micro LED真會取代LCD和OLED?

作者 : 黃燁鋒,ESMC

以過去的經驗來看,隨著micro LED技術的成熟,OLED和LCD (mini LED屬於LCD範疇)是否會被替代?或許這個答案並不簡單…

業內根據LED晶片尺寸的大小,來定義不同的LED技術。例如,當LED晶片尺寸小於150μm時,被稱為mini LED;而當LED晶片尺寸在50μm以下時,被稱作micro LED。伴隨背光LED晶片尺寸越來越小,顯示面板的結構也隨之發生變化。

當LED晶片的尺寸小到畫素等級時,每一個畫素對應一個micro LED晶片。由於micro LED可自發光,能控制明滅、亮度和色彩,相較於傳統的LCD螢幕,micro LED可省去液晶層、濾光片結構。

micro LED的螢幕結構與OLED較接近,都具備畫素自發光、結構簡單、發光效率高的特點。不過,micro LED的材料壽命遠高於OLED,其穩定性也更強。

從技術成熟度來看,micro LED離真正的規模化量產還有一定的距離,其量產成本仍居高不下。實際上,OLED早年也經歷過這一時期,雖然現在OLED的大螢幕成本仍遠高於LCD,但是已經達到能被普通家庭用戶接受的範圍。

以過去的經驗來看,隨著micro LED技術的成熟,OLED和LCD (mini LED屬於LCD範疇)是否會被替代?或許這個答案並不簡單。

micro LED離大螢幕製造還略遙遠

首先,需要明確的是,micro LED在發展前期,很難應用在大面板上。就如OLED一樣,micro LED大面板製程極大程度受制於良率和成本。

LED晶片變小,其帶來的價值比大家預想的更大。如果觀察micro LED的製造流程,發現它從晶圓上生長出來,最終需要被轉移到螢幕背板(back plane)上。如果一片螢幕的解析度是1,920 × 1,080,螢幕的畫素數量超過200萬個,每個畫素由紅綠藍三個子畫素構成。如果是micro LED螢幕,意味著這片螢幕上有600萬個micro LED晶片。

憑藉當代半導體製造製程,在晶圓上生長出600萬個micro LED晶片並不困難,難的是要將這600萬顆micro LED晶片轉移到背板上。業內將這個轉移過程稱為巨量轉移(mass transfer)。即使是市場上高階的mini LED螢幕,如2021款iPad Pro 12.9″,其背光層也僅有10,000顆mini LED而已。因此,巨量轉移是micro LED製造中的一大難點。

針對巨量轉移問題,市場上存在著不同的解決方案。其中,比較主流的兩大類分別是:整片全體轉移和分批拾取放置(pick-and-place)。整片轉移適用於小尺寸螢幕,因為螢幕面板足夠小,所以才可以整片轉移;分批拾取放置的技術難度更大,大螢幕只能採用這種方案來實現巨量轉移。

巨量轉移不是micro LED面板製造的唯一技術難題,但它是制約大小螢幕micro LED製造的分水嶺——當然,大螢幕能做到多大主要取決於成本,三星(Samsung)和索尼(Sony)首次展示的micro LED大螢幕電視的成本都超過了百萬美元。

在最近幾年的顯示技術展會上,廠商展示的micro LED產品已經趨向務實。在今年的SID Diplay Week上,天馬微電子、友達光電、錼創科技等廠商展示的micro LED產品,都是針對汽車儀錶板、電子紙等小螢幕應用。當然,即便展示的是大螢幕應用,目前其參數優勢也並未大幅超越OLED/LCD。

現階段的機會

結構上的顯著優勢決定了micro LED高畫素密度、高亮度、高對比、快速回應的特點。高畫素密度、高亮度和高對比可以從結構顯著感知,此前的原型產品展示中,就已經有廠商展示過上萬ppi (每英寸的畫素數量)畫素密度的顯示器。

由於micro LED晶片小到畫素等級,它可以用單畫素不發光來顯示真正的黑色。同時,micro LED顯示器中的超小型LED,在將電轉化為光子方面更為高效,micro LED比OLED、LCD更亮;基於較高的電子遷移率,micro LED的開關速度可達奈秒(ns)等級。

由於製程的限制,micro LED前期僅適用於小螢幕,比如格外適用於AR/VR類應用,包括娛樂的護目鏡產品。

AR/VR對顯示亮度、對比度、畫素密度和回應的要求遠高於手機類消費電子產品,LCD、OLED在技術上很難滿足這類應用的需求。很多消費者回饋,現在的AR/VR應用容易致人眩暈,缺乏沉浸感,其實這很大程度是受限於LCD、OLED的技術本身。而micro LED在AR/VR領域的應用顯著克服了這個問題,或許AR/VR未來發展的關鍵,取決於micro LED技術的突破。

另外,micro LED晶片的小型化有利於面板的軟性、透明化,錼創科技就曾展示過軟性+透明的螢幕。「軟性」、「透明」、「可折疊」正是螢幕顯技術這兩年來的熱點,在某種程度上是實現產業突破的關鍵。

《國際電子商情》(ESMC)分析師從面板供應鏈上游的LED晶片製造商處獲悉,micro LED前期應用會專注於穿戴式裝置、AR、VR,以及車載小螢幕產品上,從技術上看是順理成章的事。

值得一提的是,雖然micro LED比LCD/OLED存在著不少技術優勢,但是其中的一部分優勢仍停留在理論階段。比較具有代表性的是外量子效率(EQE)——它可以理解為發光效率。micro LED顯示器的螢幕結構,相比LCD去掉了液晶、色彩濾鏡、偏振片,相比OLED則無需複雜的封裝技術,理論上micro LED顯示器的發光效率遠高於後兩者。

不過,micro LED極小的尺寸,致使晶片受側壁效應的影響非常大——這是製造過程中出現的工程問題,因此micro LED的實際EQE極為低下,甚至可能還不及LCD、OLED。側壁效應的存在也令micro LED更難量產出理想的大螢幕應用。所以,市面上現有的micro LED方案都遠未體現micro LED本身的技術優勢。

與LCD/OLED之間應用互補

micro LED的各種技術挑戰,是諸多市場參與者競相嘗試解決的難題。micro LED的技術特性還決定了未來顯示產業鏈結構的變化,micro LED的小型化讓面板製造進一步朝半導體技術傾斜。

舉個簡單的例子,由於micro LED的小型化,使得顯示器的背板部分由非晶矽或低溫多晶矽薄膜電晶體(TFT)開始向CMOS技術過渡。具體來看,背板是用來控制每個畫素點亮、熄滅、灰度級的電路層。相較於非晶矽和低溫多晶矽,單晶矽具備更高的結晶品質和電性質,CMOS開始成為一種選擇。所以一般的IC製程就能進行背板的製造了,這是顯示產業與半導體產業進一步融合的顯著表現之一。

CMOS僅限於小尺寸螢幕。在生產大尺寸螢幕時,CMOS也將面臨成本問題。因此,非晶矽和低溫多晶矽TFT仍然是大螢幕micro LED製造的必要技術。

Hendy Consulting對micro LED的早期觀察認為,micro LED供應鏈可能會出現價值轉移。這由其技術特性決定,因micro LED向IC製造逐漸靠攏,挑戰了傳統面板廠商的地位。

預計未來的產業鏈會存在4種可能性:第一種是傳統顯示產業玩家(如三星、LG、京東方)仍然處於中心地位,只是價值會被稀釋;第二種是具備垂直整合能力的廠商,如蘋果(Apple)收購的LuxVue、Google投資的Glo AB,將在micro LED世界中佔據統治地位;第三種是新的產業格局構成,產業價值可能向LED晶片製造商、半導體製造商和持有關鍵IP的企業(或多方合作)轉移;第四種則是micro LED可能不會成為市場主流。

從韓國、台灣及中國這兩年的市場動向來看,micro LED的相關投資正大規模增加,產業鏈的上下游企業也在積極合作。而在2018年之前,micro LED的市場玩家各自為政,不同的企業有不同的技術方向,而且這些技術方向差別甚大。

考慮到micro LED製造技術可能需要以應用為導向,來客製系統性的製造流程——這與LCD/OLED大不一樣。各自為政的局面不利於micro LED的市場發展,而且某一大類技術存在不同的技術方向、沒有共同的標準,只是產業處在發展初期的表現。2020年開始,業內出現了大量合作,這正是micro LED正走向成熟的徵兆。

其中的市場變數非常大,《國際電子商情》分析師認為,Hendy Consulting分析的產業發展方向可能過於簡單。在其看來,不僅是近1~2年市場投資與合作風向的變化,還在於micro LED未來或許會有個長期發展的可能性。

就像當年OLED出現並未完全取代LCD那樣,micro LED前期作為一種在小螢幕、AR/VR上具備發展潛力的技術,它極有可能會與OLED、LCD長期並存。只是三者負責的應用方向各不相同,如micro LED專注於小螢幕和AR/VR市場,並且在高階市場上吃掉OLED、LCD的部分價值。雖然OLED與LCD的市場規模會縮小,但從技術和市場來看三者將形成微妙的互補關係,而不是micro LED取代OLED或LCD。

本文原刊登於國際電子商情網站

 

 

 

 

 

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