Micro LED螢幕走到哪兒了?

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

技術的分散性,以及製造製程需從系統角度出發,這兩者的相悖可能為Micro LED本身的發展增添了諸多不確定性。

如果說Mini LED背光,仍屬於LCD液晶顯示器範疇的技術,那麼Micro LED從整個螢幕和面板和角度來說則是跳脫到LCD和OLED之外的。之前探討Mini LED背光技術一文中所說,傳統LCD顯示器的層級結構中,有一層是背光層。有了這層背光,螢幕才能點亮,並顯示各種色彩。

上世紀90年代開始,某些製造商開始將LED用於背光層——LED具備更廣色域、更節能、更薄等特點。不過那個時候的LED成本還是比較高,而且散熱成問題,加上較低的光電轉換效率等缺陷,LED其實並沒有被廣泛地應用於LCD顯示器。

從2000年開始,白光LED晶片技術步入成熟,後續幾年LED就在短時間內完全替代了冷陰極螢光(CCFL)。現在一般消費電子產品的LCD螢幕都以LED為背光——當然LED背光本身也有不同的技術走向。

 

 

與LCD、OLED結構根本不同

當這種LED晶片尺寸變得越來越小,小到一個螢幕下就有幾千、幾萬顆LED,而且這些LED還能在畫面某些區域顯示黑色時完全熄滅,那麼就可將這種螢幕稱作Mini LED螢幕。通常Mini LED螢幕仍然是LCD結構,因為Mini LED主要就是對LCD螢幕背光部分的變動。

如果LED晶片尺寸再變小,小到50μm以下,小到畫素等級,則就可稱其為Micro LED。但在LED已經小到畫素級的尺寸時,它們可以自行控制單個畫素的點亮與熄滅,也就不需要傳統LCD螢幕的液晶層、色彩filter層的存在,螢幕面板結構也發生了很大的變化。那麼Micro LED螢幕也就不再屬於LCD範疇,其結構與OLED螢幕更靠近;不過Micro LED並非有機發光材料,所以Micro LED螢幕也不是OLED。

 

 

於是在顯示領域,Micro LED可能成為冉冉升起的另一類螢幕存在。但Micro LED的前景是不明朗的:今年12.9吋版的iPad Pro應用Mini LED,蘋果(Apple)宣稱這螢幕的LED背光數量超過了10,000顆——聽起來還蠻多的,但當LED尺寸小到畫素等級,也就意味著即便是1,080p解析度的面板,LED背光數量也將超過600萬顆(1080 × 1920 × 3),完全不在一個量級。所以Micro LED的技術挑戰也是不同以往的,畢竟Mini LED也才剛剛開始大規模進入市場。

本文將重點放在Micro LED螢幕表現出的優勢,及其應用場景上。與此同時,Micro LED這個新角色的存在,可能對整個顯示行業、現有市場參與者、行業價值鏈產生極大程度的影響。此時再看Micro LED,雖然它作為顯示器的發光元件存在時,也只是尺寸比Mini LED更小,但它的存在卻一點也不是變小這麼簡單。

 

(來源:Yole Developpement)

 

它比LCD/OLED好在哪兒?

自Sony 2012年率先展示Micro LED電視面板,相比當時Sony的其他電視產品高出3.5倍的對比度、1.4倍色域、10倍回應速度,令人眼前一亮。2014年蘋果宣佈收購LuxVue,則為Micro LED的發展注入了一劑強心針;不過當2016年,Sony再度發佈Micro LED晶片尺寸0.003mm2的CLEDIS電視時,當時高達1.2億日元的報價,還是讓人感覺看看就好。

不過這不影響本文深入瞭解Micro LED展現出的魅力。京東方在一次公開演講中曾經公佈過三種顯示器的各項參數對比,如下圖所示。雖然這張表的部分參數有待商榷,比如LCD的色域、對比度、功耗等參數,畢竟LCD/OLED技術也在持續進步;不過大方向上,Micro LED顯示器的優勢是毋庸置疑的。這裡還有一些參數是沒有列出的,包括畫素密度(ppi)、可視角度等。

 

 

值得一提的是,其中的EQE (外量子效率,可理解為發光效率)、功耗兩項,Micro LED的領先優勢部分停留在理論階段。Micro LED在實操中,實際的效率和功耗表現暫時都弱於LCD和OLED。尤其是Micro LED作為體積小了很多的LED,EQE相比傳統LED直線下降,且受到側壁效應(sidewall effect)的影響相當嚴重——這本來就是Micro LED在新生階段遭遇的技術挑戰。

來逐項看看Micro LED的優勢如何形成,便於更好地理解Micro LED這類顯示器形態。從亮度的角度來說,Micro LED相比LCD和OLED就有著數量級上的優勢(雖然這項優勢可能也暫時受限於實際的實施方案)。OLED不用多說,有機發光材料的壽命和亮度本來就是其短板;而LCD則主要受限於複雜的結構,包括整個光學系統、偏振片、色彩filter等,導致了亮度的大量損失。

此前Google收購的一家名為Glo AB的公司就曾演示過亮度達到10,000nit的小尺寸Micro LED顯示器。要知道我們現在用的高階手機螢幕峰值亮度達到1,200nit就不錯了,PC大螢幕的亮度普遍在500nit左右。在10,000nit這樣的亮度下,OLED基本上會在幾秒內燒壞。

對比度方面,LCD因為背光層的存在,對比度很難做高——Mini LED部分緩解了這個問題。OLED則因為畫素自發光,在顯示黑色時可以「熄滅」整個畫素,對比度理論上可以做到無限高;Micro LED也是自發光,所以高對比不在話下。不過當探討現在流行的ACR——環境對比度的時候,OLED則因為亮度上限低,在環境對比度上將顯著弱於Micro LED。即在戶外強光場景下,Micro LED將具備顯著更高的可用性,而且這也決定了Micro LED要實現HDR內容顯示是輕而易舉的。

在穩定性和壽命的問題上,Micro LED晶片本身就是在高溫下生長的,理論上可以具備更廣的工作溫度範圍,加上更好的散熱效率,使用壽命也將遠超OLED和LCD。尤為值得一提的是,壽命對OLED所用的材料而言,可謂是缺點中的缺點(尤其是藍光材料)。而且OLED對水氧非常敏感,所以對封裝製程會提出更高的要求,OLED在結構上因此會比Micro LED更複雜。

 

 

回應時間這個參數對遊戲玩家而言是有價值的,這一點主要是基於Micro LED較高的電子遷移率,致其開關速度可以達到ns,領先OLED/LCD。這項特性對於AR、VR應用可能具備了更大的價值;該屬性對可見光通訊應用也有相當的價值。

另外如前所述,在功耗和效率的問題上,Micro LED理論上會有優於LCD/OLED表現。「理論上」的這一設定讓Micro LED更適用於使用電池的小型設備,比如穿戴式裝置,而且預期中的功耗會有顯著優勢。理論上Micro LED的EQE (EQE具體是指發射到外部的光子數,與流過結的載流子數目的比)可以達到80%,但實際卻會低很多。這也是Micro LED技術研發中的重要挑戰,令現階段其實際EQE和功耗表現都弱於LCD和OLED。

這張表格還有一些未列出的參數,比如說ppi (每英吋的畫素數量)畫素密度,已經有廠商展示過上萬ppi的Micro LED顯示器。可能在賈伯斯的宣傳下,很多人認為手機螢幕只需要超過300ppi就有了上佳的細膩度表現。但在其他領域,尤其是AR、VR、投影機等應用下,>1,000ppi的需求是常態。LCD在實現高畫素密度方面有比較大的弱勢;而OLED理論上是可以實現高畫素密度,但要在現有的製造流程中實現OLED高畫素密度,經濟效益並沒有那麼好。

 

Micro LED製造流程中的mass transfer。

(來源:MicroLED-info)

 

Micro LED在製造製程上向半導體製造製程進一步靠攏甚至融合,包括Micro LED在晶圓磊晶生長、LED晶片的mass transfer方面,以及背板(backplate_在小尺寸螢幕應用上開始採用CMOS——而非傳統的a-Si或LTPS TFT (當然大螢幕應用仍然會是LTPS TFT)。在Micro LED晶片本身小至微米之後,Micro LED不僅能實現高很多的ppi,而且對大螢幕設備而言,Micro LED以更稀疏的方式排列,給了顯示器實現更豐富特性的餘地。

有這麼多的優勢,感覺Micro LED實在是太美好了。但最終極的一個對比屬性這裡也沒有列出,那就是成本。在LCD、OLED走向成熟的時代,Micro LED現階段甚至都還無法走向大規模量產,其成本當前自然是不可言說的。Micro LED現存的各種製程技術挑戰,也令其前途不是很明朗。

時代下的應用與市場現狀

Micro LED的特性說到底就是小,小到帶動了整體顯示結構的顯著變化,甚至波及顯示產業價值鏈構成的程度。Mini LED與Micro LED的區別,可以認為是LED技術量變和質變的區別。

不僅限於顯示,Micro LED在照明、光通訊等領域也是有相當的應用前景的,包括在生物醫療健康領域——比如說在光遺傳技術、神經刺激方面去替代傳統的電刺激,十多年前就已經有應用先例了。

 

 

如果只談顯示領域的話,Micro LED作為未來有機會替代LCD、OLED的技術,實際上有著更大的應用磊晶。比如說前文提到,其高ppi、高亮度、高對比、快速回應時間的特性,就決定了它對於未來的AR、VR類應用,具備將體驗大幅提高的能力。這類型的應用對亮度、對比度和畫素密度等的貪婪需求,是遠超手機螢幕之類的顯示裝置的,且LCD和OLED應付AR、VR實際上很吃力。

而且像AR、VR、頭戴顯示器、穿戴式裝置小螢幕、投影機之類的應用更有潛力成為Micro LED第一批大規模應用的場景。因為Micro LED的製造難點主要在mass transfer,以及低EQE、受制於嚴重的側壁缺陷效應;而小螢幕Micro LED製造,是一定程度規避了其中難點。

比如說mass transfer——也就是將Micro LED從晶圓轉移到螢幕背板上的過程。對大螢幕設備而言,這個過程將變得非常複雜和困難,而小螢幕則可以採用一次整片轉移的方法,雖然也存在技術挑戰,但總體複雜度會低不少。此外,小螢幕應用的電流密度會比較高,側壁效應的影響會顯著更低,並促成EQE達到相對更高的值。

 

錼創科技展示的Micro LED透明螢幕。

 

這裡比較值得一說的是,Micro LED在透明和軟性螢幕製造上的天然優勢。小型化的Micro LED對於實現螢幕的透明和軟性化都是有意義的。前兩年錼創科技就演示過透明+曲面的Micro LED螢幕,而且Micro LED本身的高亮度特性也能夠顯著提升透明螢幕的實用性。

而這兩個屬性,也讓Micro LED在穿戴式裝置,比如AR眼鏡、智慧腕表等領域具備了更具前瞻性和未來感的應用場景。至於更多大螢幕方向替代LCD和OLED,那可能還是個長期而艱巨的任務。LED製造商也都提過,Micro LED會率先應用到可穿戴、AR、VR,以及車載小螢幕產品上,更大眾的放量至少也要等到2024年——這可能還是個比較樂觀的估計。

所以蘋果若更早產出Micro LED成果,則未來率先應用Micro LED顯示器的裝置,應該是智慧眼鏡或智慧手錶。

 

Sony價值達上億日元的CLEDIS電視。

 

若要談Micro LED的發展現狀,那麼這類螢幕現在主要是展會的常客,離進入尋常百姓家和大規模的工業應用還是有距離的。去年的SID Display Week上,展示Micro LED能力的如友達光電——展示的是Micro LED車用面板,包括應用於儀錶板、中控台等駕駛艙應用;天馬微電子,以及供應鏈上的其他參與者(如材料供應商)也有Micro LED技術展示。

中國面板製造商、LED晶片製造商等市場參與者,對於Micro LED普遍有比較高的預期。京東方就多次強調過Micro LED是未來技術發展的重要方向,今年CES上有對應產品技術展示,其玻璃基AM Micro LED還拿到了CES「年度創新顯示應用產品獎」。

韓國、台灣的諸多面板製造商都在朝Micro LED面板努力,中國的供應鏈相關企業表現得更加積極,包括京東方、TCL/華星光電、天馬微電子這些面板廠商都在Mini LED/Micro LED的R&D方面加大投入。LED供應鏈上,三安光電、華燦光電、國星光電、聚飛光電等這兩年都在開展工作。

LED晶片製造商三安光電就將Mini/Micro LED作為開發策略的重點,2019年三安光電宣佈投資人民幣12億元在湖北鄂州的葛店經濟技術開發區針對研發生產做佈局;去年,三安光電與華星光電宣佈合作成立聯合實驗室,投入人民幣3億元共同開發Micro LED材料、製造製程和設備。利亞德與晶元光電、利晶去年底共同成立了Micro LED研究院。

去年底三星電子宣佈在韓國市場開售一款110吋的Micro LED電視,售價是1.7億韓元——也就是超過了人民幣100萬元。LG等廠商也有類似的發佈動作,大抵上都屬於看個寂寞的操作。2018年三星曾經發佈過一款名為The Wall的Micro LED顯示器,那款產品的LED尺寸實際已經不大能夠被稱作Micro LED了,當時的售價也依然是相當高昂。

顛簸中的價值鏈

Hendy Consulting前幾年針對Micro LED生態參與者總結過一張圖,如下圖所示,或許這張圖已經相對過時了,但仍可作為瞭解該產業的參考。當時主要的市場參與者以各自的能力構成了不同的「群組」,很多廠商還沒有加入到完整的網路中來。

 

 

從Micro LED生長,到這些LED的mass transfer,以及背板的製造,產業內可能都還沒有廣泛被接受的大方向技術;甚至在不同方案下,Micro LED晶片結構都可能差異較大。現有的市場參與者更像是各憑本事在摸索。

一個比較有趣的事實是,Micro LED的生產製造可能更需要從系統和全域的角度,對製程做出選擇——而且每個階段的技術有時又是環環相扣的。甚至製造商需要以應用為最終導向來選擇對應的製造材料和方法(比如AR、VR這種高畫素密度、小螢幕設備,在Micro LED技術方向,乃至材料上的選擇就與大螢幕電視大相徑庭)。

技術的分散性,以及製造製程需從系統角度出發,這兩者的相悖又可能為Micro LED本身的發展增添了諸多不確定性。

與此同時,Micro LED製造製程給現有顯示領域的傳統市場參與者提出了新的要求。Micro LED的製造要求多個領域、長鏈條的專業技能,包括更高要求的磊晶生長、晶圓製造、晶片轉移、背板製造燈。比如高ppi的小尺寸Micro LED螢幕,可能在背板上選擇CMOS製造製程——傳統矽積體電路製造工廠具備了更高的適用性。

這些不同以往的技術特點,可能會造成顯示產業的價值鏈整體顛簸,或價值重心的轉移。未來佔據新制高點的企業可能未必是傳統的顯示企業,比如價值將向材料與設備供應商、LED供應商與矽晶圓廠,或者更具垂直整合能力的企業等傾斜;而不少顯示產業的傳統市場參與者的重要性可能會下降。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

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