尋求智慧型手機的差異化設計並不容易。不過,顯示器可說是一項重要的因數,智慧型手機供應商都相信它是足以讓用戶發出讚歎聲的關鍵。因此,如果市面上出現了一種新的顯示器技術,它能在螢幕尺寸、解析度、亮度與功耗帶來明顯差異,就可能因而顛覆整個市場。

MicroLED真的存在嗎?

蘋果(Apple)最新發表的iPhone X是第一支配備OLED顯示器的iPhone——但比起其競爭對手三星(Samsung)和LG推出OLED手機的時間更晚的多了。當然,Apple並不像三星和LG一樣擁有自己的顯示器技術。

那麼,如果Apple也自行開發顯示器技術——不僅擁有OLED的所有優點,甚至更優越……好比說微發光二極體(MicroLED)呢?儘管Apple一直對此保持緘默,但該公司其實已經累積令人印象深刻的MicoLED專利產品組合了,而且有人猜測它正在其於矽谷的晶圓廠(2015年從Maxim購入)開發這項技術。不過,Apple並不是唯一一家致力於MicroLED的業界巨擘。

20171107_MicroLED_NT31P1 MicroLED顯示器採用微型LED晶片組成,和OLED一樣能自發光 (來源: Yole Développement)

MicroLED顯示器是由形成個別畫素的微型LED陣列組成。相較於OLED,MicroLED採用傳統的氮化鎵(GaN) LED技術,可支援更高亮度、高動態範圍以及廣色域,以實現快速更新率、廣視角與更低功耗。MicroLED的支持者宣稱其整體亮度較OLED更高30倍,同時提供更高的每瓦流明效率。

20171107_MicroLED_NT31P2 Apple Watch Series 3智慧手錶仍配備OLED顯示器

長久以來,Apple是否會改用MicroLED一直是Apple觀察家和顯示器技術專家之間熱烈討論的話題。例如早在Apple Watch Series 3發表以前,坊間已盛傳這款智慧手錶將搭載MicroLED。

然而,根據 Yole Développement資深市場和技術分析師Eric Virey估計,MicroLED至少要到2019年以後才可能出現在穿戴式裝置市場,如Apple Watch。不過,Virey認為電子產業現在就應該更加重視這項技術,因為MicroLED的出現不僅將會改變行動裝置樣貌,還可能使得顯示器市場排名重新洗牌。

Google加入競爭行列

目前積極在MicroLED領域佈局關鍵專利、製造技術和專業知識的競賽中,並不包括位於亞洲的傳統消費性顯示器製造商;相反地,都是一些像Google、Apple和華為(Huawei)等重量級廠商持續大力投資於MicroLED。

Google日前藉由投資瑞典製造商Glo,取得了進入MicroLED的門票。瑞典的一家網站報導Glo透過直接授權Google獲得了1,500萬美元,也讓Google取得Glo約13%以上的股權。雖然有關這項消息的報導不多,但Google投資Glo之舉反映業界對於這項得以實現虛擬實境(VR)眼鏡、手機與平板電腦的新興顯示器技術興趣日益增加。

率先讓MicroLED浮出檯面的是Apple於2014年收購Luxvue——這是一家為消費電子應用開發低功耗MicroLED顯示器的新創公司。Apple對於Luxvue的投資造成市場開始傳聞和猜測Apple將力推MicroLED。

Facebook的Oculus Rift VR業務部門也在一年前收購了一家名叫InfiniLED的新創公司,該公司在2011年從愛爾蘭廷德爾國家研究所(Tyndall National Institute)獨立出來。

今年稍早,富士康(Foxconn)透露對於MicroLED的興趣。富士康與其子公司夏普(Sharp)聯手收購了eLux約31.82%的股權;eLux是一家專注於為VR和擴增實境(AR)裝置研發MicroLED技術的新創公司。

一連串圍繞著MicroLED新創公司展開大量投資和收購的活動,反映技術產業永無止境地追求新一代顯示技術。

整個供應鏈都面臨挑戰

Virey指出:「我們已經看到了經概念驗證的MicroLED顯示器原型。技術已經到位了,而今仍不足的是成本和良率——但這也是MicroLED得以實現大量生產的關鍵。」再者,他補充說,MicroLED的挑戰存在於整個供應鏈中。

製程挑戰

理論上,製造MicroLED應該就像製造LED晶片一樣。但是,一般的LED製造設備並不適合這項任務,主要是因為MicroLED晶片遠比一般LED晶片更小。這表示為了製造MicroLED,LED晶片廠需要另外打造一個擁有「更乾淨的無塵室」和「更高解析度微影技術」的新製造設施。

Virey認為半導體代工廠會更適合些。例如,為了克服MicroLED製造的第一個障礙,「如果Apple與台積電(TSMC)合作,應該會更有幫助。」

能源效率挑戰

生產LED晶片經常導致一些微小的「側壁」損壞,通常是在250 x 250微米(us)的LED晶片上出現約1-2us的缺陷。但是,Virey解釋,製造MicroLED所需的LED晶片小至5x5us,2us的側壁缺陷已經足以導致破壞性的影響,留下的可用面積極其微小,大約僅佔總晶片尺寸的4%。

20171107_MicroLED_NT31P3 MicorLED的側壁缺陷導致可用面積大幅縮小 (來源: Yole Développement)

為了解決這個有關能源效率的問題,MicroLED產業必須採取「雙管齊下」的做法。Virey指出,這可能涉及新晶片的設計和製造發展。例如,Glo正致力於研發奈米線。從CEA-Leti獨立而出的法國新創公司Aledia則著重於研發類似的微米線技術。

組裝挑戰

除了製造微型LED晶片外,Virey說,另一個更大的問題是與MicroLED有關的組裝挑戰——「如何將這些微型晶片轉移到顯示器的背面?」將每一個LED移植到6吋的MicroLED顯示器,大約需要4天的時間。Virey說,其實目前已有十幾家公司正試圖解決這個「晶片移植技術」的問題,而解決這個問題的方法之一就是Virey所說的「單片式途徑」。

單片式途徑讓MicroLED能以最終顯示器的間距直接生長在晶片上。但這種單片式途徑對於具有高畫素密度(例如>2000PPI[畫素/英吋])的微型顯示器極其有利,但並不能成為MicroLED的通用解決辦法。

為什麼呢?因為LED晶圓尺寸被限制在4x6英吋。如果顯示器間距太大,大部份珍貴的晶圓面積都會被浪費掉。Virey說:「想像在晶圓表面放置100um間距的5um MicroLED,你可是浪費了99.75%的晶圓表面啊!」

對於行動裝置、電視和顯示器所需的大尺寸顯示器而言,大多數MicroLED顯示器製造商都使用「拾取和放置」的方法,將微小的LED晶片放置在顯示器背板。

20171107_MicroLED_NT31P4 MicroLED的供應鏈(來源: Yole Développement)

缺陷管理和維修策略

Virey說,在各種有關MicroLED顯示器製造的問題中,業界最需要的是制定缺陷管理和維修策略。畢竟在大多數高階顯示器保證零缺陷的時候,MicroLED顯示器將難以因應PPM缺陷率的競爭。

假設MicroLED的良率(結合了外延和晶片製造)是99.9%,而移植與互連良率也是99%,二者相乘的結果是使MicroLED的組合缺陷率為2000ppm。這當然不夠好,因而正引發業界展開大規模的研究,積極尋求開發MicroLED測試的方法。

誰將會勝出?

Virey指出,追逐MicorLED專利的行動並不只是Apple一家公司,Google和Facebook也正積極投入這項技術。此外,還有許多研究機構、顯示器製造商、LED製造商、半導體公司和新創公司等等,太多的「有智之士」都積極參與其中。

20171107_MicroLED_NT31P5 越來越多來自各家研究機構、顯示器製造商、LED製造商、半導體公司和新創公司投入參與MicroLED領域(來源: Yole Développement)

在這些參與廠商中,Virey觀察到,Apple (在收購Luxvue之後)「目前擁有最廣泛的MicroLED專利組合。而LG和華為也是強大的競爭對手。」

Sony同樣是MicroLED技術的早期開發商。該公司自2008年以來致力於MicroLED的創新,並曾在2012年CES展示55吋的全高解析度(Full HD) MicroLED電視原型。但Virey說,Sony自那次之後的發展重心似乎轉向了大尺寸螢幕的工業/商用市場。

未來誰將在此領域勝出還有待觀察,但Yole將智慧手錶視為MicroLED得以最早實現的目標應用。另一方面,Virey也強調,MicroLED「將不會完全取代OLED和LCD,而是最終在諸如穿戴式裝置、AR、MR和抬頭顯示器等利基應用領域處於強勢地位。」

20171107_MicroLED_NT31P6 MicroLED顯示技術的發展藍圖(來源: Yole Développement)

編譯:Susan Hong

(參考原文:MicroLED Pits Big Apple vs. Tiny LED Chips,by Junko Yoshida)