Micro LED 將成LED顯示技術的翻身仗？

2017年06月12日 16:21 來源：國金投行字體【大中小】

【中國數(shù)字視聽網(wǎng)訊】一、蘋果今年將試生產(chǎn)microLED屏幕，明年或應用于iWatch

本月初據(jù)日本媒體報道，蘋果目前計劃最早在2018年為其可穿戴設備換用microLED 屏。由于制造難度大，短期內(nèi)microLED 屏幕仍然“不大可能”被應用在智能手機中。但蘋果可能最早明年為可穿戴設備iWatch配置microLED 屏。而臺灣初創(chuàng)公司PlayNitride 則將負責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)勢呢?microLED也被稱為微發(fā)光二極管，其通過在一個芯片上集成高密度微小尺寸的LED 陣列來實現(xiàn)LED 的薄膜化、微小化和矩陣化。類似LED屏幕，其每個像素都能單獨定址和驅(qū)動點亮�？梢钥闯墒菓敉庑￠g距LED顯示屏的迷你版，其將像素點距離從毫米級降低至微米級，體積則只有目前主流LED 大小的1%。由于Micro LED 自發(fā)光，光學系統(tǒng)簡單，可以減少整體系統(tǒng)的體積、重量、成本，同時兼顧低功耗、快速反應、壽命更長、效率更高的優(yōu)勢，并具有高亮度和超高解析度的特點，其色彩飽和度接近OLED且沒有色衰的問題。

從現(xiàn)在的技術發(fā)展趨勢而言，樂觀估計，需要至少等到2018年才可以見到裝有microLED屏幕的iWatch面世，而且預計microLED在低端iPhone上的應用也會有其想象空間。

二、microLED顯示技術的發(fā)展進程及背景介紹

microLED最早起源于德國亞琛工業(yè)大學研究團隊，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LED之后，開啟了國際上對microLED 陣列的研究。

2000年之后，microLED顯示技術的發(fā)展歷程

索尼在2016年的InfoCommons和2017年CES展會上展示了其最新的CLEDIS屏幕，其采用超高密度LED顯示技術，即microLED技術，其具備超高亮度、無縫拼接(其實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8K甚至10K乃至更高的精細影像內(nèi)容，都能夠通過microLED面板駕馭。

索尼在2017 CES展會中展出的CLEDIS顯示屏幕

索尼CLEDIS面板基本結(jié)構(gòu)

microLED技術是指在一個芯片上集成的高密度微小尺寸的LED 整列，每一個像素可定址、單獨由TFT驅(qū)動點亮，像素點距離在微米級;

microLED屏幕結(jié)構(gòu)(奇美電子)

目前對于Micro LED制程來說，現(xiàn)有的主要技術分為三大種類：芯片級焊接、外延級焊接和薄膜轉(zhuǎn)移。

芯片級焊接：直接將LED 切割成微米等級的單塊結(jié)構(gòu)(包含外延薄膜和基板)，在通過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。

外延級焊接：在LED 的外延薄膜蹭上用感應耦合等離子蝕刻，直接形成微米等級的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)動電路基板上，最后通過剝離基板的方式形成最終顯示畫素。

薄膜轉(zhuǎn)移：通過剝離LED 基板，以一暫時基板承載LED 外延薄膜層，再利用感應耦合等離子蝕刻，形成微米等級的Micro LED 外延薄膜結(jié)構(gòu);或者先利用感應耦合等離子離子蝕刻，形成微米等級的Micro LED 外延薄膜結(jié)構(gòu)，通過剝離LED 基板，通過暫時基板承載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，通過暫時基板承載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/藍光LED + 發(fā)光介質(zhì)法、光學透鏡合成法。

RGB 三色法：即采用RGB 三個顏色的LED 構(gòu)成單位像素。此技術路徑所面臨的主要技術難點是驅(qū)動芯片必須控制好每個像素點的輸出電流，稍有偏差，像素與像素點之間就會存在色彩偏差問題。

RGB全彩顯示的像素布局(LEDinside)

RGB全彩顯示的驅(qū)動原理

UV/藍光LED + 發(fā)光介質(zhì)法：此種方法主要是利用紫外microLED發(fā)出的光來激發(fā)紅綠藍三色的發(fā)光介質(zhì)，如熒光粉或量子點，產(chǎn)生不同顏色的光，并進行配比實現(xiàn)全彩色。如果將熒光粉涂布在畫素表面，帶來的問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)，稍有不均勻即會影響顯示效果。

利用熒光粉實現(xiàn)全彩化的microLED的像素設計及顯示效果

光學透鏡合成法：利用光學棱鏡將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。通過驅(qū)動面板傳輸圖片信號，調(diào)整Micro LED陣列亮度實現(xiàn)彩色化，利用光學投影鏡頭實現(xiàn)微投影。

光學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%，所以在需要移動電源的移動設備的應用中更顯優(yōu)勢。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，顯示屏幕的耗電量約占整個移動設備耗電量的50-60%，故使用了microLED面板的移動設備，其電池續(xù)航能力將是采用其他顯示屏技術設備的2 倍左右。由于microLED的像素非常之小，其發(fā)射角基本會聚焦在一個方向上，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)換效率達到傳統(tǒng)LED面板的4倍左右。而且，microLED的驅(qū)動電流也要比傳統(tǒng)LED和OLED較小。

顯示屏耗電量占整個移動設備耗電量近60%(澳大利亞南威爾士大學)

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受到多層有機發(fā)光層的制約(因為每一層材料透光率的問題)，因此，實際所增加的轉(zhuǎn)換效率將少于20%;而傳統(tǒng)LED的實際轉(zhuǎn)換效率的提高也將少于預期值，因為有多層聚焦透鏡的關系。而microLED的單層結(jié)構(gòu)，就可以巧妙的避免這個問題，實際增加的效率將幾乎等于預期增加值，而不會產(chǎn)生損耗。

圖像質(zhì)量：OLED在色彩飽和度、色彩表現(xiàn)力、對比度、色域和反應速度方面都較LCD屏幕有了很大的改進和提高。而microLED屏幕也是采用了對單個像素點的單獨控制和驅(qū)動，所以其也可以達到OLED的顯示質(zhì)量，并且在反應速度方面比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達到10萬個小時，是OLED材料的2-3倍。而且不存在材料老化的問題。

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，LED芯片的邊長只有人的頭發(fā)直徑的十分之一，人的視覺無法察覺，所以microLED在非常適用于透明顯示面板的研制。

表2. 三種顯示技術的對比(行業(yè)研究部整理)

四、目前microLED技術商業(yè)化所需要克服的難點和障礙

顯示技術競爭激烈：目前OLED和QLED技術研發(fā)火熱。OLED在材料上的技術已經(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看，商業(yè)化的價值很高，在很多顯示性能上與microLED勢均力敵。而且，OLED和QLED均適合柔性顯示，這在柔性顯示日趨緊俏的時代，是非常大的優(yōu)勢。而microLED在柔性顯示方面，并無明顯優(yōu)勢。

制程技術尚未成熟：microLED的最大特點是像素和像素間距是微米級的，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。目前實驗室已可做出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題的尺寸。microLED 技術目前面臨的瓶頸和挑戰(zhàn)主要是如何把實驗室獲得的成果成功量產(chǎn)并大面積推廣應用，這個microLED技術商業(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，并且同時保持高精密度和良率，(精準度必須控制在正負0.5 μm 以內(nèi)，良率必須達到99.9999%的程度才能達標)也是需要考慮的問題。

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)移和封裝的技術和產(chǎn)能都能與之匹配和配套的問題，是要在microLED真正實現(xiàn)商業(yè)化前需要解決的問題。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)機會

由于目前OLED技術正處于高速增長的初期，市場熱度和資本投資方面都積攢了超高的人氣，但因為OLED技術主要有兩家韓國公司，SDI和LDG幾乎壟斷著，市場中也存在著較高的研發(fā)新一代顯示技術的動力，以制衡韓企在這一領域的壟斷。

目前主要進行microLED 商業(yè)化技術開發(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 技術致力于高畫質(zhì)顯示，主要針對可穿戴設備的小尺寸顯示。蘋果在2014年低調(diào)收購了LuxVue 之后，著手在臺灣的工廠進行試生產(chǎn)和研發(fā)。去年就有消息稱蘋果會在今年發(fā)布的Apple Watch上首先使用microLED屏幕，但最終沒有實現(xiàn)。最近的報道是，臺灣初創(chuàng)公司PlayNitride 將負責幫助蘋果試產(chǎn)Micro LED。總體而言，蘋果已經(jīng)將Micro LED 量產(chǎn)技術作為重要機密，投入了40 億美元，招募研發(fā)團隊，針對微型化LED 晶粒、半導體封裝及驅(qū)動IC 等難點進行攻克，不斷加速其商業(yè)化進程。相對于蘋果將microLED面板應用于小尺寸設備的預期，索尼則是將microLED 面板應用于大尺寸的顯示設備上，比如像電視機和戶外這類的遠距離觀賞屏幕。

從整個microLED產(chǎn)業(yè)鏈來看，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。