Micro LED技術原理,Micro LED與OLED技術對比

2020-12-05 中國觸控螢幕網

【導讀】:Micro LED的概念風聲水起。成為不時攪動OLED主導的次世代顯示大潮的異類玩家。那麼Micro LED到底是什麼?Micro LED大潮之中,誰在拼力相博,誰在隔岸觀火,誰在竊竊暗語呢?

Micro LED:一場缺乏主導者的「賭注」。2016年下半年以來,Micro LED的概念風聲水起。成為不時攪動OLED主導的次世代顯示大潮的異類玩家。那麼Micro LED到底是什麼?Micro LED大潮之中,誰在拼力相博,誰在隔岸觀火,誰在竊竊暗語呢?

Micro LED——誰在發聲

在Micro LED概念上,最大的聲音是蘋果。Apple Watch 3將採用Micro LED顯示面板的消息,是這個行業最近最大的「興奮點」。

的確,蘋果卻曾大價錢收購過Micro LED研發公司LuxVue。但是,那是2014年的事情。這次收購蘋果也許儲備了一些技術、專利和研發能力。不過直至今日,蘋果並未拿出「可用的樣品」。按照一般規律,從原形研發、樣品研發、試產研發到量產爬坡和堪用,至少需要數年之久。Apple Watch 3估計是等不及的。

更為重要的是,蘋果方面的消息,大多數是二級、三級消息,甚至小道消息。一直缺乏蘋果戰略層的消息和表態。也就是說,可能的情況是,蘋果只是把Micro LED作為一個武器庫中的庫存而已。且現在,顯示技術上蘋果正在做的事情是OLED替代LCD。 

Micro LED概念另一個大佬是三星:不過,三星出價1.5億美元,收購Micro LED廠錼創科技的新聞已經被闢謠。作為全球最大的顯示巨頭,同時也是LED產品製造商,三星如果說絲毫不關注Micro LED顯然不正常。但是,對比三星在QLED上的戰略高調,在OLED上2000億人民幣的投資,三星Micro LED的「小道消息」幾乎可以忽略。

再說另一家Micro LED巨頭,索尼。2012年索尼展示了0.5級別間距的微間距LED產品。但是,索尼真正上市的卻是2016年的1.2間距的產品。索尼也有過類似「技術不是問題,但應用市場還需要酌情考慮」的表態。即作為一個顯示大廠,索尼的市場理性,要比媒體報導的聳人標題冷靜的多。

事實上,在Micro LED上真正的、高度的、官方的、長期一致性的「高調」表態的單位只有一個:「臺灣工研院」。不過,對此,一個顯然的事實是,在次世代顯示上OLED、QLED臺灣都已經落後韓陸企業,甚至進度不及日本企業。在韓陸資本數千億人民幣的投資之下,臺灣為其未來顯示產業的生存,獨闢蹊徑的支持Micro LED,本質上是「下下策」。即,臺灣工研院的支持,只是「逼不得已要做些事情後的『從易』」原則。

當然,很多媒體指出晶電、隆達、歐司朗、日亞化、CREE、三安這樣的LED廠商都表示在做Micro LED研發。但是,這個支撐團體的力量主要集中在LED發光晶體這一層。而製造超微型的LED發光晶體(10um級別),應該說是整個Micro LED產業鏈中最為成熟的部分之一。即LED廠,可利用現有設備技術和研發實驗室,在不增加多少投資的情況下,成功開發Micro LED需要的白色和彩色晶體顆粒。這些LED外延片產業段的企業在Micro LED上的地位,類似於默克、住友化學、三菱化學在OLED產業上的地位。

綜上所述,Micro LED陣營呈現的是分散的基本狀態。且其中巨頭們的消息都是二線化的,缺乏戰略層的宏觀表態。作為積極的LED晶體企業,則「所需投資和努力不多」、「所負責產業鏈環節難度不大」。這直接決定了Micro LED是一個「群蝦舞龍」的產業,缺乏形成大規模的、快速市場化的領頭羊。

Micro LED產業鏈如何,難點在哪裡

對於一個Micro LED顯示產品,他的基本構成是TFT基板、超微LED晶粒、驅動IC三大塊。這三者有一個共同的特點,即大量繼承於已有的液晶和LED產業。因此,臺灣工研院認為,他們具有整條產業鏈的優勢。

但是,具有同樣產業基礎的地區還包括韓國、我國大陸、日本。其中日本在上遊材料和設備上的領先性和完善度,要遠超過我國臺灣地區。不過,日本同仁對Micro LED的興趣可沒有臺系產業那麼高漲。

為什麼其它具有相當或者更好產業基礎的地區,在Micro LED的熱情上低於臺系呢?答案分成兩個層次:第一是,大陸、韓國和日本顯示企業,現在最忙的事情是OLED。第二,Micro LED有一個其他電子行業幾乎不會用到的高難度工藝——巨量微轉移(也叫巨量轉移)。臺灣Micro LED產業最大的動作之一,即是2016年12月以臺灣工研院為牽頭單位,成立「巨量微轉移」產業聯盟。 

「巨量轉移」是一個什麼技術呢?簡單說就是在指甲蓋大小的TFT電路基板上,按照光學和電氣學的必要規範,均勻焊接三五百,甚至更多個紅綠藍三原色LED微小晶粒,且允許的工藝失敗率是有幾十萬分之一。——只有達到這樣工藝的產品,才能真正應用到Apple Watch 3等產品上。

對於Micro LED的工藝問題,很多人認為,可以從傳統LED屏中攝取經驗。但是,Micro LED與傳統led顯示產品差別巨大。與傳統LED顯示屏比較,Micro LED的差別主要在於:1.精密程度數十倍的提升;2.集成工藝從直插、表貼、COB封裝等變成了「巨量微轉移」;3.缺陷可修復性幾乎為零;4.背板從印刷電路板,變成了液晶和OLED顯示所使用的TFT基板,或者CPU與內存所採用的單晶矽基板。

即與傳統LED顯示屏比較,Micro LED在晶粒、封裝、集成工藝、背板、驅動等每一個方面都不一樣——所以,可以看到Micro LED產品的火熱沒有得到任何一個傳統LED大屏廠商的表態。

事實上,除了晶粒、TFT背板、IC這些「元組建」,繼承於LED晶粒(如三安)、半導體顯示(如京東方)、IC設計企業(如聚積、奇景)等之外,Micro LED正真的核心則是「如何將這些元件集成」,即「巨量轉移」技術。後者是整個行業的命門。如果有企業要牽頭Micro LED產品,最需要的即是從這裡入手。

對此,目前比較確切的消息是:今年2月份Mikro Mesa與重慶惠科攜手打造了兩岸首座Micro LED面板實驗室的合作。該實驗室計劃在今年底完工,2018年製造出全彩色Micro LED樣品。Mikro Mesa目前在LED微晶粒上具有領先的研發技術,傳聞能做到3UM。惠科則建設有A-SI LCD生產線,具有TFT背板等方面的技術資源。二者合作的目的是,利用近可能現成的資源突破「巨量轉移」技術。

不過,即便是這種比較深入的項目其對Micro LED的產業時間表預期亦不能樂觀:2018年實現全彩樣品,距離真實商業應用還有多遠依然不好說。以OLED為例,實現全彩,到目前手機行業的大規模認可,中間走了二十餘年。且,惠科、Mikro Mesa都是顯示圈新手,二者關注Micro LED頗有企圖「四兩撥千斤」彎道超車之意。

綜上所述,從元件角度看,Micro LED在TFT、IC、LED晶粒上都不具有難度;但是從工藝和產業進程看,巨量轉移橫亙在Micro LED願景與現實之間,短期難以徹底跨越。

如果成功,Micro LED將怎樣改變顯示產業格局

現在,媒體動輒以《Micro LED產業化:蘋果/三星等巨頭積極搶進布局》這樣的標題,為Micro LED造勢,背後是媒體對既有顯示產業格局可能被顛覆的「擔憂」。不過,筆者說:你們有些過度擔心了。

首先,從基板看,Micro LED需要的是電流驅動的TFT結構。這既是國內目前大規模量產的低溫多晶矽和金屬氧化物TFT技術。代表廠商京東方、深天馬、華星光電、中電子、三星、LG、夏普、群創、友達。當然,也有些方案中,Micro LED利用單晶矽基板,cmos電路驅動結構,不過這種方案的成本不低,且無法在手機、電視等尺寸的屏幕上應用,不可能成為「大發展後的Micro LED」的主流。

更為重要的是,Micro LED在採用例如京東方TFT背板的時候,其對液晶乃至OLED顯示屏生產線的繼承性高到70%。即,半導體顯示產業已經有的萬億資產中,大部分會被繼承下來。這一龐大的資產包也決定了Micro LED不是「另開新天地」,而是既有液晶顯示產業鏈的次世代升級——即,即便Micro LED極大的成功,今天的顯示圈巨頭們亦依然會「穩坐釣魚臺」。

其次,Micro LED、oled、QLED作為次世代顯示方案之爭,他們的關鍵差別不在於IC、光學材料和薄膜、TFT等產業環節,而在於「最終發光體」方面。上文提到三安在Micro LED中的地位,類似於默克在oled行業的地位。即,真正的競爭,尤其是替代性競爭來自於LED晶粒。

在傳統的液晶顯示時代,顯示器需要一個獨特的背光源組件。包括手機和電視機都是如此。但是OLED和QLED時代這個背光源就不需要了。液晶的背光源最核心的部分即是LED發光燈珠。如果次世代顯示是OLED和qled的天下,也就意味著LED產業鏈,除了工程大屏、投影光源外,基本告別大眾顯示(手機、PC和TV)領域。這會是一個巨大的市場損失。

同時,在LED的另一個應用空間,照明領域,隨著LED發光效率的提升(過去五年從50流明每瓦,發展到了近200流明每瓦),實際潛在市場對晶元、外延、封裝等上遊產能的消耗也是大幅降低的。

以上兩點形成了LED產業鏈的一種危機感。即如何消化過剩的晶元和外延產能。現在,比較看好的領域就是「顯示」:包括小間距LED和本文討論的Micro LED。正因此種危機的可能性,從產業角度看,LED行業明顯比TFT行業對Micro LED更為熱情。

第三,從IC端看,筆者只有一句話,液晶、OLED、QLED或者Micro LED,IC設計者都需要一樣的創新和發展。這些顯示技術的區別,不構成IC產業的革命。

當然,還有一個重要的事情要說:液晶、OLED、QLED、Micro LED的核心上遊設備。大尺寸oled和QLED走的路線是噴墨印刷,中小尺寸OLED走的路線是蒸渡,液晶產品則是成盒灌注工藝,Micro LED需要的是「巨量轉移」。所以,在對發光體具有針對性的工藝環節,這幾個技術的設備廠商具有「市場替代性」。

通過以上分析,可以看到Micro LED的產業鏈特點是既有繼承也有創新。其中最核心的是LED外延企業和巨量轉移設備商的地位。

不過對比細分研究,筆者更願意從更大的場景看Micro LED的意義:我們可以將下一代顯示理解為自放光時代(區別於液晶的背光時代),OLED、QLED和Micro LED只是不同的自發光材料,他們都要「生長」在TFT基板之上——無論是誰勝利,死掉的都是液晶,卻亦都從液晶產業繼承至少70%的產業鏈和設備設施。

這個宏觀理解,也就可以解釋為何現今真正的顯示行業巨頭們,對Micro LED的關注不夠的原因:對比Micro LED在巨量轉移上的困難和產業發展階段,OLED和QLED的成熟性、可行性、風險度都更為友好——從易避難,逐步實現自發光顯示,最優的選擇當然是今天最火的OLED。至於Micro LED,那是第三位的備選方案。

臺灣業者的努力,Micro LED能否後發制人

目前,全球顯示行業對Micro LED最熱衷的莫過於臺灣業者。這與臺灣顯示行業在OLED項目上的落後有必然關係。臺灣顯示界希望利用Micro LED的成功對大陸和韓國的OLED戰略實現彎道超車。

但是,作為一項新技術,是否能成功需要從產業基礎和研發難度上做出基本衡量,而不是Micro LED幾乎逆天的節能性能這類技術優勢。——即關鍵的、不可繞過的短板,決定命運。

從產業基礎看,LED、TFT、IC都不成問題,這一點上文再三說過。但是,從需要攻關的研發難點看,巨量轉移不是一個容易啃的骨頭。一方面,顯示系統今天的發達程度,決定了Micro LED必須以很高的起點,突破巨量轉移技術:1.避免Micro LED的高亮化,晶粒可能需要很小,例如5um,這樣小的器件做電氣結構上的焊接,保持百萬級別的有效性,難度可想而知。2.處於液晶、oled競爭時代的Micro LED,必須有可行的市場經濟性。雖然Micro LED能夠讓顯示屏能好大幅降低,但由此帶來的節能效果應該與其成本增加成比例。這兩點概括起來即是,巨量轉移,不僅要克服「巨大的量、超微小的結構」,還要一上來就有很好的「成熟性」。

更為重要的是,巨量轉移課題是電子產業的一個全新課題。沒有多少可參照的經驗可以利用。這決定了這個工藝路線的研發難度進一步提升。

回想液晶稱王的顯示時代,也有過等離子、sed、場致發光等不同技術路線的競爭。但是,在液晶的規模和成本優勢下,各個都很快敗下陣來。這一點也是臺灣同仁要認真考慮的問題。從技術進步看,不斷的發展的顯示技術不是Micro LED的專利。面對規模更為龐大、支持者眾多、資金充沛、技術不斷進步的OLED和qled, Micro LED作為第三路線,在競爭上已經是最危險的選擇。

所以,筆者不認為研發Micro LED是一件壞事情:多元化的嘗試,才最有利於找到最優解。但是,從產業化角度看,Micro LED不值得簡單的看好。在OLED已經砸下重金的今天,抓住主流是顯示企業生存的基本面和緊迫點,Micro LED作為可能選項,更多的應該是未來的某種可能性的儲備,而不是確切答案。這也是為何Micro LED行業一直沒有真正的行業巨頭來做龍頭,帶領大家奮鬥的原因。
 

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