【深度】Micro LED未來(lái)之路非黑即白

　　五年前，蘋(píng)果iPhone X開(kāi)始搭載OLED(有機小分子電致發(fā)光顯示)屏幕;2021年，蘋(píng)果在新款MacBook Pro上搭載了新的顯示技術(shù)：Mini LED(次毫米發(fā)光二極管)。但Mini LED不是終點(diǎn)站，蘋(píng)果涉足的另一項儲備技術(shù)，新秀Micro-LED(微米發(fā)光二極管)顯示技術(shù)或有望一統江湖。

　　之所以升級顯示技術(shù)，都是為了看得更清晰、更還原真實(shí)世界。但目前，搭載Micro LED技術(shù)的產(chǎn)品過(guò)于昂貴，如三星110英寸的Micro LED電視，價(jià)格已超過(guò)百萬(wàn)元，普通人根本無(wú)福消受。Micro LED產(chǎn)品價(jià)格何時(shí)才能親民，手機平板何時(shí)才能上Micro LED屏幕?

　　在本文中，你將了解到：Micro LED為什么被稱(chēng)作終極顯示技術(shù)，Micro LED的產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)，Micro LED市場(chǎng)情況。

　　付斌丨作者

　　改變人類(lèi)生活的顯示技術(shù)

　　簡(jiǎn)單來(lái)講，你可以把Micro LED理解成將LED縮放到極小尺寸的一種新型顯示技術(shù)。其未來(lái)應用有望涉及顯示器、電視、手機平板顯示、增強現實(shí)/虛擬現實(shí)/混合現實(shí)(AR/VR/MR)、空間顯示、柔性透明顯示、可穿戴/可植入光電器件、光通訊/光互聯(lián)、醫療探測、智能車(chē)燈等領(lǐng)域。

　　業(yè)界使用兩種方法界定Micro LED的技術(shù)規格。

　　一是通過(guò)芯片尺寸界定，將LED芯片縮放至小于100μm，便可稱(chēng)為Micro LED芯片(也有學(xué)者認為應以50μm為界)。根據觀(guān)看距離和人眼的極限分辨率，對芯片尺寸的要求也不同：

　　VR/AR應用觀(guān)看距離約5cm，像素密度要達到1800PPI左右，此時(shí)Micro LED芯片尺寸為3~5 μm;

　　10英寸~12英寸的平板至少要達到300PPI的像素密度，對應芯片尺寸為20~30μm;

　　75英寸的電視則只需43PPI，芯片尺寸往往為200μm左右。[1]

不同應用對Micro-LED芯片尺寸的要求，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《電子工業(yè)專(zhuān)用設備》^[2]

　　另一種是通過(guò)工藝界定，由于Micro LED芯片尺寸非常小，其長(cháng)寬甚至比芯片的高度還小，導致芯片高度大于固晶面尺寸，不利于芯片在基板上固定，因此會(huì )比傳統LED增加一步激光剝離芯片基板的操作。

　　縱觀(guān)整個(gè)顯示行業(yè)，技術(shù)持續涌現，目前市場(chǎng)主流技術(shù)包括TFT LCD(薄膜晶體管液晶顯示)、AMOLED(主動(dòng)矩陣有機發(fā)光二極管顯示)、QD-OLED(混合OLED和QLED的技術(shù))、QNED(以藍光LED作為光源的QD-OLED顯示)、Mini-LED、Micro LED、Micro OLED。

　　可以簡(jiǎn)單將現階段顯示技術(shù)分為L(cháng)CD、OLED、QLED、Micro LED四個(gè)大類(lèi)，其他技術(shù)是在此基礎上的改良版或過(guò)渡版，而Micro LED被認為是理想的顯示技術(shù)，是新型顯示時(shí)代的終極目標，有望替代現階段大面積使用的LCD和OLED。

　　從黑白到高清彩色，CRT技術(shù)滿(mǎn)足了一代人對影響世界的夢(mèng)想。從又厚又重到平板顯示，LCD和OLED滿(mǎn)足了人們對輕薄、便攜、對視力友好的要求。而現階段，唯一能達到更接近現實(shí)，甚至是能夠騙過(guò)人眼的下一代顯示技術(shù)，是Micro LED。[3]

　　行業(yè)人士認為，當多種顯示技術(shù)集中爆發(fā)后，最終可能只會(huì )有一兩種技術(shù)能主導市場(chǎng)，而最有希望的無(wú)疑是Micro LED。[1]

主流顯示技術(shù)的分類(lèi)，制圖丨果殼硬科技

參考資料丨《Micro LED顯示研究報告（2019）》[4]，《電子工業(yè)專(zhuān)業(yè)設備》^[2]

　　Micro LED憑什么能獲得如此高的評價(jià)?因為它不僅擁有LED的大部分優(yōu)點(diǎn)，還具有高亮度、高分辨率、高響應速度、低功耗、體積小、易拆解、靈活度高、無(wú)拼縫等特征，能夠覆蓋絕大多數顯示應用場(chǎng)景[5] 。與此同時(shí)，它的響應速度能夠達到幾十納秒，沒(méi)有殘像且不存在壽命問(wèn)題。[3]

　　除此之外，對比LCD、OLED、QLED等前輩，Micro LED的主要性能參數均較為優(yōu)異。

現代顯示技術(shù)比較^[1]

　　過(guò)渡技術(shù)已大規模商業(yè)化

　　Micro LED還有一個(gè)近親：Mini LED，可以將后者理解為L(cháng)ED與Micro LED間的過(guò)渡技術(shù)。由于技術(shù)原理極為類(lèi)似，業(yè)界普遍將二者歸結于一個(gè)路線(xiàn)中，有些情況也會(huì )被合稱(chēng)為MLED。

　　作為前序技術(shù)，Mini LED主要解決的問(wèn)題是芯片尺寸斷層問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)發(fā)展對Micro LED具備一定的借鑒作用，其芯片尺寸一般為75μm~300μm。

LED全景圖[6]

　　Mini LED要比Micro LED實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)單地多，不僅在芯片尺寸上更容易被實(shí)現，而且在材料上也沒(méi)有科學(xué)性的難題，已被量產(chǎn)投入到市場(chǎng)中，蘋(píng)果、三星、TCL等品牌已實(shí)現規?；慨a(chǎn)。

　　但Mini LED與Micro LED有不同應用場(chǎng)景，市面上Mini LED一般作為L(cháng)CD背光源出現，再結合量子點(diǎn)技術(shù)，實(shí)現高動(dòng)態(tài)范圍顯示，而Micro LED則直接用于制作顯示像素[7] 。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，市售的Mini LED顯示器本質(zhì)上還是LCD，Mini LED只是LCD的一個(gè)陪襯，而Micro LED顯示器則直接發(fā)光成像。[8]

　　自2018年開(kāi)始，面板廠(chǎng)商陸續發(fā)布使用Mini LED作為背光的樣機，產(chǎn)品尺寸達到152.4mm~685.8mm(6~27英寸)，至今為止，Mini LED背光的顯示器已擁有1398mm(55英寸)、1651mm(65英寸)、1905 mm(75英寸)和2159 mm(85英寸)等型號，可達8K分辨率、120Hz刷新率的高指標，可將現有顯示器對比度由10000∶1拉升至1000000∶1。[9]

　　Mini LED產(chǎn)業(yè)化行徑明晰，已具備一定出貨量。2021年，全球中尺寸Mini LED背光面板出貨量達740萬(wàn)片。到2023年，智能汽車(chē)將成為Mini LED的新陣地。[10]

基于Mini-LED背光產(chǎn)品的發(fā)展路線(xiàn)^[9]

　　作為中間過(guò)渡的Mini LED產(chǎn)業(yè)一派欣欣向榮之勢，而Micro LED依然小眾，那想讓么Micro LED出圈，究竟難在哪里?

　　想造，沒(méi)那么容易

　　Micro LED什么都好，就是貴。究其原因，在于制造環(huán)節的難題較多，導致難以大量生產(chǎn)、良率較低，引發(fā)價(jià)格攀升。

　　從表面看，Micro LED芯片只是將LED芯片微縮化，但實(shí)際情況遠比想象中要難。從毫米級到微米級轉換的過(guò)程，本質(zhì)是LED微小化、薄膜化和矩陣化，在該過(guò)程中材料生長(cháng)、器件制備、驅動(dòng)技術(shù)、生產(chǎn)工藝等步驟都發(fā)生了變化，最終產(chǎn)生質(zhì)變。[11]

　　Micro LED采用的是RGB(紅綠藍)顏色標準，由于是自發(fā)光元件，想讓Micro LED顯現圖像，就要分別做出三基色的發(fā)光芯片，以此構成一個(gè)個(gè)像素。

　　用不同材料，可以制備不同顏色的Micro LED芯片，如InGaN/GaN基材料用于制備綠光/藍光Micro LED陣列，AlInGaP/GaAs基材料用于制備紅光Micro LED陣列，藍寶石、砷化鎵和硅等襯底上生長(cháng)外延層，制備Micro LED陣列。[12]

　　從襯底到產(chǎn)品，Micro LED顯示器會(huì )經(jīng)過(guò)外延生長(cháng)、芯片制造、巨量轉移、性能檢測四大工藝。

Micro-LED器件制造工藝流程^[2]

Micro-LED器件制造簡(jiǎn)述和難點(diǎn)，制表丨果殼硬科技

參考資料《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》^[13] ，《電子工業(yè)專(zhuān)業(yè)設備》^[2]

　　從技術(shù)上來(lái)看，芯片制備相關(guān)的材料和設備上相對成熟，問(wèn)題癥候在于制造環(huán)節，具體來(lái)說(shuō)，Micro LED的壁壘包括以下幾點(diǎn)：

　　都是小惹的禍

　　對芯片來(lái)說(shuō)，尺寸做得越小，制造難度就越大，Micro LED亦如此。Micro LED芯片的尺寸實(shí)在太小了，將其制作成各種顯示器件時(shí)，都要考慮小尺寸帶來(lái)的影響。

　　要取得小尺寸的Micro LED，就要使用微縮制程技術(shù)，將LED芯片微縮后到滿(mǎn)足應用要求的尺寸。微縮制程技術(shù)包括芯片焊接、晶圓焊接、薄膜轉移三種路徑，技術(shù)實(shí)施得越好，像素密度就會(huì )越高。

微縮制程技術(shù)實(shí)現的三種路徑，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《Micro-LED技術(shù)路線(xiàn)圖（2020版）》^[6] ，有刪改

　　Micro LED還有個(gè)不得不面對的致命問(wèn)題：在微縮過(guò)程中，時(shí)常會(huì )產(chǎn)生側壁缺陷。比如，同樣是2μm的誤差缺陷，在250μm×250μm尺寸的LED上，剩余可使用率為97%，但在5μm×5μm的Micro-LED上，剩余可使用率僅為4%。[14]

誤差缺陷導致芯片使用率大幅度降低^[14]

　　不僅如此，Micro LED芯片尺寸越小，電感耦合等離子體(ICP)刻蝕區域(側壁)與有源區體積的比率就會(huì )越大，刻蝕損傷所形成的缺陷占比越高[15] 。導致非輻射復合比例逐漸上升，發(fā)光效率和使用壽命下降。如尺寸從400μm減小至20μm，電流密度光效下降比例可達50%[7] 。這還會(huì )導致有源區內肖克利·雷德·霍爾(SRH)非輻射復合幾率增加、輻射復合幾率和發(fā)光效率降低、引入新的漏電通道加重器件反向漏電。這些問(wèn)題，在尺寸小于10μm的Micro LED上尤為顯著(zhù)。[16]

　　芯片尺寸問(wèn)題還會(huì )讓提高驅動(dòng)器與Micro LED陣列集成的效率和穩定性成為難題。簡(jiǎn)言之，量產(chǎn)LED或是Mini LED的工藝流程，對Micro LED來(lái)說(shuō)可能不再適用。

　　巨量轉移的困境

　　LED顯示器的每個(gè)像素點(diǎn)都由點(diǎn)陣組合而成，一個(gè)個(gè)小LED芯片組成的陣列的間距基本一致。Micro LED也是同理。制造出芯片后，也要將大批量的Micro-LED芯片定點(diǎn)巨量地轉移到電路基板上，這個(gè)過(guò)程就是“巨量轉移”。

　　與傳統的LED不同，Micro LED的巨量轉移不僅對轉移精度、轉移速率、色彩均勻度的控制有更高要求，轉移數量也更大，4K的Micro LED顯示器需完成兩千多萬(wàn)顆的Micro-LED芯片倒裝，而8K則達到了上億顆。[17]

　　目前巨量轉移技術(shù)有多種技術(shù)方案，包括精準拾取技術(shù)、激光釋放技術(shù)、流體自組裝技術(shù)及滾輪轉印技術(shù)等，不同技術(shù)擁有不同特性，但都存在一定弊端。

Micro-LED芯片巨量轉移方式^[2]

　　具體來(lái)說(shuō)，精準拾取技術(shù)對轉移設備精準度及穩定度要求極高;激光釋放技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中可能會(huì )對芯片表面造成損傷，降低良率，此外激光設備價(jià)格昂貴;流體組裝技術(shù)需經(jīng)歷3次才能完成轉移，效率較低;滾輪轉印技術(shù)可在柔性基底上實(shí)現轉移，但同樣需要3次轉移才能完成巨量轉移。[17]

　　部分方法在實(shí)驗室可達99.99%的良率，但比起至少要達到99.9999%良率的產(chǎn)業(yè)化要求，相差距離較大。業(yè)界正在探尋一種易實(shí)現、良率高又較為便宜的技術(shù)方案。[18]

　　繽紛色彩背后的挑戰

　　為什么顯示器能夠呈現得如此豐富多彩?因為顯示界普遍采用了RGB(紅綠藍)顏色系統，通過(guò)RGB三原色疊加合成，能夠實(shí)現肉眼可見(jiàn)的大部分色彩。想要Micro LED能夠正確描繪出畫(huà)面，就要做好色彩方案，即全彩化。

　　Micro LED彩色化主要有兩種解決方案：一種是藍色源轉色方案，但色轉換材料存在涂布均勻性和信賴(lài)性等問(wèn)題，應用較少;另一種是直接使用LED的RGB三色方案，但對Micro LED來(lái)說(shuō)，這種方案并不是拿來(lái)就能用，需要對LED大小進(jìn)行相應調整，此外由于各色波長(cháng)均一性差異，還會(huì )面臨光效率和良率不足的問(wèn)題。[14]

不同彩色化技術(shù)^[17]

　　產(chǎn)業(yè)鏈上的難題

　　造出Micro LED芯片并不代表著(zhù)結束，要讓它真正顯現在人們眼前，在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域上都要有所突破。

　　與其它芯片技術(shù)相同，Micro LED也將牽扯龐大的產(chǎn)業(yè)鏈與原材料問(wèn)題，從原料到點(diǎn)亮屏幕，分為上游、中游和下游，每個(gè)環(huán)節都與最終成品息息相關(guān)，其中較為關(guān)鍵的技術(shù)包括驅動(dòng)IC、驅動(dòng)背板和封裝。[19]

Mirco-LED顯示產(chǎn)業(yè)鏈^[19]

　　產(chǎn)業(yè)正蓄勢待發(fā)

　　作為終極目標，Micro LED無(wú)疑是顯示領(lǐng)域的明星。

　　2000年以來(lái)，得州理工大學(xué)教授提出Micro LED的概念，堪薩斯州立大學(xué)制備基于Ⅲ族氮化物Micro LED[20] ，學(xué)術(shù)界自此掀起研究浪潮。尤其在2006年后，開(kāi)始呈指數型增長(cháng)。谷歌學(xué)術(shù)數據顯示，截止目前，Micro LED領(lǐng)域已有近6000篇文獻。

　　世界各地研究機構與廠(chǎng)商也相繼投入Micro LED的研究，在消費電子巨頭牽動(dòng)下，Micro LED初步產(chǎn)業(yè)化。

　　2012年，索尼發(fā)布55英寸高清Micro LED電視面板Crystal LED，它是首個(gè)作為商業(yè)產(chǎn)品出現的產(chǎn)品;

　　2014年，蘋(píng)果公司收購Lux Vue，入場(chǎng)Micro LED的技術(shù)研究，這項技術(shù)真正開(kāi)始進(jìn)入大眾視野，迄今為止，蘋(píng)果不僅持續推動(dòng)Micro LED技術(shù)發(fā)展，還發(fā)布了多款Mini LED相關(guān)產(chǎn)品;

　　2018年，三星于CES展推出全球首款模組化拼接的146英寸Micro LED TV“The Wall”;

　　2020年12月，三星發(fā)售110英寸Micro LED電視;

　　2021年1月，Vuzix發(fā)布首款商業(yè)化的Micro LED AR智能眼鏡。[17]

　　從專(zhuān)利上來(lái)看，2002年～2014年，Micro LED專(zhuān)利申請總量較小。而自2017年開(kāi)始，申請量開(kāi)始大幅提升。[21]

Micro-LED發(fā)展歷程^[12]

　　由于技術(shù)難題較多，現階段Micro LED整體市場(chǎng)規模有限，業(yè)內預計，Micro LED在2024年將實(shí)現大規模商用化。[22]

　　據Research And Markets統計，2020年，Micro LED的全球市場(chǎng)規模為10億美元，預計到2027年將以77.1%的年復合增長(cháng)率增長(cháng)[23] 。另?yè)吖ぎa(chǎn)研LED研究所(GGII)預測，2025年全球市場(chǎng)規模將超過(guò)35億美元，2027年有望突破100億美元[24] 。反觀(guān)國內方面，有望在大規模商用化之后沖擊800億元市場(chǎng)規模。[22]

Micro-LED技術(shù)路線(xiàn)圖^[6]

　　目前市場(chǎng)側Micro LED應用分為兩大方向，一是以蘋(píng)果為代表的可穿戴市場(chǎng)，另一個(gè)是以三星、索尼為代表的超大尺寸電視市場(chǎng)。短期來(lái)看，市場(chǎng)將集中在超小型顯示器上，中長(cháng)期來(lái)看，Micro LED將會(huì )橫跨可穿戴設備、超大室內外顯示屏幕、抬頭顯示器(Head-Up Display，HUD)、車(chē)尾燈、AR/VR/MR、投影機等多領(lǐng)域。[25]

　　推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)主要包括三類(lèi)：第一類(lèi)為傳統LED芯片和封裝企業(yè)，如日亞、晶電Lumens等企業(yè);第二類(lèi)為T(mén)FT-LCD和OLED等新型顯示企業(yè)，如京東方;第三類(lèi)為終端企業(yè)，如索尼、三星、LG。

　　產(chǎn)業(yè)化形式上則以合作為主，Micro LED以定制化設計為主，加之技術(shù)要求較高，行業(yè)呈現高度整合態(tài)勢，面板、芯片、巨量轉移及驅動(dòng)IC等廠(chǎng)商抱團式發(fā)展。[26]

　　國際上，相關(guān)融資也此起彼伏，目標均指向大規模產(chǎn)業(yè)化。

2022年1月~11月中旬Micro-LED國際相關(guān)融資不完全統計，制表丨果殼硬科技

　　Micro LED在國內也受到熱捧，在政策上不斷傾斜，且投融資動(dòng)作頻繁?！?022 Mini/Micro LED顯示產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》顯示，僅2022年1月~8月，國內就有30多家企業(yè)有投資動(dòng)作，涉及資金總計達415億元。[10]

　　我國產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)也紛紛在LED、巨量轉移、彩色化、檢測、修復等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展技術(shù)合作，形成“京東方+華燦光電”“三安+華星光電”“富采+錼創(chuàng )+友達+群創(chuàng )”三大陣營(yíng)[27] 。與此同時(shí)，國內已展開(kāi)可穿戴顯示、高清移動(dòng)顯示、車(chē)載顯示、高清大尺寸顯示、超大尺寸拼接商用顯示樣機的研發(fā)及試產(chǎn)工作。[18]

2022年1月~11月中旬Micro-LED國內相關(guān)融資不完全統計，制表丨果殼硬科技

　　對產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，Micro LED未來(lái)之路非黑即白，從好的方面來(lái)看，市場(chǎng)前景一片光明，從壞的方面來(lái)看，短時(shí)是銷(xiāo)量的博弈。

　　一方面，市場(chǎng)下行，面板行業(yè)則是砍單風(fēng)暴的第一批“受害者”，消費電子需求不濟，不知道這種情況是否會(huì )在大規模商業(yè)化時(shí)有所緩解。

　　另一方面，對普通消費者而言，他們更多關(guān)注的是產(chǎn)品的性能、功能及價(jià)格，對于采用是哪種技術(shù)，并不會(huì )過(guò)多關(guān)心。對于顯示廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，最為重要的，可能便是思考如何讓更多普通消費者感受到Micro LED對生活的改變。