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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【   

【中國數字視聽網訊】一、蘋果今年將試生產microLED屏幕,明年或應用于iWatch

本月初據日本媒體報道,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。而臺灣初創公司PlayNitride 則將負責幫助蘋果在今年試產microLED。

那到底什么是microLED屏幕呢?它跟現在的LCD、OLED屏幕又有何區別和優勢呢?microLED也被稱為微發光二極管,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 自發光,光學系統簡單,可以減少整體系統的體積、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。

從現在的技術發展趨勢而言,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顯示技術的發展進程及背景介紹

microLED最早起源于德國亞琛工業大學研究團隊,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內容,以及未來8K甚至10K乃至更高的精細影像內容,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面板基本結構

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驅動點亮,像素點距離在微米級;


 microLED屏幕結構(奇美電子)

目前對于Micro LED制程來說,現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移。

芯片級焊接:直接將LED 切割成微米等級的單塊結構(包含外延薄膜和基板),在通過SMT 或者COB 的方式將此單塊結構的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 外延薄膜結構,再將LED 晶圓(含外延層和基板)直接鍵接于驅動電路基板上,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 外延薄膜結構;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 外延薄膜結構,通過剝離LED 基板,通過暫時基板承載LED 外延薄膜結構。


 薄膜轉移法工藝流程,LED基板剝離后形成外延薄膜層,通過暫時基板承載LED 外延薄膜結構(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 + 發光介質法、光學透鏡合成法。

RGB 三色法:即采用RGB 三個顏色的LED 構成單位像素。此技術路徑所面臨的主要技術難點是驅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全彩顯示的驅動原理

UV/藍光LED + 發光介質法:此種方法主要是利用紫外microLED發出的光來激發紅綠藍三色的發光介質,如熒光粉或量子點,產生不同顏色的光,并進行配比實現全彩色。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,稍有不均勻即會影響顯示效果。

 

 利用熒光粉實現全彩化的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。通過驅動面板傳輸圖片信號,調整Micro LED陣列亮度實現彩色化,利用光學投影鏡頭實現微投影。

 

 光學透鏡合成法及其原理

三、microLED顯示性能的優越性

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勢。據研究發現,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,其發射角基本會聚焦在一個方向上,所以可以省去傳統LED必須使用的聚焦透鏡,從而使其轉換效率達到傳統LED面板的4倍左右。而且,microLED的驅動電流也要比傳統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)

發光效率:如果OLED和傳統LED的轉換效率要提高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,實際所增加的轉換效率將少于20%;而傳統LED的實際轉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的單層結構,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,而不會產生損耗。

圖像質量:OLED在色彩飽和度、色彩表現力、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動,所以其也可以達到OLED的顯示質量,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采用的是固體發光材料,所以其較OLED也更經得起外界的沖擊力。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(行業研究部整理)

四、目前microLED技術商業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技術研發火熱。OLED在材料上的技術已經基本成熟,效率、成本和壽命均已克服商業化的困難。而就QLED的顯示效果和壽命來看,商業化的價值很高,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,是非常大的優勢。而microLED在柔性顯示方面,并無明顯優勢。

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光面積的做法,做到的尺寸是50μm x 50μm,而蘋果據稱已經能夠將尺寸縮小至10μm x 10μm。目前實驗室已可做出3μm x 3μm 發光面積的顯示器用發光像素,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主要是如何把實驗室獲得的成果成功量產并大面積推廣應用,這個microLED技術商業化前必須掃除的障礙。其次,如何高效的將高密度的LED發光器件焊接和轉移到玻璃基板上,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,良率必須達到99.9999%的程度才能達標)也是需要考慮的問題。

配套產能要求高:由于microLED的生產鏈相比傳統LCD顯示器要復雜的多,如何保證生產環節中,諸如芯片的巨量轉移和封裝的技術和產能都能與之匹配和配套的問題,是要在microLED真正實現商業化前需要解決的問題。否則,一旦產能更不上,單位成本必將保持高位,商業化之路可能受其影響而拖延。

五、microLED面板產業鏈存在的商業機會

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 商業化技術開發的有兩家公司: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 技術致力于高畫質顯示,主要針對可穿戴設備的小尺寸顯示。蘋果在2014年低調收購了LuxVue 之后,著手在臺灣的工廠進行試生產和研發。去年就有消息稱蘋果會在今年發布的Apple Watch上首先使用microLED屏幕,但最終沒有實現。最近的報道是,臺灣初創公司PlayNitride 將負責幫助蘋果試產Micro LED?傮w而言,蘋果已經將Micro LED 量產技術作為重要機密,投入了40 億美元,招募研發團隊,針對微型化LED 晶粒、半導體封裝及驅動IC 等難點進行攻克,不斷加速其商業化進程。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產業鏈來看,可以分為上游材料的GaN基板和外延片,中游制造環節和下游應用環節。具體參與和有潛力參與microLED中上游企業如下表所示。


表3. microLED中上游主要參與和有潛力參與的企業


表4. microLED主要研制機構產品及其介紹

 

(編輯:daisy)

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