將少于20%;而傳統(tǒng)LED的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率的提高也將少于預(yù)期值，因?yàn)橛卸鄬泳劢雇哥R的關(guān)系。而microLED的單層結(jié)構(gòu)，就可以巧妙的避免這個(gè)問(wèn)題，實(shí)際增加的效率將幾乎等于預(yù)期增加值，而不會(huì)產(chǎn)生損耗。

圖像質(zhì)量：OLED在色彩飽和度、色彩表現(xiàn)力、對(duì)比度、色域和反應(yīng)速度方面都較LCD屏幕有了很大的改進(jìn)和提高。而microLED屏幕也是采用了對(duì)單個(gè)像素點(diǎn)的單獨(dú)控制和驅(qū)動(dòng)，所以其也可以達(dá)到OLED的顯示質(zhì)量，并且在反應(yīng)速度方面比OLED更快，180度的光看可視角度也使其適用于大屏幕的應(yīng)用上。

使用壽命：由于microLED采用的是固體發(fā)光材料，所以其較OLED也更經(jīng)得起外界的沖擊力。所以其壽命周期將會(huì)達(dá)到10萬(wàn)個(gè)小時(shí)，是OLED材料的2-3倍。而且不存在材料老化的問(wèn)題。

透明顯示面板：由于超高的發(fā)光效率，microLED的像素間距可以制作的非常小。在小于10微米時(shí)，LED芯片的邊長(zhǎng)只有人的頭發(fā)直徑的十分之一，人的視覺(jué)無(wú)法察覺(jué)，所以microLED在非常適用于透明顯示面板的研制。

表2. 三種顯示技術(shù)的對(duì)比(行業(yè)研究部整理)

四、目前microLED技術(shù)商業(yè)化所需要克服的難點(diǎn)和障礙

顯示技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)激烈：目前OLED和QLED技術(shù)研發(fā)火熱。OLED在材料上的技術(shù)已經(jīng)基本成熟，效率、成本和壽命均已克服商業(yè)化的困難。而就QLED的顯示效果和壽命來(lái)看，商業(yè)化的價(jià)值很高，在很多顯示性能上與microLED勢(shì)均力敵。而且，OLED和QLED均適合柔性顯示，這在柔性顯示日趨緊俏的時(shí)代，是非常大的優(yōu)勢(shì)。而microLED在柔性顯示方面，并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

制程技術(shù)尚未成熟：microLED的最大特點(diǎn)是像素和像素間距是微米級(jí)的，而且至少需做到5μm x 5μm以下的尺寸，并且不能漏電。目前市場(chǎng)上普遍采取的是縮小發(fā)光面積的做法，做到的尺寸是50μm x 50μm，而蘋果據(jù)稱已經(jīng)能夠?qū)⒊叽缈s小至10μm x 10μm。目前實(shí)驗(yàn)室已可做出3μm x 3μm 發(fā)光面積的顯示器用發(fā)光像素，這是目前全球最小的并且解決了漏電問(wèn)題的尺寸。microLED 技術(shù)目前面臨的瓶頸和挑戰(zhàn)主要是如何把實(shí)驗(yàn)室獲得的成果成功量產(chǎn)并大面積推廣應(yīng)用，這個(gè)microLED技術(shù)商業(yè)化前必須掃除的障礙。其次，如何高效的將高密度的LED發(fā)光器件焊接和轉(zhuǎn)移到玻璃基板上，并且同時(shí)保持高精密度和良率，(精準(zhǔn)度必須控制在正負(fù)0.5 μm 以內(nèi)，良率必須達(dá)到99.9999%的程度才能達(dá)標(biāo))也是需要考慮的問(wèn)題。

配套產(chǎn)能要求高：由于microLED的生產(chǎn)鏈相比傳統(tǒng)LCD顯示器要復(fù)雜的多，如何保證生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，諸如芯片的巨量轉(zhuǎn)移和封裝的技術(shù)和產(chǎn)能都能與之匹配和配套的問(wèn)題，是要在microLED真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化前需要解決的問(wèn)題。否則，一旦產(chǎn)能更不上，單位成本必將保持高位，商業(yè)化之路可能受其影響而拖延。

五、microLED面板產(chǎn)業(yè)鏈存在的商業(yè)機(jī)會(huì)

由于目前OLED技術(shù)正處于高速增長(zhǎng)的初期，市場(chǎng)熱度和資本投資方面都積攢了超高的人氣，但因?yàn)镺LED技術(shù)主要有兩家韓國(guó)公司，SDI和LDG幾乎壟斷著，市場(chǎng)中也存在著較高的研發(fā)新一代顯示技術(shù)的動(dòng)力，以制衡韓企在這一領(lǐng)域的壟斷。

目前主要進(jìn)行microLED 商業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)的有兩家公司：索尼和蘋果。索尼則是將Micro LED 用于大型的顯示屏幕上，而蘋果利用Micro LED 技術(shù)致力于高畫(huà)質(zhì)顯示，主要針對(duì)可穿戴設(shè)備的小尺寸顯示。蘋果在2014年低調(diào)收購(gòu)了LuxVue 之后，著手在臺(tái)灣的工廠進(jìn)行試生產(chǎn)和研發(fā)。去年就有消息稱蘋果會(huì)在今年發(fā)布的Apple Watch上首先使用microLED屏幕，但最終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。最近的報(bào)道是，臺(tái)灣初創(chuàng)公司PlayNitride 將負(fù)責(zé)幫助蘋果試產(chǎn)Micro LED。總體而言，蘋果已經(jīng)將Micro LED 量產(chǎn)技術(shù)作為重要機(jī)密，投入了40 億美元，招募研發(fā)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)微型化LED 晶粒、半導(dǎo)體封裝及驅(qū)動(dòng)IC 等難點(diǎn)進(jìn)行攻克，不斷加速其商業(yè)化進(jìn)程。相對(duì)于蘋果將microLED面板應(yīng)用于小尺寸設(shè)備的預(yù)期，索尼則是將microLED 面板應(yīng)用于大尺寸的顯示設(shè)備上，比如像電視機(jī)和戶外這類的遠(yuǎn)距離觀賞屏幕。

從整個(gè)microLED產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，可以分為上游材料的GaN基板和外延片，中游制造環(huán)節(jié)和下游應(yīng)用環(huán)節(jié)。具體參與和有潛力參與microLED中上游企業(yè)如下表所示。