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Micro LED真的会取代LCD和OLED吗?

Micro LED真的会取代LCD和OLED吗?

以过去的经验来看,随着micro LED技术的成熟,OLED和LCD(mini LED属于LCD范畴)是否会被替代?或许这个答案并不简单。

业内根据LED芯片尺寸的大小,来定义不同的LED技术。比如,当LED芯片尺寸小于150μm时,被称为mini LED;而当LED芯片尺寸在50μm以下时,被称作micro LED。伴随背光LED芯片尺寸越来越小,显示面板的结构也随之发生变化。HQDesmc

当LED芯片的尺寸小到像素级别时,每一个像素对应一个micro LED芯片。由于micro LED可自发光,能控制明灭、亮度和色彩,较之于传统的LCD屏幕,micro LED可省去液晶层、滤光片结构。HQDesmc

micro LED的屏幕结构与OLED较接近,都具备像素自发光、结构简单、发光效率高的特点。不过,micro LED的材料寿命远高于OLED有机发光二极管,其稳定性也更强。HQDesmc

从技术成熟度来看,micro LED离真正的规模化量产还有一定的距离,其量产成本仍居高不下。实际上,OLED早年也经历过这一时期,虽然现在OLED的大屏成本仍远高于LCD,但是已经达到能被普通家庭用户接受的范围。HQDesmc

以过去的经验来看,随着micro LED技术的成熟,OLED和LCD(mini LED属于LCD范畴)是否会被替代?或许这个答案并不简单。HQDesmc

micro LED离大屏制造还略为遥远

首先,需要明确的是,micro LED在发展前期,很难应用在大面板上。就如OLED一样,micro LED大面板制造工艺极大程度受制于良率和成本。HQDesmc

LED芯片变小,其带来的价值比大家预想的更大。如果观察micro LED的制造流程,发现它从wafer上生长出来,最终需要被转移到屏幕背板(back plane)上。如果一块屏幕的分辨率是1920x1080,屏幕的像素数量超过200万个,每个像素由红绿蓝三个子像素构成。如果这是一块micro LED屏幕,意味着这块屏幕上有600万个micro LED芯片。HQDesmc

凭借当代半导体制造工艺,在wafer上生长出600万个micro LED芯片并不困难,难的是要将这600万颗micro LED芯片转移到背板上。业内将这个转移过程称为巨量转移(mass transfer)。即使是市场上高端的mini LED屏,如2021款iPad Pro 12.9",其背光层也仅有10000颗mini LED而已。因此,巨量转移是micro LED制造中的一大难点。HQDesmc

针对巨量转移问题,市场上存在着不同的解决方案。其中,比较主流的两大类分别是:整片全体转移和分批拾取放置(pick-and-place)。整片转移适用于小尺寸屏幕,因为屏幕面板足够小,所以才可以整片转移;分批拾取放置的技术难度更大,大屏只能采用这种方案来实现巨量转移。HQDesmc

巨量转移不是micro LED面板制造的唯一技术难点,但它是制约大小屏micro LED制造的分水岭——当然,大屏能做到多大主要取决于成本,三星和索尼首次展示的micro LED大屏电视的成本都超过了百万美元。HQDesmc

在最近几年的显示技术展会上,厂商展示的micro LED产品已经趋向务实。在今年的SID Diplay Week上,天马微电子、友达光电、錼创科技等厂商展示的micro LED产品,都是面向汽车仪表板、电子纸等小屏应用。当然,即便展示的是大屏应用,目前其参数优势也并未碾压OLED/LCD。HQDesmc

现阶段的机遇:AR/VR、透明屏、折叠屏

结构上的显著优势决定了micro LED高像素密度、高亮度、高对比度、快速响应的特点。高像素密度、高亮度和高对比度可以从结构显著感知,此前的原型产品展示中,就已经有厂商展示过上万ppi(每英寸的像素数量)像素密度的显示屏。HQDesmc

由于micro LED芯片小到像素级别,它可以用单像素不发光来显示真正的黑色。同时,micro LED显示器中的超小型LED,在将电转化为光子方面更为高效,micro LED比OLED、LCD更亮;基于较高的电子迁移率,micro LED的开关速度可达纳秒级别。HQDesmc

由于制造工艺的限制,micro LED前期仅适用于小屏,比如格外适用于AR/VR(现实增强/虚拟现实)类应用,包括娱乐的护目镜产品。HQDesmc

AR/VR对显示亮度、对比度、像素密度和响应的要求远高于手机类消费电子产品,LCD、OLED在技术上很难满足这类应用的需求。很多消费者反馈,现在的AR/VR应用容易致人眩晕,缺乏沉浸感,其实这很大程度是受制于LCD、OLED的技术本身。而micro LED在AR/VR领域的应用显著克服了这个问题,或许AR/VR未来发展的关键,取决于micro LED技术的突破。HQDesmc

另外,micro LED芯片的小型化有利于面板的柔性、透明化,錼创科技就曾展示过柔性+透明的屏幕。“柔性”“透明”“可折叠”正是屏显技术这两年来的热点,在某种程度上是实现行业突破的关键。HQDesmc

《国际电子商情》分析师从面板供应链上游的LED芯片制造商处获悉,micro LED前期应用会专注于可穿戴设备、AR、VR以及车载小屏产品上,从技术上看是顺理成章的事。HQDesmc

值得一提的是,虽然micro LED比LCD/OLED存在着不少技术优势,但是其中的一部分优势仍停留在理论阶段。比较具有代表性的是EQE(外量子效率)——它可以理解为发光效率。micro LED显示屏的屏幕结构,相比LCD去掉了液晶、色彩滤镜、偏振片,相比OLED无需复杂的封装技术,理论上micro LED显示屏的发光效率远高于后两者。HQDesmc

不过,micro LED极小的尺寸,致使芯片受侧壁效应的影响非常大——这是制造过程中出现的工程问题,因此micro LED的实际EQE极为低下,甚至可能还不及LCD、OLED。侧壁效应的存在也令micro LED更难量产出理想的大屏应用。所以,市面上现有的micro LED方案都远未体现micro LED本身的技术优势。HQDesmc

与LCD/OLED之间的应用互补

micro LED的各种技术挑战,是诸多市场参与者竞相尝试解决的难题。micro LED的技术特性还决定了未来显示产业链结构的变化,micro LED的小型化让面板制造进一步向半导体技术倾斜。HQDesmc

举个简单的例子,由于micro LED的小型化,使得显示屏的背板部分由非晶硅或低温多晶硅TFT(薄膜晶体管)开始向CMOS技术过渡。具体来看,背板是用来控制每个像素点亮、熄灭、灰度级的电路层。较之于非晶硅和低温多晶硅,单晶硅具备更高的结晶质量和电性质,CMOS开始成为一种选择。所以一般的IC制造工艺就能做背板的制造了,这是显示行业与半导体行业进一步融合的显著表现之一。HQDesmc

CMOS仅限于小尺寸屏幕。在生产大尺寸屏幕时,CMOS也面临成本问题。因此,非晶硅和低温多晶硅TFT仍然是大屏micro LED制造的必要技术。HQDesmc

Hendy Consulting对micro LED的早期观察认为,micro LED供应链可能会出现价值转移。这由其技术特性决定,因micro LED向IC制造逐渐靠拢,给传统面板厂商的地位发起了挑战。HQDesmc

预计未来的产业链会存在4种可能性:第一种是传统显示行业玩家(如三星、LG、京东方)仍然处于中心地位,只是价值会被稀释;第二种是具备垂直整合能力的厂商,如苹果收购的LuxVue、谷歌投资的Glo AB,将在micro LED世界中占据统治地位;第三种是新的行业格局构成,行业价值可能向LED芯片制造商、半导体制造商和持有关键IP的企业(或多方合作)转移;第四种则是micro LED可能不会成为市场主流。HQDesmc

从中国大陆、中国台湾以及韩国这两年的市场动向来看,micro LED的相关投资正大规模增加,产业链的上下游企业也在积极合作。而在2018年之前,micro LED的市场玩家各自为政,不同的企业有不同的技术方向,而且这些技术方向差别甚大。HQDesmc

考虑到micro LED制造技术可能需要以应用为导向,来定制系统性的制造流程——这与LCD/OLED大不一样。各自为政的局面不利于micro LED的市场发展,而且某一大类技术存在不同的技术方向、没有共同的标准,只是行业处在发展初期的表现。2020年开始,业内出现了大量合作,这正是micro LED正走向成熟的标志。HQDesmc

其中的市场变数非常大,《国际电子商情》分析师认为,Hendy Consulting分析的行业发展方向可能过于简单。在我们看来,不仅是近1-2年市场投资与合作风向的变化,还在于micro LED未来或许会有个长期发展的可能性。HQDesmc

就像当年OLED出现并未完全取代LCD那样,micro LED前期作为一种在小屏、AR/VR上具备发展潜力的技术,它极有可能会与OLED、LCD长期并存。只是三者负责的应用方向各不一样,如micro LED专注于小屏和AR/VR市场,并且在高端市场上吃掉OLED、LCD的部分价值。虽然OLED与LCD的市场规模会缩小,但从技术和市场来看三者将形成微妙的互补关系,而不是micro LED取代OLED或LCD。HQDesmc

本文为《国际电子商情》2021年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击 这里HQDesmc

原创
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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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