Micro-LED如何解锁高清无码？

复活的鬼是丑鬼 · 发表于 2022-11-29 07:21:33

五年前，苹果iPhone X开始搭载OLED（有机小分子电致发光显示）屏幕；2021年，苹果在新款MacBook Pro上搭载了新的显示技术：Mini-LED（次毫米发光二极管）。但Mini-LED不是终点站，苹果涉足的另一项储备技术，新秀Micro-LED（微米发光二极管）显示技术或有望一统江湖。
         之所以升级显示技术，都是为了看得更清晰、更还原真实世界。但目前，搭载Micro-LED技术的产品过于昂贵，如三星110英寸的Micro-LED电视，价格已超过百万元，普通人根本无福消受。Micro-LED产品价格何时才能亲民，手机平板何时才能上Micro-LED屏幕？
         本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第十七篇文章，关注Micro-LED国产替代。在本文中，你将了解到：Micro-LED为什么被称作终极显示技术，Micro-LED的产业化难点，Micro-LED市场情况。
         付斌丨作者
         李拓丨编辑
         果壳硬科技丨策划
         改变人类生活的显示技术
         简单来讲，你可以把Micro-LED理解成将LED缩放到极小尺寸的一种新型显示技术。其未来应用有望涉及显示器、电视、手机平板显示、增强现实/虚拟现实/混合现实（AR/VR/MR）、空间显示、柔性透明显示、可穿戴/可植入光电器件、光通讯/光互联、医疗探测、智能车灯等领域。
         业界使用两种方法界定Micro-LED的技术规格。
         一是通过芯片尺寸界定，将LED芯片缩放至小于100μm，便可称为Micro-LED芯片（也有学者认为应以50μm为界）。根据观看距离和人眼的极限分辨率，对芯片尺寸的要求也不同：
         VR/AR应用观看距离约5cm，像素密度要达到1800PPI左右，此时Micro-LED芯片尺寸为3~5 μm；
         10英寸~12英寸的平板至少要达到300PPI的像素密度，对应芯片尺寸为20~30μm；
         75英寸的电视则只需43PPI，芯片尺寸往往为200μm左右。[1]
         不同应用对Micro-LED芯片尺寸的要求，制表丨果壳硬科技参考资料丨《电子工业专用设备》[2]
         另一种是通过工艺界定，由于Micro-LED芯片尺寸非常小，其长宽甚至比芯片的高度还小，导致芯片高度大于固晶面尺寸，不利于芯片在基板上固定，因此会比传统LED增加一步激光剥离芯片基板的操作。
         纵观整个显示行业，技术持续涌现，目前市场主流技术包括TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示）、AMOLED（主动矩阵有机发光二极管显示）、QD-OLED（混合OLED和QLED的技术）、QNED（以蓝光LED作为光源的QD-OLED显示）、Mini-LED、Micro-LED、Micro-OLED。
         可以简单将现阶段显示技术分为LCD、OLED、QLED、Micro-LED四个大类，其他技术是在此基础上的改良版或过渡版，而Micro-LED被认为是理想的显示技术，是新型显示时代的终极目标，有望替代现阶段大面积使用的LCD和OLED。
         从黑白到高清彩色，CRT技术满足了一代人对影响世界的梦想。从又厚又重到平板显示，LCD和OLED满足了人们对轻薄、便携、对视力友好的要求。而现阶段，唯一能达到更接近现实，甚至是能够骗过人眼的下一代显示技术，是Micro-LED。[3]
         行业人士认为，当多种显示技术集中爆发后，最终可能只会有一两种技术能主导市场，而最有希望的无疑是Micro-LED。[1]
         主流显示技术的分类，制图丨果壳硬科技参考资料丨《Micro LED显示研究报告（2019）》[4]，《电子工业专业设备》[2]
         Micro-LED凭什么能获得如此高的评价？因为它不仅拥有LED的大部分优点，还具有高亮度、高分辨率、高响应速度、低功耗、体积小、易拆解、灵活度高、无拼缝等特征，能够覆盖绝大多数显示应用场景[5]。与此同时，它的响应速度能够达到几十纳秒，没有残像且不存在寿命问题。[3]
         除此之外，对比LCD、OLED、QLED等前辈，Micro-LED的主要性能参数均较为优异。
         现代显示技术比较[1]
         过渡技术已大规模商业化
         Micro-LED还有一个近亲：Mini-LED，可以将后者理解为LED与Micro-LED间的过渡技术。由于技术原理极为类似，业界普遍将二者归结于一个路线中，有些情况也会被合称为MLED。
         作为前序技术，Mini-LED主要解决的问题是芯片尺寸断层问题，相关技术发展对Micro-LED具备一定的借鉴作用，其芯片尺寸一般为75μm~300μm。
         LED全景图[6]
         Mini-LED要比Micro-LED实现起来简单地多，不仅在芯片尺寸上更容易被实现，而且在材料上也没有科学性的难题，已被量产投入到市场中，苹果、三星、TCL等品牌已实现规模化量产。
         但Mini-LED与Micro-LED有不同应用场景，市面上Mini-LED一般作为LCD背光源出现，再结合量子点技术，实现高动态范围显示，而Micro-LED则直接用于制作显示像素[7]。简单来说，市售的Mini-LED显示器本质上还是LCD，Mini-LED只是LCD的一个陪衬，而Micro-LED显示器则直接发光成像。[8]
         自2018年开始，面板厂商陆续发布使用Mini-LED作为背光的样机，产品尺寸达到152.4mm~685.8mm（6~27英寸），至今为止，Mini-LED背光的显示器已拥有1398mm（55英寸）、1651mm（65英寸）、1905 mm（75英寸）和2159 mm（85英寸）等型号，可达8K分辨率、120Hz刷新率的高指标，可将现有显示器对比度由10000∶1拉升至1000000∶1。[9]
         Mini-LED产业化行径明晰，已具备一定出货量。2021年，全球中尺寸Mini-LED背光面板出货量达740万片。到2023年，智能汽车将成为Mini-LED的新阵地。[10]
         基于Mini-LED背光产品的发展路线[9]
         作为中间过渡的Mini-LED产业一派欣欣向荣之势，而Micro-LED依然小众，那想让么Micro-LED出圈，究竟难在哪里？
         想造，没那么容易
         Micro-LED什么都好，就是贵。究其原因，在于制造环节的难题较多，导致难以大量生产、良率较低，引发价格攀升。
         从表面看，Micro-LED芯片只是将LED芯片微缩化，但实际情况远比想象中要难。从毫米级到微米级转换的过程，本质是LED微小化、薄膜化和矩阵化，在该过程中材料生长、器件制备、驱动技术、生产工艺等步骤都发生了变化，最终产生质变。[11]
         Micro-LED采用的是RGB（红绿蓝）颜色标准，由于是自发光元件，想让Micro-LED显现图像，就要分别做出三基色的发光芯片，以此构成一个个像素。
         用不同材料，可以制备不同颜色的Micro-LED芯片，如InGaN/GaN基材料用于制备绿光/蓝光Micro-LED阵列，AlInGaP/GaAs基材料用于制备红光Micro-LED阵列，蓝宝石、砷化镓和硅等衬底上生长外延层，制备Micro-LED阵列。[12]
         从衬底到产品，Micro-LED显示器会经过外延生长、芯片制造、巨量转移、性能检测四大工艺。
         Micro-LED器件制造工艺流程[2]
         Micro-LED器件制造简述和难点，制表丨果壳硬科技参考资料《激光与光电子学进展》[13]，《电子工业专业设备》[2]
         从技术上来看，芯片制备相关的材料和设备上相对成熟，问题症候在于制造环节，具体来说，Micro-LED的壁垒包括以下几点：
         都是小惹的祸
         对芯片来说，尺寸做得越小，制造难度就越大，Micro-LED亦如此。Micro-LED芯片的尺寸实在太小了，将其制作成各种显示器件时，都要考虑小尺寸带来的影响。
         要取得小尺寸的Micro-LED，就要使用微缩制程技术，将LED芯片微缩后到满足应用要求的尺寸。微缩制程技术包括芯片焊接、晶圆焊接、薄膜转移三种路径，技术实施得越好，像素密度就会越高。
         微缩制程技术实现的三种路径，制表丨果壳硬科技参考资料丨《Micro-LED技术路线图（2020版）》[6]，有删改
         Micro-LED还有个不得不面对的致命问题：在微缩过程中，时常会产生侧壁缺陷。比如，同样是2μm的误差缺陷，在250μm×250μm尺寸的LED上，剩余可使用率为97%，但在5μm×5μm的Micro-LED上，剩余可使用率仅为4%。[14]
         误差缺陷导致芯片使用率大幅度降低[14]
         不仅如此，Micro-LED芯片尺寸越小，电感耦合等离子体（ICP）刻蚀区域（侧壁）与有源区体积的比率就会越大，刻蚀损伤所形成的缺陷占比越高[15]。导致非辐射复合比例逐渐上升，发光效率和使用寿命下降。如尺寸从400μm减小至20μm，电流密度光效下降比例可达50%[7]。这还会导致有源区内肖克利·雷德·霍尔（SRH）非辐射复合几率增加、辐射复合几率和发光效率降低、引入新的漏电通道加重器件反向漏电。这些问题，在尺寸小于10μm的Micro-LED上尤为显著。[16]
         芯片尺寸问题还会让提高驱动器与Micro-LED阵列集成的效率和稳定性成为难题。简言之，量产LED或是Mini-LED的工艺流程，对Micro-LED来说可能不再适用。
         巨量转移的困境
         LED显示器的每个像素点都由点阵组合而成，一个个小LED芯片组成的阵列的间距基本一致。Micro-LED也是同理。制造出芯片后，也要将大批量的Micro-LED芯片定点巨量地转移到电路基板上，这个过程就是“巨量转移”。
         与传统的LED不同，Micro-LED的巨量转移不仅对转移精度、转移速率、色彩均匀度的控制有更高要求，转移数量也更大，4K的Micro-LED显示器需完成两千多万颗的Micro-LED芯片倒装，而8K则达到了上亿颗。[17]
         目前巨量转移技术有多种技术方案，包括精准拾取技术、激光释放技术、流体自组装技术及滚轮转印技术等，不同技术拥有不同特性，但都存在一定弊端。
         Micro-LED芯片巨量转移方式[2]
         具体来说，精准拾取技术对转移设备精准度及稳定度要求极高；激光释放技术在实施过程中可能会对芯片表面造成损伤，降低良率，此外激光设备价格昂贵；流体组装技术需经历3次才能完成转移，效率较低；滚轮转印技术可在柔性基底上实现转移，但同样需要3次转移才能完成巨量转移。[17]
         部分方法在实验室可达99.99%的良率，但比起至少要达到99.9999%良率的产业化要求，相差距离较大。业界正在探寻一种易实现、良率高又较为便宜的技术方案。[18]
         缤纷色彩背后的挑战
         为什么显示器能够呈现得如此丰富多彩？因为显示界普遍采用了RGB（红绿蓝）颜色系统，通过RGB三原色叠加合成，能够实现肉眼可见的大部分色彩。想要Micro-LED能够正确描绘出画面，就要做好色彩方案，即全彩化。
         Micro-LED彩色化主要有两种解决方案：一种是蓝色源转色方案，但色转换材料存在涂布均匀性和信赖性等问题，应用较少；另一种是直接使用LED的RGB三色方案，但对Micro-LED来说，这种方案并不是拿来就能用，需要对LED大小进行相应调整，此外由于各色波长均一性差异，还会面临光效率和良率不足的问题。[14]
         不同彩色化技术[17]
         产业链上的难题
         造出Micro-LED芯片并不代表着结束，要让它真正显现在人们眼前，在多个技术领域上都要有所突破。
         与其它芯片技术相同，Micro-LED也将牵扯庞大的产业链与原材料问题，从原料到点亮屏幕，分为上游、中游和下游，每个环节都与最终成品息息相关，其中较为关键的技术包括驱动IC、驱动背板和封装。[19]
         Mirco-LED显示产业链[19]
         产业正蓄势待发
         作为终极目标，Micro-LED无疑是显示领域的明星。
         2000年以来，得州理工大学教授提出Micro-LED的概念，堪萨斯州立大学制备基于Ⅲ族氮化物Micro-LED[20]，学术界自此掀起研究浪潮。尤其在2006年后，开始呈指数型增长。谷歌学术数据显示，截止目前，Micro-LED领域已有近6000篇文献。
         世界各地研究机构与厂商也相继投入Micro-LED的研究，在消费电子巨头牵动下，Micro-LED初步产业化。
         2012年，索尼发布55英寸高清Micro-LED电视面板Crystal LED，它是首个作为商业产品出现的产品；
         2014年，苹果公司收购Lux Vue，入场Micro-LED的技术研究，这项技术真正开始进入大众视野，迄今为止，苹果不仅持续推动Micro-LED技术发展，还发布了多款Mini-LED相关产品；
         2018年，三星于CES展推出全球首款模组化拼接的146英寸Micro-LED TV“The Wall”；
         2020年12月，三星发售110英寸Micro-LED电视；
         2021年1月，Vuzix发布首款商业化的Micro-LED AR智能眼镜。[17]
         从专利上来看，2002年~2014年，Micro-LED专利申请总量较小。而自2017年开始，申请量开始大幅提升。[21]
         Micro-LED发展历程[12]
         由于技术难题较多，现阶段Micro-LED整体市场规模有限，业内预计，Micro-LED在2024年将实现大规模商用化。[22]
         据Research And Markets统计，2020年，Micro-LED的全球市场规模为10亿美元，预计到2027年将以77.1%的年复合增长率增长[23]。另据高工产研LED研究所（GGII）预测，2025年全球市场规模将超过35亿美元，2027年有望突破100亿美元[24]。反观国内方面，有望在大规模商用化之后冲击800亿元市场规模。[22]
         Micro-LED技术路线图[6]
         目前市场侧Micro-LED应用分为两大方向，一是以苹果为代表的可穿戴市场，另一个是以三星、索尼为代表的超大尺寸电视市场。短期来看，市场将集中在超小型显示器上，中长期来看，Micro-LED将会横跨可穿戴设备、超大室内外显示屏幕、抬头显示器（Head-Up Display，HUD）、车尾灯、AR/VR/MR、投影机等多领域。[25]
         推进产业化的企业主要包括三类：第一类为传统LED芯片和封装企业，如日亚、晶电Lumens等企业；第二类为TFT-LCD和OLED等新型显示企业，如京东方；第三类为终端企业，如索尼、三星、LG。
         产业化形式上则以合作为主，Micro-LED以定制化设计为主，加之技术要求较高，行业呈现高度整合态势，面板、芯片、巨量转移及驱动IC等厂商抱团式发展。[26]
         国际上，相关融资也此起彼伏，目标均指向大规模产业化。
         2022年1月~11月中旬Micro-LED国际相关融资不完全统计，制表丨果壳硬科技
         Micro-LED在国内也受到热捧，在政策上不断倾斜，且投融资动作频繁。《2022 Mini/Micro LED显示产业白皮书》显示，仅2022年1月~8月，国内就有30多家企业有投资动作，涉及资金总计达415亿元。[10]
         我国产业链上下游企业也纷纷在LED、巨量转移、彩色化、检测、修复等关键技术开展技术合作，形成“京东方+华灿光电”“三安+华星光电”“富采+錼创+友达+群创”三大阵营[27]。与此同时，国内已展开可穿戴显示、高清移动显示、车载显示、高清大尺寸显示、超大尺寸拼接商用显示样机的研发及试产工作。[18]
         2022年1月~11月中旬Micro-LED国内相关融资不完全统计，制表丨果壳硬科技
         对产业来说，Micro-LED未来之路非黑即白，从好的方面来看，市场前景一片光明，从坏的方面来看，短时是销量的博弈。
         一方面，市场下行，面板行业则是砍单风暴的第一批“受害者”，消费电子需求不济，不知道这种情况是否会在大规模商业化时有所缓解。
         另一方面，对普通消费者而言，他们更多关注的是产品的性能、功能及价格，对于采用是哪种技术，并不会过多关心。对于显示厂商来说，最为重要的，可能便是思考如何让更多普通消费者感受到Micro-LED对生活的改变。
         References：
         [1] 季洪雷, 张萍萍, 陈乃军, 等. Micro-LED显示的发展现状与技术挑战[J]. 液晶与显示, 2021, 36(8):1101-1112. DOI：10.37188/CJLCD.2021-0063.
         [2] 蔡克新. Micro-LED 显示器量化生产关键技术[J]. 电子工业专用设备, 2021.
         [3] 杨小慧.二维到三维的突破——未来选择Micro-LED——专访国际信息显示学会（SID）全球财务长、福州大学特聘教授严群博士[J].光电子技术,2022,42(03):167-168.
         [4] 赛迪智库：Micro LED显示研究报告（2019）.2019.4.8.http://www.cena.com.cn/industrynews/20190408/99708.html
         [5] 常鹏, 翟玥, 吴娜, 等. 钾离子掺杂CsPbCl3：Mn钙钛矿量子点的荧光性能[J]. 液晶与显示, 2021, 36(10):1352-1361. DOI：10.37188/CJLCD.2021-0161.
         [6] CSIA：Micro-LED技术路线图（2020版）.http://www.casa-china.cn/uploads/soft/211202/12_1605156421.pdf
         [7] 周律, 郑华, 张声浩, 等. Micro-LED显示及其驱动技术的研究进展[J]. 液晶与显示, 2022, 37(11):1395-1410. DOI：10.37188/CJLCD.2022-0157.
         [8] 《化合物半导体》：从 Mini-LED 到 Micro-LED 显示器.2021.7.21.https://mp.weixin.qq.com/s/emHt3d8M4PCAYo49NZbUjg
         [9] 季洪雷, 陈乃军, 王代青, 等. Mini-LED背光技术在电视产品应用中的进展和挑战[J]. 液晶与显示, 2021, 36(7):983-992. DOI：10.37188/CJLCD.2021-0042.
         [10] 《上海证券报》：《2022 Mini/Micro LED显示产业白皮书》发布.2022.10.14.https://company.cnstock.com/company/scp_gsxw/202210/4967706.htm
         [11] TIAN P F， MCKENDRY J J D， GU E D， et al. Fabrication， characterization and applications of flexible vertical InGaN micro-light emitting diode arrays [J]. Optics Express，2016，24（1）：699-707.  doi: 10.1364/oe.24.000699
         [12] 周律, 郑华, 张声浩, 等. Micro-LED显示及其驱动技术的研究进展[J]. 液晶与显示, 2022, 37(11):1395-1410. DOI：10.37188/CJLCD.2022-0157.
         [13] 季渊, 许怡晴, 陈宝良, 等. 硅基微显示器发展现状与研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2022, 59(20): 2011007-2011007-12.https://www.researching.cn/ArticlePdf/m00002/2022/59/20/2011007.pdf
         [14] 陈跃,徐文博,邹军,石明明,张子博,庞尔跃,李超,邵鹏睿,徐慧.Micro LED研究进展综述[J].中国照明电器,2020(02):10-17+21.
         [15] HUANG Y G， HSIANG E L， DENG M Y， et al. Mini-LED， Micro-LED and OLED displays：present status and future perspectives [J]. Light：Science & Applications， 2020， 9：105.  doi: 10.1038/s41377-020-0341-9
         [16] WIERER JR J J， TANSU N. III-nitride micro-LEDs for efficient emissive displays [J]. Laser & Photonics Reviews， 2019， 13（9）：1900141.  doi: 10.1002/lpor.201900141
         [17] 张丽,黄志正,毕乾,张哲,樊磊.Micro-LED显示及驱动IC技术[J].微纳电子与智能制造,2021,3(04):24-31.
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         [19] 利亚德：Micro-LED显示技术及应用白皮书.2020.10.https://video.ceultimate.com/100009_1909175005/MicroLED%E6%98%BE%E7%A4%BA%E6%8A%80%E6%9C%AF%E5%8F%8A%E5%BA%94%E7%94%A8%E7%99%BD%E7%9A%AE%E4%B9%A6%EF%BC%88%E7%94%B5%E5%AD%90%E7%89%88%EF%BC%89.pdf
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         [23] Research And Markets：Micro-LED: Global Strategic Business Report.2022.10.https://www.researchandmarkets.com/reports/4845811/micro-led-global-strategic-business-report
         [24] 高工LED：MIP封装，什么来头？.2022.9.15.https://mp.weixin.qq.com/s/dPNur8eWBAufKViEKpoDoQ
         [25] 广东晶科电子股份有限公司：首次公开发行股票并在科创板上市
         招股说明书.2019.12.http://static.sse.com.cn/stock/information/c/201912/e2d8fe781e2446fdbe22d584c51ed07d.pdf
         [26] TrendForce集邦：研报丨富采、錼创合资攻Micro LED，估至2024年Micro LED显示应用芯片产值约5.42亿美元.2022.11.11.https://mp.weixin.qq.com/s/xpA0U3KQPIzXTTBtj9F7KQ
         [27] OLEDindustry：3大MicroLED 阵营形成：富采、錼创将联手.2022.11.10.https://mp.weixin.qq.com/s/Q7Nun7N195ujXOV6qWcIEg

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