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AR眼镜产业链将爆发,主流显示方案量产进度如何?

随着AR生态圈日臻完善,AR眼镜正逐渐走向商用化。一些新技术也乘着AR眼镜的风口,加速了商业落地的进程,其中就包括了Micro LED和Micro OLED。

2022年6月中旬,锤子科技创始人罗永浩在宣布将正式开启AR(增强现实)创业。他坚信,特定用途的垂直类型AR设备,比如针对教育、复杂技能培训、特殊行业的AR眼镜,完全可能在两三年内成功商业化。gYGesmc

近年来,随着AR生态圈日臻完善,AR眼镜正逐渐走向商用化。一些新技术也乘着AR眼镜的风口,加速了商业落地的进程,其中就包括了Micro LED和Micro OLED。本文主要围绕AR头显设备的显示材料的量产进度来分析。gYGesmc

AR眼镜发展简史

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图1:AR的发展历程 制图/来源:国际电子商情gYGesmc

L.Frank Baum在1901年发布的小说《万能钥匙》中有这样一段描述:“这是角色标记器。它是一副眼镜。当你戴上它时,你遇到的每个人的前额上都会有一个字母,表明他们的角色。好人的前额上会有一个G,坏人的前额上会有一个E。智者的前额上会有一个W,傻瓜的前额上会有一个F。外邦人的前额上会有一个K,残忍的人的前额上会有一个C。”这被认为是关于AR应用场景最早的描述。gYGesmc

1992年,出现了Augmented Reality(增强现实)概念,它被用来描述将计算机呈现的元素覆盖在真实世界上的技术。gYGesmc

AR眼镜首次引发关注热潮是在2012年,谷歌发售了一款名为Google Project Glass的智能眼镜,它是一款增强现实型穿戴式智能眼镜,可通过声音控制拍照、视频通话和辨明方向以及上网冲浪、处理文字信息和电子邮件等。由于Google Project Glass的成本高昂,仅定金就达高达1500美元。2015年,谷歌停售了第一版Google Project Glass,但一直在坚持研发AR相关的技术——2020年,谷歌收购了加拿大智能眼镜初创公司North,North的AR眼镜外形与普通眼镜无差别,并在眼镜架配置了微型激光“投影仪”;2022年3月,谷歌收购初创公司Raxium,后者拥有Micro LED显示屏技术;2022年5月,谷歌在其2022年度全球开发者大会上,展示了一款AR眼镜原型机,该机器具备实时翻译功能。gYGesmc

2021年元宇宙概念大火,AR眼镜被视为元宇宙的入口,受到了科技公司的青睐,谷歌、Mate(前脸书)、苹果、OPPO、索尼、阿里巴巴、腾讯、小米等企业均加大投资AR眼镜。gYGesmc

Micro OLED方案将率先商用

AR眼镜的光学系统由图像源器件与显示镜面两个主要配件构成,在使用过程中成像系统不能挡在视线前方,其中的光学组合器通过“层叠”的形式,将虚拟信息和真实场景融为一体。穿透式AR眼镜对于户外应用的亮度需求非常高,加上光波导组件的光效率影响,对入射光的亮度需求将大幅提高。gYGesmc

以AR眼镜两种显示路径Micro LED和Micro OLED为例,它们同为自发光技术,与LED和OLED、LCD等材料相比,Micro LED和Micro OLED具备高亮度、高分辨率、高对比度、轻薄化、小型化、低功耗、设计灵活等特点。gYGesmc

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表1:当前Micro LED和Micro OLED各项指数的对比gYGesmc

具体来看,Micro OLED由CMOS技术与OLED技术紧密结合而成,是无机半导体材料与有机半导体材料的高度融合。不过,因掺和了有机半导体材料,Micro OLED的使用寿命低于Micro LED。另外,通过对比Micro LED和Micro OLED各项指标,在发光效率、亮度、对比度、响应时间、工作温度等方面,Micro LED均优于Micro OLED。但Micro LED晶片像素尺寸更小、量产难度更大,目前单色光源的Micro LED接近量产,但仍面临良率问题。gYGesmc

苹果AR眼镜采用Micro OLED方案。因为有引领智能手机市场的先例,所以苹果在AR/VR头显领域的发展也被看好。近日,天风证券分析师郭明錤表示,苹果AR/MR头显将于今年Q3开始工程验证和测试,明年2月份结束前提供开发工具包,到Q2开始接受消费者预订,明年全球开发者大会前上市销售。而海通国际技术研究分析师Jeff Pu则称,苹果首款AR眼镜将在2024年底推出,到2025年上线发售。gYGesmc

综上所述,业内较为统一的观点认为,在Micro OLED方案的支持下,AR生态圈或将于2025年迎来第一波大爆发。gYGesmc

Micro LED +光波导方案成熟度仍待提升

因为AR的光波导要损失90%多的效率,AR眼镜屏幕一定要高亮度。Micro LED自带的高亮度属性,能让它成为AR眼镜的主流材料,未来AR会是Micro LED小屏的主战场。gYGesmc

Micro LED(Micro Light Emitting Diode)又称为微发光二极体,也可以写作μLED。Micro LED是将传统LED薄膜化、微小化和矩阵化,使像素点距离从毫米级降低至微米级别,并在一个晶片上高度集成的固体自发光显示技术。gYGesmc

行业对Micro LED等新型显示技术尚无统一的标准。根据第三方市调机构集邦科技旗下LEDinside的定义:Micro LED指无蓝宝石衬底,且芯片尺寸至少小于75μm的微型LED芯片,其阵列可达到超高密度像素级别并具备自发光特性。gYGesmc

Micro LED Display主要有两大类应用趋势:1.小间距、大尺寸、高分辨率的室内/外显示屏、部分穿戴装置,主流尺寸为15×30μm至34×58μm;2.高分辨率、强便携性、低功耗、高亮度的穿戴设备显示屏,其中就包括了AR眼镜。gYGesmc

AR眼镜被视为Micro LED实现量产的突破口,它的兴起推动了小尺寸Micro LED的商业化进程。穿戴装置的光引擎尺寸要求非常小,大约在0.5寸至1寸之间,而AR眼镜要给人眼传递资讯,要做到4K分辨率,PPI高达4000dpi以上,每颗Micro LED的大小要求5微米以下。gYGesmc

Micro LED的量产受多个条件的限制,包括从前期的磊晶技术瓶颈、巨量转移(Mass Transfer)良率、封装测试,到后续的检测、维修。在磊晶和芯片方面还面临着均匀性的问题,只有达到波长均匀性<±3纳米、良率≥95%的条件,才具备批量量产的可能性。Micro LED的尺寸小到微米级别,如何在制程中把生产控制到更精准,也是取决于能否尽早在AR产品上实现Micro LED商品化的关键。gYGesmc

AR眼镜对Micro LED的分辨率要求高,不管是传统的PCB背板,或者是主动式的玻璃背板,都无法实现4000dpi的PPI需求。必须要改为硅基CMOS基板,但其精准性方面还在摸索阶段。gYGesmc

另外,以巨量转移为例,它分为基板分离和晶片取放两个关键制程:其中,基板分离是以某种作用力将晶片与源基板批量整体式分离。晶片取放是通过转移装置,将分离后的Micro LED晶片,高精度选择性地从源基板上拾取,并转移放置在目标显示基板的特定位置上。gYGesmc

据资料显示,Micro LED的LED晶片尺寸大约为头发丝的十分之一,体积约为主流LED大小的1%。其在巨量转移过程中的精度极高,一次转移需要移动几万至几十万颗以上的LED。传统LED晶片在封装环节,主要采用真空吸取的方式,真空管的物理极限下只能做到80μm左右,目前转移设备的精密大约为±34μm,覆晶固晶机的精密度是±1.5μm(每次移转为单一晶片)。gYGesmc

全彩Micro LED+光波导技术是业界公认的最佳技术实现路径,这也是AR行业多年难以突破的技术难题。虽然弹性印章转印、静电转印等已经取得了成功,但是在制造能满足AR/VR应用的高分辨率全彩Micro LED显示器仍是巨大挑战。gYGesmc

Micro LED晶片红光发光效率差,采用全蓝光又会面临“如何高效色转换”的问题,这使得“无法实现全彩高亮显示”成为Micro LED在近眼显示领域的主要缺陷。全彩化可能需要用到镭射转移技术,10微米以下的红光EQE(外量子效率)还未有效克服,wafer bonding做色转换的方式或将成为Micro LED在AR领域最早实现的方案。gYGesmc

此前,市面上已经发布的Micro LED AR眼镜,以采用单色方案为主,具体或是单目或是双目,比如OPPO的 Air Glass就是单目+单绿色显示方案,该类方案主要适用于浏览简单的资讯或导航应用等。gYGesmc

即使量产困难重重,也挡不住市场的努力。近年来,Micro LED在降成本方面颇有成效。在2021年之前,Micro LED晶片基本上处于试验阶段。到2022年,4/6英寸Micro LED晶片正式量产,RGB三基色Micro LED芯片成本缩减了30%以上。预估到2024年之后,传统拾取转移会转向镭射转移,将进一步降低Micro LED晶片成本。同时,新6英寸工厂的投资也将推动Micro LED晶片降成本进度。集邦科技预测,将Micro LED芯片从外延晶圆迁移到显示背板的成本,在2025年有望降到2021年的四分之一,甚至还可能会更低。gYGesmc

AR眼镜玩家的两条主流路径

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表2:智能眼镜/AR眼镜玩家信息汇总gYGesmc

从2020年初到2022年上半年,全球推出了多款AR眼镜新品,发力的厂商包括OPPO、VUZIX、WaveOptics等。从现阶段主要的AR眼镜厂商的布局中,我们也可以看到一些信息(详见表2)——不管是针对光引擎还是下游品牌端,厂商主要围绕Micro OLED或Micro LED来布局。gYGesmc

在光引擎方面,Micro OLED阵营有三星、索尼、京东方、LG Display、eMagin、Kopin等企业,Micro LED阵营有Raxium、Jade Bird Display(JBD)、Plessey、Saphlux、Porotech、PlayNitride等企业。gYGesmc

在AR眼镜品牌方面,Micro OLED阵营有Solo、苹果、ODG(Osterhout Design Group)、爱普生等品牌,Micro LED阵营有谷歌、Meta、OPPO、索尼、Vuzix、Mojo、tooz、WaveOptics等品牌。gYGesmc

由于Micro OLED量产进度比Micro LED快,预期采用Micro OLED方案的AR眼镜或能更快量产,比如苹果AR眼镜预计2024-2025年实现量产,而Micro LED方案的AR眼镜则可能还需更久的持续投入和研发。gYGesmc

其实,AR眼镜这类产品还很新,还面临多方面的挑战。从技术角度来看,微投影技术还面临困难,牵涉到FOB、分辨率、亮度,甚至光引擎的设计,此外还要解决光波导衰减、电池耗电量等问题。从市场角度来看,各大品牌正在研究“AR眼镜能为使用端带来的最大价值是什么”,这需要市场来持续摸索。gYGesmc

在其他小屏穿戴市场,Micro LED也有发展机遇。Micro LED还有可能向上延展,在VR市场与Micro OLED来竞争。VR显示屏的核心问题在于亮度和效率上,Micro LED有机会打入到VR市场。在智能穿戴手表部分,部分厂商展示了Micro LED面板的手表,Micro LED的高亮、高对比度的特性,或能满足极限运动/户外运动爱好者的需求。gYGesmc

除了尚未批量量产的AR眼镜之外,智能穿戴领域的其他许多产品均已实现量产,比如医疗领域的血压/血糖仪,消费电子领域的智能手环、智能手表、TWS耳机等已经得到较好的应用。作为AIoT领域的一部分,智能穿戴市场的发展值得大家关注。2022年6月29日,全球领先的专业电子机构媒体AspenCore和深圳市新一代信息通信产业集群将在深圳联合主办【2022国际AIoT生态发展大会】,推动工业互联网、智慧家庭、智慧机器人、智慧两轮车、智能穿戴等行业上下游企业之间的技术交流与商业合作,整合国际国内AIoT领域的技术力量与市场渠道资源,打造粤港澳大湾区电子产业链上下游企业发现未来独角兽企业、挖掘更合适技术合作伙伴、对接生态合作平台、拓展市场渠道资源的核心枢纽平台。gYGesmc

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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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