業內根據LED芯片尺寸的大小,來定義不同的LED技術。比如,當LED芯片尺寸小于150μm時,被稱為mini LED;而當LED芯片尺寸在50μm以下時,被稱作micro LED。伴隨背光LED芯片尺寸越來越小,顯示面板的結構也隨之發生變化。
當LED芯片的尺寸小到像素級別時,每一個像素對應一個micro LED芯片。由于micro LED可自發光,能控制明滅、亮度和色彩,較之于傳統的LCD屏幕,micro LED可省去液晶層、濾光片結構。
micro LED的屏幕結構與OLED較接近,都具備像素自發光、結構簡單、發光效率高的特點。不過,micro LED的材料壽命遠高于OLED有機發光二極管,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的大屏成本仍遠高于LCD,但是已經達到能被普通家庭用戶接受的范圍。
以過去的經驗來看,隨著micro LED技術的成熟,OLED和LCD(mini LED屬于LCD范疇)是否會被替代?或許這個答案并不簡單。
micro LED離大屏制造還略為遙遠
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大面板制造工藝極大程度受制于良率和成本。
LED芯片變小,其帶來的價值比大家預想的更大。如果觀察micro LED的制造流程,發現它從wafer上生長出來,最終需要被轉移到屏幕背板(back plane)上。如果一塊屏幕的分辨率是1920x1080,屏幕的像素數量超過200萬個,每個像素由紅綠藍三個子像素構成。如果這是一塊micro LED屏幕,意味著這塊屏幕上有600萬個micro LED芯片。
憑借當代半導體制造工藝,在wafer上生長出600萬個micro LED芯片并不困難,難的是要將這600萬顆micro LED芯片轉移到背板上。業內將這個轉移過程稱為巨量轉移(mass transfer)。即使是市場上高端的mini LED屏,如2021款iPad Pro 12.9",其背光層也僅有10000顆mini LED而已。因此,巨量轉移是micro LED制造中的一大難點。
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)。整片轉移適用于小尺寸屏幕,因為屏幕面板足夠小,所以才可以整片轉移;分批拾取放置的技術難度更大,大屏只能采用這種方案來實現巨量轉移。
巨量轉移不是micro LED面板制造的唯一技術難點,但它是制約大小屏micro LED制造的分水嶺——當然,大屏能做到多大主要取決于成本,三星和索尼首次展示的micro LED大屏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,都是面向汽車儀表板、電子紙等小屏應用。當然,即便展示的是大屏應用,目前其參數優勢也并未碾壓OLED/LCD。
現階段的機遇:AR/VR、透明屏、折疊屏
結構上的顯著優勢決定了micro LED高像素密度、高亮度、高對比度、快速響應的特點。高像素密度、高亮度和高對比度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(每英寸的像素數量)像素密度的顯示屏。
由于micro LED芯片小到像素級別,它可以用單像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;基于較高的電子遷移率,micro LED的開關速度可達納秒級別。
由于制造工藝的限制,micro LED前期僅適用于小屏,比如格外適用于AR/VR(現實增強/虛擬現實)類應用,包括娛樂的護目鏡產品。
AR/VR對顯示亮度、對比度、像素密度和響應的要求遠高于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。很多消費者反饋,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制于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,取決于micro LED技術的突破。
另外,micro LED芯片的小型化有利于面板的柔性、透明化,錼創科技就曾展示過柔性+透明的屏幕。“柔性”“透明”“可折疊”正是屏顯技術這兩年來的熱點,在某種程度上是實現行業突破的關鍵。
有分析師從面板供應鏈上游的LED芯片制造商處獲悉,micro LED前期應用會專注于可穿戴設備、AR、VR以及車載小屏產品上,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EQE(外量子效率)——它可以理解為發光效率。micro LED顯示屏的屏幕結構,相比LCD去掉了液晶、色彩濾鏡、偏振片,相比OLED無需復雜的封裝技術,理論上micro LED顯示屏的發光效率遠高于后兩者。
不過,micro LED極小的尺寸,致使芯片受側壁效應的影響非常大——這是制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屏應用。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之間的應用互補
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的小型化讓面板制造進一步向半導體技術傾斜。
舉個簡單的例子,由于micro LED的小型化,使得顯示屏的背板部分由非晶硅或低溫多晶硅TFT(薄膜晶體管)開始向CMOS技術過渡。具體來看,背板是用來控制每個像素點亮、熄滅、灰度級的電路層。較之于非晶硅和低溫多晶硅,單晶硅具備更高的結晶質量和電性質,CMOS開始成為一種選擇。所以一般的IC制造工藝就能做背板的制造了,這是顯示行業與半導體行業進一步融合的顯著表現之一。
CMOS僅限于小尺寸屏幕。在生產大尺寸屏幕時,CMOS也面臨成本問題。因此,非晶硅和低溫多晶硅TFT仍然是大屏micro LED制造的必要技術。
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制造逐漸靠攏,給傳統面板廠商的地位發起了挑戰。
預計未來的產業鏈會存在4種可能性:第一種是傳統顯示行業玩家(如三星、LG、京東方)仍然處于中心地位,只是價值會被稀釋;第二種是具備垂直整合能力的廠商,如蘋果收購的LuxVue、谷歌投資的Glo AB,將在micro LED世界中占據統治地位;第三種是新的行業格局構成,行業價值可能向LED芯片制造商、半導體制造商和持有關鍵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。
從中國大陸、中國臺灣以及韓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制造技術可能需要以應用為導向,來定制系統性的制造流程——這與LCD/OLED大不一樣。各自為政的局面不利于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,只是行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正走向成熟的標志。
其中的市場變數非常大,有分析師認為,Hendy Consulting分析的行業發展方向可能過于簡單。在我們看來,不僅是近1-2年市場投資與合作風向的變化,還在于micro LED未來或許會有個長期發展的可能性。
就像當年OLED出現并未完全取代LCD那樣,micro LED前期作為一種在小屏、AR/VR上具備發展潛力的技術,它極有可能會與OLED、LCD長期并存。只是三者負責的應用方向各不一樣,如micro LED專注于小屏和AR/VR市場,并且在高端市場上吃掉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系,而不是micro LED取代OLED或LCD。