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Micro LED有哪些技术瓶颈?国内外厂商该如何布局
文章来源自:半导体行业观察
2017-04-28 17:33:30 阅读:286751
摘要据美国科技新闻网站Apple Insider报道,今年晚些时候,苹果将会开始生产micro-LED显示屏,初期将用于第三代苹果手表,目前苹果手表中使用了有机屏。

  今日,有消息显示,在今年秋季推出的十年版手机中,苹果将在公司历史上第一次使用有机屏(OLED),由三星显示器公司供货。不过据外媒报道,苹果之前也收购了拥有micro-LED显示技术的公司,并且自身从事显示面板的研发,这让三星、LG等屏幕厂商产生了一定的担忧。

  据美国科技新闻网站Apple Insider报道,今年晚些时候,苹果将会开始生产micro-LED显示屏,初期将用于第三代苹果手表,目前苹果手表中使用了有机屏。

  在显示面板领域,苹果过去没有技术储备。不过在2014年,苹果收购了一家名为LuxVue的公司,获得了该公司的micro-LED技术,而在过去几年时间里,这种显示面板技术开始引发了行业关注,而苹果也在积极进行开发。

  Micro-LED被看好成为新一代显示技术

  除了液晶之外,有机屏被认为是液晶面板的替代产品。在苹果之前,三星电子等许多手机厂商已经开始使用有机屏幕,这种屏幕画质更好、更加省电,厚度更薄,另外可以进行弯曲设计。

  实际上,有机屏技术已经问世了多年,但是其成本迟迟难以下降,但是过去几年,有机屏量产技术获得突破,拉低了成本。市面上已经出现了大量的有机屏手机和电视机,未来相关的制造商将会更多。

  微发光二极体显示器(Micro LED Display)为新一代的显示技术,结构是微型化LED阵列,也就是将LED结构设计进行薄膜化、微小化与阵列化,使其体积约为目前主流LED大小的1%,每一个像素都能定址、单独驱动发光,将像素点的距离由原本的毫米级降到微米级。

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  承继了LED的特性,Micro LED优点包括低功耗、高亮度、超高分辨率与色彩饱和度、反应速度快、超省电、寿命较长、效率较高等,其功率消耗量约为LCD的10%、OLED的50%。而与同样是自发光显示的OLED相较之下,亮度比其高30倍,且分辨率可达1500PPI(像素密度),相当于Apple Watch采用OLED面板达到300PPI的5倍之多,另外,具有较佳的材料稳定性与无影像烙印也是优势之一。

  而大尺寸方面,就是成本的竞争,Micro-LED竞争优势并不明显。Micro-LED在大尺寸方面的挑战非常大,这么多年来,与LCD、OLED相比,LED在成本上并没有形成优势,而且从Micro-LED实际投入和进展来看,Micro-LED影响力没有想象得那么大。LCD成本低、良率稳定,竞争力非常强。就像当年LCD和PDP一样,LCD和Micro-LED未来的竞争不单纯涉及到技术的竞争,还牵扯到产业链以及生态的竞争。

  制程种类及技术发展

  对于半导体与芯片的制程微缩目前已到极限,而在制造上的微缩却还存在相当大的成长空间,对于Micro LED制程上,目前主要呈现分为三大种类:Chip bonding、Wafer bonding和Thin film transfer。

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  Chip bonding(芯片级焊接)

  将LED直接进行切割成微米等级的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板),利用SMT技术或COB技术,将微米等级的Micro LED chip一颗一颗键接于显示基板上。

  Wafer bonding(外延级焊接)

  在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP),直接形成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构,此结构之固定间距即为显示划素所需的间距,再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上,最后使用物理或化学机制剥离基板,仅剩4~5μm的Micro-LED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上形成显示划素。

  Thin film transfer(薄膜转移)

  使用物理或化学机制剥离LED基板,以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层,再利用感应耦合等离子离子蚀刻,形成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构;或者,先利用感应耦合等离子离子蚀刻,形成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构,再使用物理或化学机制剥离LED基板,以一暂时基板承载LED磊晶薄膜结构。

  最后,根据驱动电路基板上所需的显示划素点间距,利用具有选择性的转移治具,将Micro LED磊晶薄膜结构进行批量转移,键接于驱动电路基板上形成显示划素。

  Micro-LED能否挑战LCD和OLED?

  目前,Micro-LED可以形成两大应用方向,一个是以苹果为代表的可穿戴市场;苹果专攻Micro LED的小尺寸应用,看上了Micro LED显示技术公司LuxVue Technology,于2014年5月收购LuxVue,取得多项Micro LED专利技术,欲加快布局相关技术专利。当时苹果这项收购引发了市场关注,认为苹果可望在Apple Watch与iPhone上采用新一代的Micro LED技术,但因不愿过于依赖面板厂,于是转而将LuxVue收归麾下,以取得Micro LED领域的技术主导权。

  一个是以Sony为代表的超大尺寸电视市场。2012年Sony发表的55寸“CrystalLEDDisplay”就是Micro LED Display技术类型,其FullHD解析度共使用约622万(1920x1080x3)颗micro LED做为高解析的显示划素,对比度可达百万比一,色饱和度可达140%NTSC,无反应时间和使用寿命问题。但是因采单颗Micro-LED嵌入方式,在商业化上,仍有不少的成本与技术瓶颈存在,以致于迄今未能量产。

  今年Sony在CES展出的Micro-LED显示器──CLEDIS已在分辨率、亮度、对比都有极佳的表现,已为Micro-LED。

  目前来看,Micro-LED市场集中在超小尺寸显示上。例如智能手机、智能手表、VR等。这些设备上,Micro-LED主要和OLED竞争。而后者现在已经有数千亿元的投资在路上,产能在大量形成。Micro-LED则还处于攻克最基本技术的门槛上。

  更为重要的是,智能手机作为小尺寸应用的主要市场,对于Micro-LED而言依然意味着“尺寸偏大”,即成本偏高;VR作为最佳潜力股,需要极高的像素密度,OLED已经在发展1000PPI+的VR面板,这无疑加大了Micro-LED的制造难度;智能手表上显示的核心需要除了节能,并没有特别要求,但这一市场总容量会比较有限——因为它的单台显示面积很小。

  所以,选择Micro-LED作为逆袭方向,首先是放弃中大尺寸显示市场;第二是核心技术“还在突破的路上”,恐怕时间不等人;第三是预期目标市场前有OLED后有QLED,“压力山大”。

  Micro-LED的发展瓶颈

  Micro-LED如果做成类似LED显示屏这样的显示面板,以数十英寸到上百英寸这样的面积,在技术上是可行的,但离商业化量产还要很远,就是需要更高速度的巨量转移技术,把一颗颗小型LED移到基板上,否则以现有技术与良率,要打造一台可用的显示器,费时过久,无法大规模量产。

  根据LED inside统计,目前Micro-LED显示技术上带来的制造成本仍高达现有显示产品的3~4倍,因而厂商正积极透过增加产品附加价值,以及改善芯片、转移技术良率以达到成本下降目标,估计若要取代现有LCD产品还需3~5年的时间。

  Micro- LED产品要求高波长均匀性,小间距用LED产品波长均一性更是要求严苛。目前量产标准下的蓝光LED波长均一性要求在±5~12nm,然而小间距显示屏波长均一性要求,甚至要低到±1-1.5 nm。如果是Micro LED,要求会更严格。

  换言之,量产规模下,高精度转移制程去提升制程产率,至少须达到99.9%以上的水准,甚至是99.999%这样更好的状态。

  这样一来,产业需要用到的PCB板,也要能够完成客制化的要求,透过细线宽/线距与小钻孔开发,借由这种超高密度线路,才有办法承载巨量Micro-LED画素,对消费者与用户来说,就可呈现高解析度、高画质的显示效果。

  此外,Micro-LED制造成本居高不下,原因在于相关技术瓶颈仍待突破,如良率的提升、「巨量转移」(Mass Transfer)技术等,且由于涉及的产业横跨LED、半导体、面板上下游供应链,举凡芯片、机台、材料、检测设备等都与过去的规格相异,提高了技术的门坎,而异业间的沟通整合也增加了研发时程。

  Micro-LED制造过程中关键的巨量转移技术可用来转移微型LED,同时也可转移传感器等微小电子组件,让Micro-LED的应用更添想象空间。未来无论在车用显示、VR装置,甚至是AR投影、光学感测、指纹辨识等领域,都有机会是Micro-LED技术大放异彩的舞台。

  此外,对于Micro-LED的发展,如果要实现大规模Micro-LED显示的制造,必须要将包含LED制造、显示制造和技术转移与组装这三个主要的不同的专业知识和供应链结合在一起。

  与传统显示器相比,Micro-LED显示的供应链复杂而冗长,每个过程至关重要,有效管理每一个方面将是具有挑战性的。没有一个人可以解决所有的问题,似乎不太可能实现完全垂直整合。

  主要参与开发Micro-LED的企业

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  Micro-LED争战行列的国际大厂包括 索尼、乐金、日亚化学、夏普等,而从英国史崔克莱大学(University of Strathclyde)拆分出来的公司 mLED、美国德州理工大学(Texas Tech University)、法国原子能署电子暨资讯技术实验室(Leti)、从伊利诺大学(University of Illinois)分拆出来的X-celeprint也都积极研发Micro-LED技术。

  台湾不少大厂也已投入技术研发,包括半导体新创公司錼创(PlayNitride)、工研院、友达、群创、晶电。

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  索尼

  索尼在2016年6月的InfoComm展和德国IFA展上,都展示了将Micro LED元件作为一个像素使用的LED显示器技术“CLEDIS”,这项被形容为能够挑战OLED的新技术非常神秘。

  索尼CLEDIS技术其实就是小间距LED显示屏技术,点间距为1.2mm。这种小间距LED显示屏是通过RGB三色LED器件的组合成为单一像素,将多个像素封装成为屏幕元素,再降多个元素组成一个完整的显示单元,而最终我们看到的大尺寸LED屏幕多是由该类显示单元进行无缝拼接后形成的效果。

  这种显示器组件组合在一起,可以根据用途和设置场所,改变屏幕的大小及长宽比等。每个组件的屏幕边框非常细,上下左右摆放到一起,可以构建出几乎看不到接缝的大屏幕。设想主要用于B2B用途,包括数字标牌、公共大屏幕、展厅用显示器、汽车设计评审等。

  夏普、日亚化学

  由于Micro-LED新技术应用有机会掀起显示器产业的破坏式创新,吸引国际大厂跃跃欲试,为突破技术关卡纷纷启动新一波产业竞赛,业界传出Apple有意导入Micro-LED,促使鸿海集团决定投入Micro-LED研发行列,并已获得董事长郭台铭拍板定案,将串联集团面板厂夏普及策略合作夥伴日亚化,抢攻下一世代显示器的战略地位。

  鸿海对此指出,集团对于各项新技术应用开发,均有计划运用资源进行相关投资,希望藉由技术掌握,奠定在市场优势基础。

  据日亚化学表示,公司在Micro-LED耕耘超过10年,拥有领先技术,未来会加速推动Micro-LED的商品化。第一阶段就是推出面光源模组,不仅可以做到local dimming,而且做在软性基板上可以实现可挠式显示面板。两年后可以推展到第二阶段,最后终极目标就是实现Micro-LED。

  晶电、隆达、群创

  晶电发言人张世贤公开表示,由于Micro-LED体积很小,晶电的磊晶、晶粒制程上要配合移转设备和系统应用等厂共同开发。在磊晶和晶粒的制程,Micro-LED成功机率高,至于2017年能否量产出货,则还要很努力。

  隆达董事长苏峯正也表示,Micro-LED是一项新技术、新应用,有机会增加LED的使用量,这也是隆达布局新应用的方向之一。目前已有不少公司都在布局,进度不一。至于何时可商业化量产,其认为,投入初期良率差,更多人投入后良率提升的学习曲线,不能省略。

  群创董事长暨执行长王志超则指出,软性显示将是趋势,目前看来还有其它的技术选项如Micro-LED等。

  聚积、工研院

  日前台系LED驱动IC大厂聚积公告,该公司董事会已经决议和财团法人台湾工业技术研究院 (ITRI,下简称“台工研院”)合作开发「超小间距LED数字显示模块」,也就是Micro-LED 的显示模块。

  聚积指出,主要是因应市场发展,提升竞争力,因此和台工研院一起合作开发。

  另外,聚积先前在荷兰阿姆斯特丹举办的ISE 2017展览上,在一般主流尺寸的LED显示屏幕市场也有新的产品。因应小间距LED显示屏多元需求的带动下,从小间距常见显示问题的解决方案,至租赁、24小时不断电应用(中控室、商场),聚积科技此次主打「简洁、智能、优越」,展示最新的鹰眼系列解决方案。

  国内厂商该如何布局Micro-LED

  目前,国内LED厂商已经开始研发Micro-LED技术。据了解,去年,利亚德推出了超微P0.9毫米高清无缝拼墙,这是市面上第一款实现量产的低于1毫米间距的LED显示屏,但主要还是应用在室内监控领域,不像苹果和索尼主攻可穿戴和大屏电视领域。

  虽然国内LED在商用市场形成一定规模,国产LED 设备跟进加速了LED国产化的进程,但是国内大部分LED厂商的营收规模不大,目前更加注重LED商用市场本身,对于像Micro-LED这种前瞻性技术投入比较少,国内LED相关会议对Micro-LED探讨也不多。

  Micro-LED是从芯片角度切入,国内小间距LED是从显示屏的角度出发,虽然都是做小间距的LED,但是两者的尺度不一样。国内LED产业没有一家企业能够垂直整合整个产业链,每一家企业都各自专注一环,做芯片的就做芯片,做封装的只做封装,做应用的专门做应用。而且现在大部分小间距LED集中在应用层,还没有从应用层延伸到上游产业链,更没有达到芯片层。现在国内能量产的小间距LED就是P1.2~1.5毫米,最小的是P0.9毫米。

  而苹果和索尼Micro-LED都是底层用正常的CMOS集成电路制造工艺制成LED显示驱动电路,然后再用MOCVD机在集成电路上制作LED阵列,从而实现了微型显示屏尺度更小,可能能达到100微米,国内小间距LED与苹果和索尼的Micro-LED差一个数量级。

  目前上游的有机发光材料,主要掌握在日、韩、美、德等国外厂商手中,国内暂无可替代产品。国内企业主要为国际材料生产企业提供有机材料的中间体和单体粗品,随着面板需求的增长,国内中间体和单体粗品的销售量有望大幅增长。

  其次,当前的Micro-LED发展还处在一个初级阶段,而国内企业已经纷纷在布局,不敢说处于同一水平,但是相差也没有面板LED当初国内发展时的那么大。

  最后,Micro-LED要想拉开距离,未来更多的还是专利上的竞争,这也是当前在大家基数还不够高时,国内企业布局Micro-LED尤其需要考虑的一点。


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