Micro LED如何解鎖高清無碼？

    五年前，蘋果iPhone X開始搭載OLED（有機小分子電致發(fā)光顯示）屏幕；2021年，蘋果在新款MacBook Pro上搭載了新的顯示技術：Mini LED（次毫米發(fā)光二極管）。但Mini LED不是終點站，蘋果涉足的另一項儲備技術，新秀Micro LED（微米發(fā)光二極管）顯示技術或有望一統(tǒng)江湖。

    之所以升級顯示技術，都是為了看得更清晰、更還原真實世界。但目前，搭載Micro LED技術的產品過于昂貴，如三星110英寸的Micro LED電視，價格已超過百萬元，普通人根本無福消受。Micro LED產品價格何時才能親民，手機平板何時才能上Micro LED屏幕？

    本文您將了解到：Micro LED為什么被稱作終極顯示技術，Micro LED的產業(yè)化難點，Micro LED市場情況。 

    改變人類生活的顯示技術

    簡單來講，你可以把Micro LED理解成將LED縮放到極小尺寸的一種新型顯示技術。其未來應用有望涉及顯示器、電視、手機平板顯示、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實/混合現(xiàn)實（AR/VR/MR）、空間顯示、柔性透明顯示、可穿戴/可植入光電器件、光通訊/光互聯(lián)、醫(yī)療探測、智能車燈等領域。

    業(yè)界使用兩種方法界定Micro LED的技術規(guī)格。

    一是通過芯片尺寸界定，將LED芯片縮放至小于100μm，便可稱為Micro LED芯片（也有學者認為應以50μm為界）。根據(jù)觀看距離和人眼的極限分辨率，對芯片尺寸的要求也不同：

    VR/AR應用觀看距離約5cm，像素密度要達到1800PPI左右，此時Micro-LED芯片尺寸為3~5 μm；

    10英寸~12英寸的平板至少要達到300PPI的像素密度，對應芯片尺寸為20~30μm；

    75英寸的電視則只需43PPI，芯片尺寸往往為200μm左右。[1]

    另一種是通過工藝界定，由于Micro LED芯片尺寸非常小，其長寬甚至比芯片的高度還小，導致芯片高度大于固晶面尺寸，不利于芯片在基板上固定，因此會比傳統(tǒng)LED增加一步激光剝離芯片基板的操作。

    縱觀整個顯示行業(yè)，技術持續(xù)涌現(xiàn)，目前市場主流技術包括TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示）、AMOLED（主動矩陣有機發(fā)光二極管顯示）、QD-OLED（混合OLED和QLED的技術）、QNED（以藍光LED作為光源的QD-OLED顯示）、Mini LED、Micro LED、Micro-OLED。

    可以簡單將現(xiàn)階段顯示技術分為LCD、OLED、QLED、Micro LED四個大類，其他技術是在此基礎上的改良版或過渡版，而Micro LED被認為是理想的顯示技術，是新型顯示時代的終極目標，有望替代現(xiàn)階段大面積使用的LCD和OLED。

    從黑白到高清彩色，CRT技術滿足了一代人對影響世界的夢想。從又厚又重到平板顯示，LCD和OLED滿足了人們對輕薄、便攜、對視力友好的要求。而現(xiàn)階段，唯一能達到更接近現(xiàn)實，甚至是能夠騙過人眼的下一代顯示技術，是Micro LED。[3]

    行業(yè)人士認為，當多種顯示技術集中爆發(fā)后，最終可能只會有一兩種技術能主導市場，而最有希望的無疑是Micro LED。[1]

    Micro LED憑什么能獲得如此高的評價？因為它不僅擁有LED的大部分優(yōu)點，還具有高亮度、高分辨率、高響應速度、低功耗、體積小、易拆解、靈活度高、無拼縫等特征，能夠覆蓋絕大多數(shù)顯示應用場景[5]。與此同時，它的響應速度能夠達到幾十納秒，沒有殘像且不存在壽命問題。[3]

    除此之外，對比LCD、OLED、QLED等前輩，Micro LED的主要性能參數(shù)均較為優(yōu)異。

    過渡技術已大規(guī)模商業(yè)化

    Micro LED還有一個近親：Mini LED，可以將后者理解為LED與Micro LED間的過渡技術。由于技術原理極為類似，業(yè)界普遍將二者歸結于一個路線中，有些情況也會被合稱為MLED。

    作為前序技術，Mini LED主要解決的問題是芯片尺寸斷層問題，相關技術發(fā)展對Micro LED具備一定的借鑒作用，其芯片尺寸一般為75μm~300μm。

    Mini LED要比Micro LED實現(xiàn)起來簡單地多，不僅在芯片尺寸上更容易被實現(xiàn)，而且在材料上也沒有科學性的難題，已被量產投入到市場中，蘋果、三星、TCL等品牌已實現(xiàn)規(guī)�；�量產。

    但Mini LED與Micro LED有不同應用場景，市面上Mini LED一般作為LCD背光源出現(xiàn)，再結合量子點技術，實現(xiàn)高動態(tài)范圍顯示，而Micro LED則直接用于制作顯示像素[7]。簡單來說，市售的Mini LED顯示器本質上還是LCD，Mini LED只是LCD的一個陪襯，而Micro LED顯示器則直接發(fā)光成像。[8]

    自2018年開始，面板廠商陸續(xù)發(fā)布使用Mini LED作為背光的樣機，產品尺寸達到152.4mm~685.8mm（6~27英寸），至今為止，Mini-LED背光的顯示器已擁有1398mm（55英寸）、1651mm（65英寸）、1905 mm（75英寸）和2159 mm（85英寸）等型號，可達8K分辨率、120Hz刷新率的高指標，可將現(xiàn)有顯示器對比度由10000∶1拉升至1000000∶1。[9]

    Mini LED產業(yè)化行徑明晰，已具備一定出貨量。2021年，全球中尺寸Mini LED背光面板出貨量達740萬片。到2023年，智能汽車將成為Mini LED的新陣地。[10]

    作為中間過渡的Mini LED產業(yè)一派欣欣向榮之勢，而Micro LED依然小眾，那么想讓Micro LED出圈，究竟難在哪里？

    想造，沒那么容易

    Micro LED什么都好，就是貴。究其原因，在于制造環(huán)節(jié)的難題較多，導致難以大量生產、良率較低，引發(fā)價格攀升。

    從表面看，Micro LED芯片只是將LED芯片微縮化，但實際情況遠比想象中要難。從毫米級到微米級轉換的過程，本質是LED微小化、薄膜化和矩陣化，在該過程中材料生長、器件制備、驅動技術、生產工藝等步驟都發(fā)生了變化，最終產生質變。[11]

    Micro LED采用的是RGB（紅綠藍）顏色標準，由于是自發(fā)光元件，想讓Micro LED顯現(xiàn)圖像，就要分別做出三基色的發(fā)光芯片，以此構成一個個像素。

    用不同材料，可以制備不同顏色的Micro LED芯片，如InGaN/GaN基材料用于制備綠光/藍光Micro-LED陣列，AlInGaP/GaAs基材料用于制備紅光Micro LED陣列，藍寶石、砷化鎵和硅等襯底上生長外延層，制備Micro LED陣列。[12]

    從襯底到產品，Micro LED顯示器會經過外延生長、芯片制造、巨量轉移、性能檢測四大工藝。

    從技術上來看，芯片制備相關的材料和設備上相對成熟，問題癥候在于制造環(huán)節(jié)，具體來說，Micro LED的壁壘包括以下幾點：

    都是小惹的禍

    對芯片來說，尺寸做得越小，制造難度就越大，Micro LED亦如此。Micro LED芯片的尺寸實在太小了，將其制作成各種顯示器件時，都要考慮小尺寸帶來的影響。

    要取得小尺寸的Micro LED，就要使用微縮制程技術，將LED芯片微縮后到滿足應用要求的尺寸。微縮制程技術包括芯片焊接、晶圓焊接、薄膜轉移三種路徑，技術實施得越好，像素密度就會越高。 

    Micro LED還有個不得不面對的致命問題：在微縮過程中，時常會產生側壁缺陷。比如，同樣是2μm的誤差缺陷，在250μm×250μm尺寸的LED上，剩余可使用率為97%，但在5μm×5μm的Micro-LED上，剩余可使用率僅為4%。[14]

    不僅如此，Micro LED芯片尺寸越小，電感耦合等離子體（ICP）刻蝕區(qū)域（側壁）與有源區(qū)體積的比率就會越大，刻蝕損傷所形成的缺陷占比越高[15]。導致非輻射復合比例逐漸上升，發(fā)光效率和使用壽命下降。如尺寸從400μm減小至20μm，電流密度光效下降比例可達50%[7]。這還會導致有源區(qū)內肖克利·雷德·霍爾（SRH）非輻射復合幾率增加、輻射復合幾率和發(fā)光效率降低、引入新的漏電通道加重器件反向漏電。這些問題，在尺寸小于10μm的Micro-LED上尤為顯著。[16]

    芯片尺寸問題還會讓提高驅動器與Micro LED陣列集成的效率和穩(wěn)定性成為難題。簡言之，量產LED或是Mini LED的工藝流程，對Micro LED來說可能不再適用。

    巨量轉移的困境

    LED顯示器的每個像素點都由點陣組合而成，一個個小LED芯片組成的陣列的間距基本一致。Micro LED也是同理。制造出芯片后，也要將大批量的Micro LED芯片定點巨量地轉移到電路基板上，這個過程就是“巨量轉移”。

    與傳統(tǒng)的LED不同，Micro LED的巨量轉移不僅對轉移精度、轉移速率、色彩均勻度的控制有更高要求，轉移數(shù)量也更大，4K的Micro LED顯示器需完成兩千多萬顆的Micro LED芯片倒裝，而8K則達到了上億顆。[17]

    目前巨量轉移技術有多種技術方案，包括精準拾取技術、激光釋放技術、流體自組裝技術及滾輪轉印技術等，不同技術擁有不同特性，但都存在一定弊端。

    具體來說，精準拾取技術對轉移設備精準度及穩(wěn)定度要求極高；激光釋放技術在實施過程中可能會對芯片表面造成損傷，降低良率，此外激光設備價格昂貴；流體組裝技術需經歷3次才能完成轉移，效率較低；滾輪轉印技術可在柔性基底上實現(xiàn)轉移，但同樣需要3次轉移才能完成巨量轉移。[17]

    部分方法在實驗室可達99.99%的良率，但比起至少要達到99.9999%良率的產業(yè)化要求，相差距離較大。業(yè)界正在探尋一種易實現(xiàn)、良率高又較為便宜的技術方案。[18]

    繽紛色彩背后的挑戰(zhàn)

    為什么顯示器能夠呈現(xiàn)得如此豐富多彩？因為顯示界普遍采用了RGB（紅綠藍）顏色系統(tǒng)，通過RGB三原色疊加合成，能夠實現(xiàn)肉眼可見的大部分色彩。想要Micro LED能夠正確描繪出畫面，就要做好色彩方案，即全彩化。

    Micro LED彩色化主要有兩種解決方案：一種是藍色源轉色方案，但色轉換材料存在涂布均勻性和信賴性等問題，應用較少；另一種是直接使用LED的RGB三色方案，但對Micro LED來說，這種方案并不是拿來就能用，需要對LED大小進行相應調整，此外由于各色波長均一性差異，還會面臨光效率和良率不足的問題。[14] 

    產業(yè)鏈上的難題

    造出Micro LED芯片并不代表著結束，要讓它真正顯現(xiàn)在人們眼前，在多個技術領域上都要有所突破。

    與其它芯片技術相同，Micro LED也將牽扯龐大的產業(yè)鏈與原材料問題，從原料到點亮屏幕，分為上游、中游和下游，每個環(huán)節(jié)都與最終成品息息相關，其中較為關鍵的技術包括驅動IC、驅動背板和封裝。[19] 

    產業(yè)正蓄勢待發(fā)

    作為終極目標，Micro LED無疑是顯示領域的明星。

    2000年以來，得州理工大學教授提出Micro LED的概念，堪薩斯州立大學制備基于Ⅲ族氮化物Micro LED[20]，學術界自此掀起研究浪潮。尤其在2006年后，開始呈指數(shù)型增長。谷歌學術數(shù)據(jù)顯示，截止目前，Micro LED領域已有近6000篇文獻。

    世界各地研究機構與廠商也相繼投入Micro LED的研究，在消費電子巨頭牽動下，Micro LED初步產業(yè)化。

    2012年，索尼發(fā)布55英寸高清Micro-LED電視面板Crystal LED，它是首個作為商業(yè)產品出現(xiàn)的產品；

    2014年，蘋果公司收購Lux Vue，入場Micro LED的技術研究，這項技術真正開始進入大眾視野，迄今為止，蘋果不僅持續(xù)推動Micro LED技術發(fā)展，還發(fā)布了多款Mini LED相關產品；

    2018年，三星于CES展推出全球首款模組化拼接的146英寸Micro LED TV“The Wall”；

    2020年12月，三星發(fā)售110英寸Micro LED電視；

    2021年1月，Vuzix發(fā)布首款商業(yè)化的Micro LED AR智能眼鏡。[17]

    從專利上來看，2002年～2014年，Micro LED專利申請總量較小。而自2017年開始，申請量開始大幅提升。[21]

    由于技術難題較多，現(xiàn)階段Micro LED整體市場規(guī)模有限，業(yè)內預計，Micro LED在2024年將實現(xiàn)大規(guī)模商用化。[22]

    據(jù)Research And Markets統(tǒng)計，2020年，Micro LED的全球市場規(guī)模為10億美元，預計到2027年將以77.1%的年復合增長率增長[23]。另據(jù)高工產研LED研究所（GGII）預測，2025年全球市場規(guī)模將超過35億美元，2027年有望突破100億美元[24]。反觀國內方面，有望在大規(guī)模商用化之后沖擊800億元市場規(guī)模。[22] 

    目前市場側Micro LED應用分為兩大方向，一是以蘋果為代表的可穿戴市場，另一個是以三星、索尼為代表的超大尺寸電視市場。短期來看，市場將集中在超小型顯示器上，中長期來看，Micro LED將會橫跨可穿戴設備、超大室內外顯示屏幕、抬頭顯示器（Head-Up Display，HUD）、車尾燈、AR/VR/MR、投影機等多領域。[25]

    推進產業(yè)化的企業(yè)主要包括三類：第一類為傳統(tǒng)LED芯片和封裝企業(yè)，如日亞、晶電Lumens等企業(yè)；第二類為TFT-LCD和OLED等新型顯示企業(yè)，如京東方；第三類為終端企業(yè)，如索尼、三星、LG。

    產業(yè)化形式上則以合作為主，Micro LED以定制化設計為主，加之技術要求較高，行業(yè)呈現(xiàn)高度整合態(tài)勢，面板、芯片、巨量轉移及驅動IC等廠商抱團式發(fā)展。[26]

    國際上，相關融資也此起彼伏，目標均指向大規(guī)模產業(yè)化。 

    Micro LED在國內也受到熱捧，在政策上不斷傾斜，且投融資動作頻繁�！�2022 Mini/Micro LED顯示產業(yè)白皮書》顯示，僅2022年1月~8月，國內就有30多家企業(yè)有投資動作，涉及資金總計達415億元。[10]

    我國產業(yè)鏈上下游企業(yè)也紛紛在LED、巨量轉移、彩色化、檢測、修復等關鍵技術開展技術合作，形成“京東方+華燦光電”“三安+華星光電”“富采+錼創(chuàng)+友達+群創(chuàng)”三大陣營[27]。與此同時，國內已展開可穿戴顯示、高清移動顯示、車載顯示、高清大尺寸顯示、超大尺寸拼接商用顯示樣機的研發(fā)及試產工作。[18]

    對產業(yè)來說，Micro LED未來之路非黑即白，從好的方面來看，市場前景一片光明，從壞的方面來看，短時是銷量的博弈。

    一方面，市場下行，面板行業(yè)則是砍單風暴的第一批“受害者”，消費電子需求不濟，不知道這種情況是否會在大規(guī)模商業(yè)化時有所緩解。

    另一方面，對普通消費者而言，他們更多關注的是產品的性能、功能及價格，對于采用是哪種技術，并不會過多關心。對于顯示廠商來說，最為重要的，可能便是思考如何讓更多普通消費者感受到Micro LED對生活的改變。