Micro LED 将成LED显示技术的翻身仗?

一、苹果今年将试生产microLED屏幕,明年或应用于iWatch

本月初据日本媒体报道,苹果目前计划最早在2018年为其可穿戴设备换用microLED 屏。由于制造难度大,短期内microLED 屏幕仍然“不大可能”被应用在智能手机中。但苹果可能最早明年为可穿戴设备iWatch配置microLED 屏。而台湾初创公司PlayNitride 则将负责帮助苹果在今年试产microLED。

那到底什么是microLED屏幕呢?它跟现在的LCD、OLED屏幕又有何区别和优势呢?microLED也被称为微发光二极管,其通过在一个芯片上集成高密度微小尺寸的LED 阵列来实现LED 的薄膜化、微小化和矩阵化。类似LED屏幕,其每个像素都能单独定址和驱动点亮。可以看成是户外小间距LED显示屏的迷你版,其将像素点距离从毫米级降低至微米级,体积则只有目前主流LED 大小的1%。由于Micro LED 自发光,光学系统简单,可以减少整体系统的体积、重量、成本,同时兼顾低功耗、快速反应、寿命更长、效率更高的优势,并具有高亮度和超高解析度的特点,其色彩饱和度接近OLED且没有色衰的问题。

从现在的技术发展趋势而言,乐观估计,需要至少等到2018年才可以见到装有microLED屏幕的iWatch面世,而且预计microLED在低端iPhone上的应用也会有其想象空间。

二、microLED显示技术的发展进程及背景介绍

microLED最早起源于德国亚琛工业大学研究团队,其于1998年采用湿法腐蚀方法在ALGaInP LED 外延片上成功制作多个LED之后,开启了国际上对microLED 阵列的研究。

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图2. 2000年之后,microLED显示技术的发展历程

索尼在2016年的InfoCommons和2017年CES展会上展示了其最新的CLEDIS屏幕,其采用超高密度LED显示技术,即microLED技术,其具备超高亮度、无缝拼接(其实CLEDIS显示屏幕由显示单元拼接完成)。目前主流的4K内容,以及未来8K甚至10K乃至更高的精细影像内容,都能够通过microLED面板驾驭。

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图3. 索尼在2017 CES展会中展出的CLEDIS显示屏幕

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图4. 索尼CLEDIS面板基本结构

microLED技术是指在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的LED 整列,每一个像素可定址、单独由TFT驱动点亮,像素点距离在微米级;

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图5. microLED屏幕结构(奇美电子)

目前对于Micro LED制程来说,现有的主要技术分为三大种类:芯片级焊接、外延级焊接和薄膜转移。

芯片级焊接:直接将LED 切割成微米等级的单块结构(包含外延薄膜和基板),在通过SMT 或者COB 的方式将此单块结构的Micro LED 一颗颗键接与显示基板。

外延级焊接:在LED 的外延薄膜蹭上用感应耦合等离子蚀刻,直接形成微米等级的Micro LED 外延薄膜结构,再将LED 晶圆(含外延层和基板)直接键接于驱动电路基板上,最后通过剥离基板的方式形成最终显示画素。

薄膜转移:通过剥离LED 基板,以一暂时基板承载LED 外延薄膜层,再利用感应耦合等离子蚀刻,形成微米等级的Micro LED 外延薄膜结构;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 外延薄膜结构,通过剥离LED 基板,通过暂时基板承载LED 外延薄膜结构。

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图6. 薄膜转移法工艺流程,LED基板剥离后形成外延薄膜层,通过暂时基板承载LED 外延薄膜结构(HSBC研究)

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表1. 不同制程的技术特性

在Micro LED 的彩色化方向,目前主流的彩色化方案主要有三种,分别是RGB三色LED 法、UV/蓝光LED + 发光介质法、光学透镜合成法。

RGB 三色法:即采用RGB 三个颜色的LED 构成单位像素。此技术路径所面临的主要技术难点是驱动芯片必须控制好每个像素点的输出电流,稍有偏差,像素与像素点之间就会存在色彩偏差问题。

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图7. RGB全彩显示的像素布局(LEDinside)

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图8. RGB全彩显示的驱动原理

UV/蓝光LED + 发光介质法:此种方法主要是利用紫外microLED发出的光来激发红绿蓝三色的发光介质,如荧光粉或量子点,产生不同颜色的光,并进行配比实现全彩色。如果将荧光粉涂布在画素表面,带来的问题是荧光粉吸收部分能量,降低了发光效率,而随着microLED像素尺寸的直线减小,荧光粉的涂布均匀度将受到挑战,稍有不均匀即会影响显示效果。

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图9. 利用荧光粉实现全彩化的microLED的像素设计及显示效果

光学透镜合成法:利用光学棱镜将RGB 三种颜色的Micro LED 合成全彩色显示,具体方法是将RGB 三色的microLED 阵列分别封装到三块不同的封装板,并连接控制板以及三色棱镜。通过驱动面板传输图片信号,调整Micro LED阵列亮度实现彩色化,利用光学投影镜头实现微投影。

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图10. 光学透镜合成法及其原理

三、microLED显示性能的优越性

低耗能:由于microLED的耗能只是LCD与OLED屏幕耗能的10-20%,所以在需要移动电源的移动设备的应用中更显优势。据研究发现,显示屏幕的耗电量约占整个移动设备耗电量的50-60%,故使用了microLED面板的移动设备,其电池续航能力将是采用其他显示屏技术设备的2 倍左右。由于microLED的像素非常之小,其发射角基本会聚焦在一个方向上,所以可以省去传统LED必须使用的聚焦透镜,从而使其转换效率达到传统LED面板的4倍左右。而且,microLED的驱动电流也要比传统LED和OLED较小。

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图11. 显示屏耗电量占整个移动设备耗电量近60%(澳大利亚南威尔士大学)

发光效率:如果OLED和传统LED的转换效率要提高20%,那么其增加的亮度还是会受到多层有机发光层的制约(因为每一层材料透光率的问题),因此,实际所增加的转换效率将少于20%;而传统LED的实际转换效率的提高也将少于预期值,因为有多层聚焦透镜的关系。而microLED的单层结构,就可以巧妙的避免这个问题,实际增加的效率将几乎等于预期增加值,而不会产生损耗。

图像质量:OLED在色彩饱和度、色彩表现力、对比度、色域和反应速度方面都较LCD屏幕有了很大的改进和提高。而microLED屏幕也是采用了对单个像素点的单独控制和驱动,所以其也可以达到OLED的显示质量,并且在反应速度方面比OLED更快,180度的光看可视角度也使其适用于大屏幕的应用上。

使用寿命:由于microLED采用的是固体发光材料,所以其较OLED也更经得起外界的冲击力。所以其寿命周期将会达到10万个小时,是OLED材料的2-3倍。而且不存在材料老化的问题。

透明显示面板:由于超高的发光效率,microLED的像素间距可以制作的非常小。在小于10微米时,LED芯片的边长只有人的头发直径的十分之一,人的视觉无法察觉,所以microLED在非常适用于透明显示面板的研制。

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表2. 三种显示技术的对比(行业研究部整理)

四、目前microLED技术商业化所需要克服的难点和障碍

显示技术竞争激烈:目前OLED和QLED技术研发火热。OLED在材料上的技术已经基本成熟,效率、成本和寿命均已克服商业化的困难。而就QLED的显示效果和寿命来看,商业化的价值很高,在很多显示性能上与microLED势均力敌。而且,OLED和QLED均适合柔性显示,这在柔性显示日趋紧俏的时代,是非常大的优势。而microLED在柔性显示方面,并无明显优势。

制程技术尚未成熟:microLED的最大特点是像素和像素间距是微米级的,而且至少需做到5μm x 5μm以下的尺寸,并且不能漏电。目前市场上普遍采取的是缩小发光面积的做法,做到的尺寸是50μm x 50μm,而苹果据称已经能够将尺寸缩小至10μm x 10μm。目前实验室已可做出3μm x 3μm 发光面积的显示器用发光像素,这是目前全球最小的并且解决了漏电问题的尺寸。microLED 技术目前面临的瓶颈和挑战主要是如何把实验室获得的成果成功量产并大面积推广应用,这个microLED技术商业化前必须扫除的障碍。其次,如何高效的将高密度的LED发光器件焊接和转移到玻璃基板上,并且同时保持高精密度和良率,(精准度必须控制在正负0.5 μm 以内,良率必须达到99.9999%的程度才能达标)也是需要考虑的问题。

配套产能要求高:由于microLED的生产链相比传统LCD显示器要复杂的多,如何保证生产环节中,诸如芯片的巨量转移和封装的技术和产能都能与之匹配和配套的问题,是要在microLED真正实现商业化前需要解决的问题。否则,一旦产能更不上,单位成本必将保持高位,商业化之路可能受其影响而拖延。

五、microLED面板产业链存在的商业机会

由于目前OLED技术正处于高速增长的初期,市场热度和资本投资方面都积攒了超高的人气,但因为OLED技术主要有两家韩国公司,SDI和LDG几乎垄断着,市场中也存在着较高的研发新一代显示技术的动力,以制衡韩企在这一领域的垄断。

目前主要进行microLED 商业化技术开发的有两家公司:索尼和苹果。索尼则是将Micro LED 用于大型的显示屏幕上,而苹果利用Micro LED 技术致力于高画质显示,主要针对可穿戴设备的小尺寸显示。苹果在2014年低调收购了LuxVue 之后,着手在台湾的工厂进行试生产和研发。去年就有消息称苹果会在今年发布的Apple Watch上首先使用microLED屏幕,但最终没有实现。最近的报道是,台湾初创公司PlayNitride 将负责帮助苹果试产Micro LED。总体而言,苹果已经将Micro LED 量产技术作为重要机密,投入了40 亿美元,招募研发团队,针对微型化LED 晶粒、半导体封装及驱动IC 等难点进行攻克,不断加速其商业化进程。相对于苹果将microLED面板应用于小尺寸设备的预期,索尼则是将microLED 面板应用于大尺寸的显示设备上,比如像电视机和户外这类的远距离观赏屏幕。

从整个microLED产业链来看,可以分为上游材料的GaN基板和外延片,中游制造环节和下游应用环节。具体参与和有潜力参与microLED中上游企业如下表所示。

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表3. microLED中上游主要参与和有潜力参与的企业

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表4. microLED主要研制机构产品及其介绍

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