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EEPW首頁 > 編輯觀點 > 新世代顯示技術MicroLED 誰將率先搶灘登陸

新世代顯示技術MicroLED 誰將率先搶灘登陸

作者:陳玲麗時間:2023-08-29來源:電子產品世界收藏

進化史

本文引用地址:http://www.cinargozlemevi.net/article/202308/450006.htm

第一代CRT技術實現了從0到1的突破,采用陰極射線管技術,通過控制射線的位置和亮度來顯示圖像。由于其工作原理的限制,CRT顯示器的分辨率和顏色受到了較大的限制,而且其體積龐大、功耗高、使用壽命短等缺點也限制了其發展。

第二代LCD是目前使用最廣泛的顯示器技術之一,利用液晶材料的電光效應,在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒,下基板玻璃上設置TFT(薄膜晶體管),上基板玻璃上設置彩色濾光片,通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉動方向,從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的。LCD顯示技術優點是低功耗、輕薄、清晰度高等,但是其響應速度較慢、視角受限等問題也成為了其發展的瓶頸。

第三代顯示技術:OLED是當下正在普及的技術,即有機發光二極管(Organic Light-emitting Diode),利用有機化合物發光的原理,通過施加電流控制每個像素點的亮度和顏色來顯示圖像。與LCD不同,OLED不需要背光,同時可以使用材質較輕的發光基層(而非LCD和LED使用的玻璃基層),并且擁有更寬的視角和更快的響應速度,但是由于其生產成本高、壽命短等問題,還需要進一步探索和完善。

第四代顯示技術: VS 激光

顯示技術從CRT、LCD到OLED,經歷了多次技術變革。目前,第四代顯示技術的有力候選人有激光顯示和。

激光顯示技術

激光顯示技術(LDT,Laser-Display Technology),即用激光器作為光源的圖像信息終端顯示技術,相比傳統LED光源,有著更廣的色域覆蓋率、更好的顏色表現力、和更出色的色彩還原能力。

現在市面上的三基色激光光源可以分為三類:三基色純激光光源、激光熒光粉光源和激光混合光源(工作原理如圖1所示)。純激光光源是指直接用紅綠藍三色激光作為顯示光源;激光熒光粉光源的藍光直接使用激光光源,而紅綠兩色則通過藍光和紅綠熒光粉作用來實現;激光混合光源則是藍色直接使用激光,紅色使用LED或激光,綠光依舊由激光和熒光粉產生。

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圖1 純激光光源、激光熒光粉光源和激光混合光源的工作原理

純激光光源是最理想的光源,可以說,三基色激光光源最能體現激光顯示技術的優勢。人眼的三種視錐細胞,感受到的就是紅光、綠光和藍光,因此,選擇三基色激光光源就能得到最好的顯示效果。

單色激光和雙色激光加熒光粉的顯示方法的色域覆蓋度都比三色純激光低,而且因為使用熒光粉的緣故,大量能量會被損耗,因此在能耗比三色純激光光源高的前提下,其亮度仍然低于三色純激光光源。

但是,目前市面上以單色激光光源產品為主流,少部分用雙色激光光源,三色純激光光源十分稀少。原因在于綠光的激光器制造成本高、難度大:受限于半導體激光器材料增益區量子阱的結構特性,與其他兩色相比,綠光LD的轉化效率低,做出功率可以支撐激光顯示的綠光LD的難度比藍光、紅光大得多。除此之外,在提高紅光LD的功率時,激光器的散熱壓力又變回無法忽視的問題了。

顯示技術

MicroLED因與生俱來的技術優勢能夠克服LCD和OLED的技術缺陷,是業內公認的下一代顯示技術的最優解決方案,電子設備屏幕的終極目標。MicroLED一般指將單個尺寸僅為1-50μm的紅、綠、藍三色的LED陣列,陣列經由垂直交錯的正、負柵狀電極連接每一顆MicroLED的正、負極,電極線的依序通電后,通過掃描方式點亮MicroLED以顯示影像。

簡單點說,MicroLED是將LED背光源進行薄膜化、微小化、陣列化 —— 首先將氮化鎵(GaN)等半導體材料制成薄晶圓,在晶圓片上覆蓋一層模版光刻膠作為蝕刻晶圓片的掩模,然后對晶圓進行蝕刻以創建單個微型led,剝離光阻劑掩膜后通過巨量轉移批量地轉移到驅動電路基板上,再利用物理氣相沉積等方法在其上制備保護層和外接電極,進行檢測和缺陷修復最后進行封裝。

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MicroLED拋棄了有機化合物,由于LED無機物的穩定性具有更長使用壽命潛力,與有機材料相比,可以更長時間地保持其性能和色彩準確度,同時兼顧顯示純黑色的特性(像素級別的純黑色)。最重要的是,由于不依賴有機化合物,MicroLED面板的生產成本應該比OLED更低。

MicroLED幾乎集合了OLED和LCD的所有優點,結構簡單兼顧了高亮度、高色域、高對比度,又能做到長壽命、省電、柔性屏??梢哉f是未來屏幕的集大成者,那為什么MicroLED擁有這么多優點還沒有普及呢?

現階段MicroLED有許多技術瓶頸有待突破,如芯片制造、巨量轉移、檢測修復等,實現量產大規模商用進程中的最大痛點就出現在巨量轉移上,這也是目前MicroLED出貨量低、售價高昂的主要原因。

巨量轉移技術是目前MicroLED的主流、理想制造技術,與OLED顯示技術不同,無機LED無法在玻璃或其他大尺寸襯底進行大面積的制作,所以這就需要讓在硅晶圓上生產出來的微米LED能夠轉移大量的器件到驅動基板上,在保持巨量轉移的基礎上,還必須同時保證轉移的精度,良率及工藝的可靠性等。

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巨量轉移的難點在于,一次轉移需要移動幾萬乃至幾十萬顆以上的LED,數量十分巨大,要求有極高的轉移速率的同時還需要轉移良率到99.9999%(意味著每轉移一百萬顆芯片只能有一顆不良)。而由于LED的尺寸更小,待轉移的LED晶體外延層厚度僅有原LED的3%且每顆芯片的精準度必須控制在±0.5μm以內,這就讓該技術的實現需要超高的精細化操作。

另外,由于MicroLED尺寸極小,傳統測試設備難以使用,如何在百萬級甚至千萬級的芯片中對壞點進行檢測也是一大挑戰,通過檢測技術挑出缺陷晶粒后,如何替換壞點也是未來將面臨的難題。 

總的來說,巨量轉移技術是MicroLED產業化必須解決的問題,也是降低成本的關鍵。近十年來,經過全球范圍內眾多企業與研究機構的努力,MicroLED相關設備、材料、生產工藝的技術進展迅速,僅僅在2023年上半年就取得了大量的技術成果。

從未來的發展看,全球Micro LED顯示行業將存在兩大增長機遇。第一,未來隨著生產工藝成熟及產品價格下移,有望在智能電視、大屏顯示、戶外顯示等多領域對OLED與LCD形成替代,推動MicroLED在現有顯示存量市場的擴張;第二,在新興領域增量方面,由于MicroLED的微米級光源可以使顯示像素有足夠空間集成各類功能器件,可實現三維光場顯示及高精度定位傳感,其整體逼真度、交互性、集成性更強,有望在VR/AR設備、車載顯示等交互式設備上得以快速應用,擴展市場增量。

預計未來2-3年,MicroLED會繼續努力突破技術瓶頸,逐漸打開高端市場之后再進一步向下滲透,而第二代顯示技術LCD還會依靠其他技術的修補進一步占據下沉市場,第三代技術OLED在實現大尺寸屏幕的降本后將進一步普及大眾消費市場。由于各個世代的技術均有對應的目標市場,未來幾年內不太可能出現某個技術一家獨大的情況。不過可以肯定的是MicroLED就是未來顯示技術的黃金賽道,提前布局相關技術的廠商將持續受益。

誰將率先搶灘登陸MicroLED

因為微縮制程、晶圓生長、巨量轉移、背板鍵合跟前三代的顯示工藝差別巨大,MicroLED需要顯示企業前所未有的深入了解和借鑒半導體工藝,半導體工藝和顯示技術的融合,很有可能成為最后落地和真正打開市場的關鍵鑰匙。MicroLED作為潛力巨大的“game changing”技術,有能力完全重塑目前顯示面板市場格局。

2018年1月,在美國CES上重磅亮相146英寸MicroLED“The Wall”,是將MicroLED技術應用于商用顯示屏領域的集大成之作。通過超精密技術識別及深度學習提高自動組裝技術的精密度,利用側面精密Cutting技術將尺寸偏差最小化,開發出包括將每個模塊上超過50萬個LED晶圓轉移到TFT上的技術、高效穩定的LED/基板連接技術以及無縫技術等。

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三星89英寸的MicroLED顯示屏由49個(7×7)模塊化構成,當其中一個模塊發生故障,僅需拆卸并替換模塊即可。而MicroLED模塊化特性理論上沒有邊框一說,可自由拼接,就技術本身而言,具備“打破邊界”的能力。

而110寸的MicroLED顯示屏上分布著2500萬個左右MicroLED芯片,由192塊模塊拼接而成,能夠實現63微米的像素間距。受限于制造工藝,生產一塊110寸的面板需要數千小時,售價1049999元,顯然現階段的MicroLED面向的是金字塔頂尖的消費群體。

繼芯片后,自研的腳步跨向面板領域。最近,自研MicroLED屏幕的聲音再一次傳出,Apple Watch Ultra有望到2025年升級采用自研的MicroLED顯示屏,進而成為蘋果首款采用這一顯示屏的硬件產品,而應用到其他產品線上還需要數年時間。

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蘋果起初目標是把MicroLED技術整合入大型面板,但遇挫后轉而聚焦面板尺寸約2英寸的Apple Watch作為切入產品。事實上根據Nikkei報道,蘋果在過去十年時間里,已累計投資至少10億美元用于研發MicroLED技術。

2014年,蘋果以約4.5億美元低調收購LuxVue,LuxVue是于2008年成立的初創公司,在當時MicroLED消費電子大規模應用最關鍵的巨量轉移技術上(靜電拾取方案)領先所有人。

之后,蘋果又在中國臺灣的竹科龍潭園區投資數十億元成立顯示技術研發實驗室,主要進行Mini/MicroLED研發;到2020年6月,蘋果計劃再投資3.34億美元在臺灣桃園龍潭園區建設新廠,與晶元光電、友達光電、臺積電等廠商合作,一同研發生產Mini/MicroLED屏幕。

2023年1月,有消息稱LGD正在為蘋果生產MicroLED背板建設一條小型生產線,將于2024年下半年開始運營;2023年2月,歐司朗(ams-Osram)計劃將為蘋果提供MicroLED晶片,富采旗下晶電負責出貨相關組件,臺積電則供應驅動IC。

蘋果正在距離Apple Park總部15分鐘車程、位于加州圣塔克拉拉一座面積6.2萬平方英尺的工廠試產MicroLED面板。蘋果設計了MicroLED面板的驅動集成電路,和多家供應商合作,設計生產MicroLED所需的設備,從而提高面板產能。

屏幕是智能終端關鍵組成部分,對產品市場競爭力至關重要,隨著第四代顯示技術的出現,蘋果必然希望不再受制于人。蘋果“狠抓”MicroLED顯示技術,除了追求更好的屏幕效果以外,擺脫對三星面板的依賴也是主要原因,實際上蘋果一直在做“擺脫三星”的努力,因而才在幾年前戰略性地引進了LGD。

MicroLED將最先在穿戴應用的方向滲透,但是由于價格因素以及供應鏈技術成熟度等因素,蘋果不太可能很快大量滲透MicroLED。就目前狀況來看,蘋果的入局還難以撼動三星的地位。

蘋果對MicroLED的關注和投入將進一步堅定三星在MicroLED的研發和產業化進程。據悉,三星在2022年底已經成立了新團隊來開發智能手表用的MicroLED項目,希望在2023年完成產品開發,盡快實現技術的商業化,以應對蘋果的自研MicroLED。如果進展順利,三星可以通過成為智能手表MicroLED面板的供應商,確保繼續為蘋果供貨,未來三星可能將形成MicroLED和OLED兩種顯示技術并存的發展格局。

早在2020年便收購了英國AR顯示器制造商Plessey,后者一直在積極展開MicroLED顯示技術的研究,并曾與Vuzix開發出用于AR智能眼鏡的MicroLED顯示屏,并入之后也一直在積極展開相關研究工作。

Meta為了試圖搶蘋果的風頭,在Vision Pro發布前幾天提前推出了Meta Quest 3,但由于Plessey無法為Meta開發足夠亮度的顯示器,Meta已經放棄了在Meta Quest 3上采用Plessey的產品,轉而采用經過驗證且成本較低的舊技術硅基液晶(LCos)。

另外,2016年10月,Facebook(如今Meta)子公司Oculus收購了從愛爾蘭廷德爾國家研究院和愛爾蘭科克大學衍生出來的InfiniLED公司;最新消息,愛爾蘭廷德爾國家研究所和Meta已建立為期四年的研究合作伙伴關系,以應對開發和制造MicroLED設備的挑戰,在這項合作中Meta將投資500萬歐元,主要研究MicroLED微顯示器系統的效率,旨在研究異質系統(涉及不同種類的材料或組件)并確定它們對效率的影響,為未來產品中的關鍵技術采用提供信息。

同時,Meta也在對MicroLED關鍵技術進行知識產權方面的布局。據今年5月消息,Meta一項名為“Semipolar micro-led”的專利被公開,該專利涉及高量子效率MicroLED像素,也就是針對MicroLED外量子效率這一核心問題提供了方案。

從2022年開始,MicroLED相關投資開始變得愈發頻繁。2017年,谷歌以1.2億瑞典克朗注資MicroLED制造商Glo公司;2019年,投資了Mojo Vision;2022年3月,谷歌被曝已收購MicroLED廠商Raxium,為自家AR設備和手機提供屏幕。



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