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中國LED微顯示產業發展之路

字體變大  字體變小 發布日期:2019-06-25  瀏覽次數:1247
核心提示:微顯示產業研究中心《LED屏顯世界》雜志社顯示技術作為一門依托電子信息轉換的視覺成像技術,其發展經歷從單色到彩色,從模糊到清
 微顯示產業研究中心

 《LED屏顯世界》雜志社

 

 

顯示技術作為一門依托電子信息轉換的視覺成像技術,其發展經歷從單色到彩色,從模糊到清晰,從小到大,歷經無數的變化,F代生活中,顯示已經無處不在。大到戶外巨幅的樓宇廣告、電影熒幕,小到手機屏幕以及人們日常生活中已經離不開的電視機和電腦,各種類型的顯示器件成為信息顯示的載體,被廣泛地應用于各行各業中。

近年來,隨著LED光源的大量應用,以LED顯示為代表的新型顯示以其低電壓、微功耗、自發光等特點越來越受到應用端的親睞。而通信技術的飛速發展,要求顯示器向多功能和數字化方向發展,即具備電視、計算機、可視電話等為一體的多媒體、數字化等特點。多媒體終端顯示器在顯示性能方向應具有大屏幕、高分辨率、高亮度、全色化等高性能。另一方面信息技術多樣化、實時化的特點,導致便攜式終端顯示技術成為引人注目的發展領域,便攜式終端顯示器應具有重量輕,厚度薄、能耗小、工作電壓低等特性。而這些需求正像是為LED顯示量身定做的一樣,可更大限度的去擴展LED顯示的潛力。

 

微顯示的起源

微顯示概念雖然是近兩年才提出的,但是 具有“微顯示”特點的顯示設備早已經出現。 最初具有“微顯示”特點的顯示設備是頭盔懸掛式微型CRT 再配一個光學放大設備(頭戴式顯示器HMD)。隨著市場的發展,顯示設備要求用面積更小、重量更輕、功耗更低的替代產品來代替CRT,智能眼鏡和AR/VR作為最新的微顯示設備應運而生。根據工作原理的不同,微顯示技術可分為調制微顯示(modulating micro display)和發射微顯示(emissive micro display)。調制微顯示,即光源經過 調制照射到像素陣列上以后,反射或投射到觀 察者的顯示領域中。微顯示技術具有體積小 (一般的微顯示設備的圖像對角尺寸(image diagonal)在10mm左右,不會超過25mm)、 分辨率高(微顯示設備的分辨率通常是SVGA 到SXGA,最低是QVGA)、都需要利用光學放大設備才能正常觀看等特點。

在微顯示設備光源的選擇上,應用者發現,Micro LED在功耗、亮度、發光效率、響應時間、面板使用時間和溫度適應性等方面都比OLED等其它光源表現更好,因此認為Micro LED運用于微顯示技術是當前較為理想的選擇。但Micro LED技術還不夠成熟,還有許多技術瓶頸亟需解決,包括外延晶片工藝、巨量轉移、缺陷檢測和電流驅動等。雖然Micro LED因技術成熟度不夠,尚不能完全滿足應用需求,但Micro LED的特性,為LED光源應用于微顯示領域奠定了堅實基礎,也開啟了LED光源的微顯示時代。

Micro LED技術是在2000年由來自于德州理工大學的江紅星和Jingyu Lin兩位教授領導的一個研究小組創造。Micro LED就是傳統LED通過更小的方式排放在陣列中,這種技術可以降低對極化和封裝層的要求,能讓顯示面板更薄。因此Micro LED的組件都很小,寬度不到50μm,比人類的頭發還細。

Micro LED面臨的難題是如何將大量的LED芯片轉移到控制電路板上,稱之為“巨量轉移”技術。由于技術尚不成熟,造成產品良率普遍不高,成本也高居不下,尚不完全具備大規模產業化基礎。為此,臺灣以晶電為代表的一批晶圓制程企業創造性的提出了Mini LED方案。Mini LED是介于Micro LED與傳統LED之間的一個新概念,由于Micro LED尺寸通常小 于50μm,市場大部分產品通常傾向于3-15μm 內的更小尺寸范圍。而傳統LED,哪怕是小間 距等微小封裝的1010、0606、0404等規格的器 件,其尺寸也在200μm以上。Mini LED填補了 Micro LED和傳統LED之間的尺寸空白。但除了 尺寸,兩者的技術和制造基礎設施要求,以及 應用也有差異。Micro LED在組裝和芯片結構 方面要求重大技術突破,并且需要對制造基礎 設施進行大幅革新,但Mini LED芯片只需要對 傳統LED進行成比例的縮小。Mini LED可以在 現有的晶片廠進行制造,沒有或幾乎不需要額 外的投資。從這個意義上講,Mini LED是傳統 LED通往技術難度更高的Micro LED技術路上的 “墊腳石”或不可或缺的技術積累。

 LED作為分立器件,可大可小,可隨意拼 接的特性使其在超大屏幕顯示以及便攜式顯示 方面都具有一定的優勢。然而在越來越注重清 晰度,在4K、8K、5G、HDR等技術即將廣泛應 用的今天,傳統的LED分立器件已經面臨小無 可小的境況。顯示行業開始探索革新單個分立 器件的封裝方案,“四合一”,“N合一”在 行業應運而生;部分企業甚至直接走向COB、 Mini、Micro LED的集成解決方案。顯示行業 正在高度形成一種共識,通過降低像素點的物 理間距,達到提升顯示質量的目的。

雖然行業內尚未對Micro LED、Mini LED 等微顯示器件有明確的標準劃定,但按行業大 多數的觀點通常認為:尺寸小于50μm為Micro LED,尺寸介入50μm和200μm之間的屬于Mini LED范疇,而尺寸大于200μm的則屬于當前傳 統小間距范圍了。

如果單純按Micro LED、Mini LED以及傳 統LED的尺寸來定義微顯示,而不去探究其封裝或制造制程及工藝的話,我們將凡是物理像素點間距在P1.0以下的全部統稱為微顯示。如果Micro LED是以LED光源為微顯示所能達到的最高階段的話,那么傳統小間距(包括IMD形式封裝的“四合一”,“N合一”方案)則是微顯示的初級形態,Mini LED將是傳統小間距LED邁向Micro LED階段的折中方案,是通往Micro LED終級階段的技術積累階段,也是當前產業化最現實的選擇。

 

中國微顯示產業發展歷程

小間距

在中國提微顯示,必然繞不開小間距。自 2012年始,國內以利亞德、洲明、藍普等為代表的顯示屏廠商開始應用臺灣億光、宏齊等封裝廠商研發的1010型號的微型LED器件制造顯示屏,從而引領中國LED顯示屏產業進入到了小間距時代。經過幾年的發展,中國LED小間距已經在全球獨樹一幟,成為引領高清LED顯示屏的風向標。

關于小間距LED的定義,中國光學光電子行業協會LED顯示應用分會出臺的標準將P2.5以下(含P2.5)間距的LED顯示屏稱其為小間距,然而在實際應用中,行業早已經將小間距的標準下探到P2以下。當前行業主流應用在P1.875到P1.2之間,不少企業下探到P1.2以下,甚至不乏P1.0以下的例子,洲明和利亞德都曾宣稱有P0.9或P0.7的案例。

小間距的出現,為中國LED顯示應用產業打開了一片廣闊的新天地。既在軍事監控等專業級的市場取得應用后,小間距又進軍DLP占主流的室內會議系統以及安防市場,并占據了DLP市場絕大多數的市場份額。接著小間距又滲透到以LCD和LCD拼接屏為主的室內商用顯示領域,如今在商顯系統已經形成小間距三分天下有其一的格局,充分說明了小間距的競爭優勢。

一批傳統DLP企業如威創、JQY、賽投、清揚等企業在無法改變DLP背投市場逐漸被小間距LED侵占的現實,選擇加入到小間距陣營,更加壯大了小間距LED的版圖,使其應用范圍進一步擴大,在專業級的安防監控以及交通指揮監測等重要的軍民市場越來越占據更加重要的地位。

后續隨著?低、大華等安防集成領域的標桿企業進入到小間距LED領域,標志著小間距這一由中國主導的顯示創新方案已成主流。中國LED顯示產業憑借在小間距領域的創新應用及產業化基礎,第一次站上了全球LED 顯示產業的應用高地,一段時間以來引領了全球的LED顯示應用潮流。

小間距的全面興起,助推了中國LED顯示應用行業的全面進步,將行業的技術水平提升到了一個前所未有的高度。從燈珠到驅動IC以及控制系統,再到后端的視頻處理、箱體和電源等,乃至LED顯示屏制造工藝等方面,行業為了迎合小間距的發展,進行了系統的全面的革新,堪稱行業內一次協同創新的典范。在小間距上行業獲得的協同創新的成果,正在反哺LED顯示應用產業其它各領域,帶動中國整個LED顯示應用行業無論是技術水平還是制造工藝都實現了質的飛躍。中國LED顯示屏也擺脫了質次價廉的標簽,在全球的高端顯示應用市場屢屢展現身影,在與巴可、達科等全球頂級顯示應用企業同臺競技時,也毫不遜色。

隨著小間距顯示產業的日趨成熟,價格也呈現出持續走低的趨勢。這為小間距替換更多的潛在市場打了堅實的基礎。除去專業級的工程應用領域,小間距在商顯系統已經大顯身手,一批貼合室內商顯應用的廣告機、海報屏、櫥窗屏等迅速成為商顯市場新的寵兒。而這種規格與尺寸相對固定的產品,讓LED顯示屏有別于工程化定制化的屬性,已經開始具備規;瘶藴驶a的通用產品模式。這正是LED顯示行業孜孜以求的有效降低成本,迅速做大產業規模的根本途徑。2013年前后,國內小間距先導廠商,利亞德推出尺寸為80吋的LED小間距超級電視,洲明也推出了規格與尺寸相似的LED TV,并且附帶有裸眼3D功能,這被看作是國內小間距在通用化規格化方面最早的嘗試。另一家請來體育巨星姚明做代言的安飛久光更是將小間距電視做到極致,整個電視由四塊小間距單元組合而成,實現一根電源線控制,系統和音響全部集成在屏幕下方的一個封閉的盒子中,是形式上最為接近電視機的LED顯示屏,其制造工藝堪稱當時之最。然而因其高昂的成本,小間距電視并沒有獲得市場太多的認可,小間距依然回歸專業級工程應用領域。

此次向民用市場大膽的滲透雖然不能說是成功,但為小間距積累了非常寶貴的經驗。LED顯示屏第一次如此完美的詮釋了邁向通用產品的應用路線,此后以電視為應用方向的小

間距方案成為各廠商競相開發的產品。而小間距最新在規格化通用化方面的應用,則在會議系統領域。艾比森在2016年推出iCon會議顯示系統,分別發布了125、138以及165吋三種規格的小間距會議系統,也是集成度很高的規格化通用化小間距產品。

然而當間距下探到P0.X的時候,傳統小間距的單位燈珠數量成倍數增長,這對于線路板打線及傳統小間距LED顯示屏所采取的貼裝工藝,帶來了幾何級的難度。這也制約了P0.X小間距LED顯示屏的良品率,也給量產帶來了難題。特別是成本的直線上升更是讓應用客戶難以接受。

 

“四合一”Mini LED模組方案

在傳統小間距下探到P0.X時代幾乎小無可小的時候,國內行業出現了另外一種替代方案,即采用IMD集成封裝的“四合一”“N合一”方案。2017年,行業新銳晶泰星光電突破傳統設計思維,吸收集成電路設計經驗,創造性將IMD集成封裝(Integrated Mounted Devices,簡稱:IMD)引入 LED顯示封裝領域,即四合一 陣列化封裝。“四合一”封裝被視為傳統表貼燈珠和COB產品之間的折中方案,即一個封裝結構中有四個基本像素結構,集合了SMD和COB的優點。

這種封裝的好處在于克服了COB封裝里單一CELL結構中LED晶體件過多的技術難度;對于下游終端制造企業而言,基本封裝單位的幾何尺寸不會因為“像素間距過小” 而變得“非常小”,進而導致“表貼”焊接困難度提升;并且一個幾何尺寸剛剛好的基礎封裝結構,有助于小間距LED顯示屏“壞燈”的修復,甚至滿足“現場手動”修復的需求(0.X的表貼產品和COB產品 都不具有這種特性)。

“四合一”的封裝結構,讓表貼工藝照樣可以大顯身手。當前適用于P1.0間距尺寸的表貼技術,就可以制造P0.6間距的LED顯示屏,極大程度上繼承了LED顯示產業最成熟的工藝、設備和制造經驗,實現了終端加工環節的“低成本”。并且“四合一”的封裝結構亦采用共享陰極、邊框接線的設計,這也有利于優化終端制造工藝,較少焊接點,提升產品的成本性。業內認為“四合一”是一種盡可能繼承了上一代產品經濟性的“創新”,盡顯中國哲學中的“中庸”之道,既保持傳統,又注重創新與進取。

當前,“四合一”Mini LED模組封裝出于成本的考慮,采用的還是普通正裝的芯片,并沒有對芯片工藝提出特別的要求。隨著晶泰星、國星光電、朗德萬斯等封裝廠商更進一步的推進“六合一”甚至是“N合一”方案,采用尺寸更小,出光效果更好,更易貼裝的倒裝芯片將是必然的選擇。倒裝工藝無焊線,完全沒有因金線虛焊或接觸不良引起的LED燈不亮、閃爍、光衰大等問題。同時,倒裝工藝能 夠最大程度提供LED芯片的有效發光面積、最大程度提供LED芯片的有效散熱面積,進一步提升了產品光學特性和可靠性。采用倒裝工藝被視為下一代LED顯示產品芯片封裝的“關鍵方向”。

“四合一”Mini LED模組本質上依然是四個由12顆RGB-LED芯片合成的“燈珠”,下游廠商在表貼工藝上的核心資產和技術優勢被悉數繼承。甚至,中游封裝企業,“大量Mini LED集成”的難度也被“繞了過去”。這使得“四合一”Mini LED模組既滿足了中游封裝企業更容易大量供給,又保持了下游企業產業鏈自主性、核心技術地位不損失的特點。

“四合一”Mini LED模組在采用高度集成化和更小LED芯片的前提下,下游廠商幾乎不犧牲產業利益、更不需要讓渡技術主導權,并最大程度發揮了LED顯示行業已有的大量表貼技術資產的價值,進而實現了最大程度上保護了下游終端廠商的“分割”蛋糕的能力。這讓這種技術,更多的贏得下游廠商的歡迎。當前行業內,以奧拓、洲明、聯建、艾比森等為代表的一線LED顯示屏廠商都已經采用或即將采用“四合一”Mini LED模組技術,部分企業已經有成熟的銷售案例。

“四合一”Mini LED模組也有其“劣勢”,在封裝階段,最終產品的“顯示像素間距已經被確定”。這使得,中游封裝企業必須提供“更多規格的四合一燈珠”。后者要求產業鏈的上下游合作更為緊密——從部件級別上升到“產品”級別。這可能進一步促進以“中游-下游”聯盟為特征的行業“集團”在LED顯示市場上的出現。

整體上,相對于COB技術,“四合一”Mini LED模組更充分利用了現有的產業技術、資源和資產,給下游廠商留下了更多的“價值空間”,并在顯示效果和體驗上實現了明顯的提升和改進。作為目前LED顯示行業的技術創新方向之一,其可以說是“折中”,也可以說是“集大成”。且正是因為折中,才使得“四合一”Mini LED模組具有技術難度下降和成本可控的優勢。這讓“四合一”Mini LED模組更易于成為行業的“變革先行者”。

 

COB微顯示

COB本意是指LED芯片的一種封裝技術,全稱是Chip On board即板上芯片。COB技術最初在LED照明行業應用,用于功率型器件集成封裝領域。2007年前后,長春希達光電推出集成三合一技術,即在一顆LED器件內集成三顆LED紅、綠、藍芯片,通過混色技術使三原色LED在一顆LED燈珠實現全彩顯示,由此構成LED顯示屏像素陣列的集成式的基礎發光顯示器件,這被看作是COB在LED顯示里面應用的最早形式。隨后有綁定行業經驗的韋僑順光電將綁定技術帶到LED顯示屏行業,用綁定的方式集成封裝LED單色顯示模組,也被視為COB技術在LED顯示屏中最初的應用。

這種將LED裸芯片直接固定在PCB板上的封裝模式被稱之為COB技術。簡單來說,就是把發光芯片直接貼裝在PCB板上,不需要支架和焊腳。與傳統的SMD做法相比,COB封裝省略LED芯片制作成燈珠和回流焊兩大流程。芯片直接裝配到PCB基本上,沒有了封裝器件尺寸的限制,可以實現更小的點距排列,這對于想要走進更小間距的LED顯示屏廠商來說,有著天然的吸引力。但COB技術出現已有多年,市場卻始終沒有發展起來,直到近兩年來在一批封裝廠商的直接推動下,才為行業所重視。

COB顯示難以被顯示屏廠商所接受的原因,既有技術工藝方面的制約,也有企業參與度的因素。COB的技術工藝目前還沒有完全成熟,其一次性通過率難控制,成品率低與墨色不均等難題,一直沒有得到有效的解決,導致其產能瓶頸難以突破,無法實現規;a。此外,COB在維修方面也是一個難題。除了技術工藝難題,一項新興技術的發展更離不開眾多企業的參與推動。之前行業從事COB顯示屏生間的顯示屏廠商僅有長春希達、韋僑順、奧蕾達、威創、卓華等幾家,這也是COB顯示屏無法大規模推向市場的一個重要原因。

2017年前后,以封裝起家的上市企業雷曼光電宣布進軍COB領域,并宣稱可以量產COB顯示模組。隨后新光臺、晶臺等傳統顯示封裝企業紛紛跟進,推出了各自的COB顯示模組。后續新晉企業海訊高科更是推出了全新解決方案的COB模組。一時間LED顯示應用行業COB顯示風頭正盛。

眾多封裝實力企業的加入,有效地推動了COB顯示的產業化之路。不少傳統小間距LED顯示屏廠商也關注COB顯示的發展動態,將其視為通往更小間距路上的有效途徑。其中希達電子實現P0.7,其優勢明顯。在解決墨色不均問題時,相關企業采用提升對比度和覆膜等技術工藝,一定程度上解決了相關問題。隨著COB量產的不斷推進,COB顯示理論上的成本優勢也將得到逐步顯現。

當前COB顯示技術經常被拿來和采用IMD方式的“四合一”“N合 一”Mini LED模組技術比較。實際上Mini LED和COB LED的競爭從來 都不存在,無論是現階段還是尚未到來的COB技術代替SMD技術的時 代,Mini LED和COB LED不是也不會是競爭關系。從定義來看COB說 到底只是一種封裝技術,COB LED也只是這種封裝技術的產品,Mini LED是點間距約在100微米的LED產品。兩者在定義上并沒有交集,要 說競爭也是COB技術和SMD技術競爭,Mini LED和Micro LED、傳統小 間距LED競爭。在去年的美國infocomm展上,希達電子攜一系列Mini LED COB產品亮相美國infocomm展,利亞德也正在研發COB式Mini LED小間距產品,這表示二者不但不是競爭關系還能進行很好的融合 互補關系,Mini LED的間距過小,傳統的SMD封裝技術未必能夠滿足 Mini LED的封裝要求,COB技術或許是更好的選擇。

COB顯示和Mini LED二者能不能很好的融合互補,這還牽涉到多的技術問題,我們也無法預知二者是結合發展好,還是單獨發展 好,但不論二者的發展會給行業帶來什么樣的改變,下一代的顯示 技術之爭是不會停息的,而未來的顯示技術上的局面一定是百花齊放 的,在各個不同細分領域都會有不同程度的競爭。

 

Micro LED ——通往未來顯示的高峰

Micro LED是指在芯片上集成的高密度微尺寸LED陣列,每個像素點定址化、單獨驅動,具有自發光特性。相比于當前顯示技術主流OLED和LCD,Micro LED結構更加簡單,性能優勢更加明顯,具有高亮度、低能耗、使用壽命長、無影像烙印、響應速度快等優點,可廣泛應用于面板顯示器、AR/VR設備、戶外顯示器、頭戴式顯示器(HMD)、抬頭顯示器(HUD)、無限光通訊、投影機等領域。

 

Micro LED產業發展情況

借助蘋果收購LuxVue科技公司,布局 Micro LED熱度,Micro LED在可穿戴市場的微顯示應用引起廣泛關注。三星、索尼布局Micro LED大屏顯示應用,分別推出Micro LED 產品“CLEDIS”和“The Wall”。美國Vuzix 和英半導體公司Plessey共同合作開發Micro LED 顯示引擎用于下一代AR智能眼鏡。據預測,至2025年Micro LED顯示市場出貨量可達3.3億片,市場產值將達到28.91億美元。

目前,Micro LED形成兩大應用方向,一個是以蘋果為代表的可穿戴設備市場;一個是以三星、索尼為代表的超大尺寸電視市場。蘋果早在 2014 年便布局Micro LED,收購了LuxVue科技公司,取得多項Micro LED專利技術。LuxVue科技公司成立于2009年,專注于Micro LED顯示技術的研發。根據相關資料,LuxVue科技公司已申請了Micro LED相關專利23項,加上蘋果申請了Micro LED相關技術專利17項,目前蘋果已經掌握Micro LED專利超過了40項。目前,蘋果專注于Micro LED在移動設備端的應用。對于手機、智能手表等移動設備來說,顯示屏耗電占設備整體耗電總量可達80%。Micro LED因其高亮度、良好的節能特性,適合移動設備的戶外使用,并且極大地延長移動設備的續航時間。智能手表對顯示屏分辨率要求低,巨量轉移難度降低,有望率先在Apple Watch上得到應用。

在大屏應用方面,Micro LED顯示采用三基色或者四基色等方案,可覆蓋更廣色區,可使顯示畫面擁有超高畫質和對比度,其亮度也可達2000nit以上。2018年美國CES大展上,三星首次推出146英寸模塊化Micro LED電視 “The Wall”。“The Wall” Micro LED 電視不僅擁有優越的顯示畫質,還采用獨特的模塊化設計,屏幕由多個較小的模塊無縫拼接而成,可進一步增大或縮小屏幕。并且,Micro LED 可采用多個較小面板制成無縫拼接顯示產品,可以根據實際需求和其他屏幕連接組成更大尺寸的顯示屏。

除移動設備和大尺寸顯示器應用外,Micro LED顯示因其性能優異,最小的光學系統損失效果,較高的電源效率,可應用于AR/VR可穿戴設備。AR設備對亮度和PPI要求非常高,而硅基Micro LED可滿足在陽光照射條件下實現清晰顯示。AR/VR設備需要上萬nits的亮度,只有Micro LED可以做到。因此,Micro LED是開發下一代AR/VR設備的最優選擇。不久前,美國smart glasses&AR技術供應商Vuzix宣布,將與英國Plessey半導體公司共同合作開發Micro LED顯示引擎用于Vuzix的波導光學器件,開發下一代AR智能眼鏡。

 

Micro LED 技術難題亟待解決

Micro LED顯示是當下眾多企業關注和研發的具有革命性的顯示技術,但現階段將Micro LED投入量產仍有巨量轉移、全彩化、波長一致性等限制。在LED固晶上,每片顯示器上要嵌入數百萬顆微型LED,良率要求控制在99.9999%的狀態。目前,對于Micro LED顯示制造量產技術來說,巨量轉移技術尚未完全克服,極大地限制其產業化應用。巨量轉移是指將大量的點(分子或粒子)從一端移動到另一端,可以是單一階段或者多重階段,可以在汽液中發生,也可以在固體中發生。巨量轉移的核心技術在于如何大量的、有選擇的抓取微米級薄膜磊晶。在Micro LED生產中,就是要在保證良率和效率的條件下,將數百萬至上千萬微米級LED晶粒移動到電路基板上。以4K TV為例,需轉移晶粒達2400萬顆(以4000x 2000RGB三色計算),一次轉移1萬顆,仍需重復2400次。目前,巨量轉移尚沒有一個好的解決方案。

除巨量轉移技術是最具難度外,使 R G B LED全彩顯示并使LED中的紅光部分在微米等級里提升LED亮度,困難程度也非常高。Micro LED對于產品波長均勻性要求也更是嚴格。目前,市場標準下的藍光LED波長均一性要求在±5-12nm,小間距顯示波長均一性要求低至±1-1.5nm,Micro LED的波長均一性要求至少低于±1nm。Micro LED涉及的產業包括LED、

半導體、面板上下游供應鏈,芯片、機臺、材料、檢測設備等都與過去的規格相異,提高了技術的門檻,跨領域產業的溝通整合也增加了研發時程。

 

我國Micro LED發展情況

雖然Micro LED由華人科學家江紅星團隊發明,臺灣顯示產業也很早就跨足Micro LED 等微顯示器件領域,蘋果公司并購的LuxVue 公司就是在臺灣創立的,但我們國內在Micro LED領域起步稍晚,卻發展很快。

以華星光電、京東方、天馬微為龍頭的平板顯示企業積極布局Micro LED領域,京東方在2019年初宣布與美國Rohinin公司成立合資企業,共同生產用于背光的Micro LED。而當前華星光電在Micro LED領域的專利申請量方面排名國內第一,其次是京東方企業。上市企業康得新則是間接布局Micro LED,于2016年以3500萬美元投資了擁有多項Micro LED專利的公Ostendo。而三安光電、華燦光電、乾照光電等上游芯片廠商積極布局Micro LED芯片領域,目前已經取得一定的成果,其中三安光電就在為三星的微顯示項目供應芯片。后續產業內有瑞豐光電、鴻利智匯等企業也在積極布局Micro LED領域。而最值得稱道的是,易美芯光成功開發了Mini LED的背光技術和Micro LED直接顯示產品。2019年6月9日易美芯光在光亞展上正式推出了139寸4K(38402160)的IconiView 顯示屏,該顯示屏是基于Flip-Chip-on-Module(COM),結合擁有專利技術的LED芯片點陣驅動與圖像處理算法芯片而成的Micro LED Display(MLD) 產品,其像素密度達到1570900pixel/㎡,對比度超過3000:1,亮度達到2000nit。據悉這款產品是易美聯合韓國Lumens開發像素點間距從2.0mm到0.55mm的Micro-LED-Display技術,是可媲美Sony CLEDIS和三星the Wall產品。該產品已完成可靠性認證,目前在國內率先實現量產,并已開始在全球接受訂單。該企業聲稱Iconiview系列MLD顯示屏已經完全具備承接批量訂單的能力。

除去這些產業界在布局Micro LED微顯示外,我國主要從事微顯示研究的主要是一些以大學為主的學術機構。其中以南方科技大學、南京大學等機構為主?偟膩碚f,我國Micro LED產業目前還處于起步階段,但中國在顯示產業領域基礎厚實,一旦有政策引導,我國很快能形成政、產、學、研聯合驅動,全面發展的局面,這也是我國相較于其它國家所具有的獨特的產業優勢。

就在今年5月份,由國內主流企業發起成立的超高清視頻產業聯盟,正式發布了《超高清視頻產業需求指南》1.0版,里面就對Micro LED作出了相應的規劃。要求采用技術,開發微米級、更高分辨率、更高對比度及更低功耗的Micro LED芯片,提供更好的畫質和更寬廣的視角。應用端的需求規劃的出臺,相信能更好地指引Micro LED產業向前發展。

 

Mini LED——Micro LED顯示技術的過渡

Mini LED一詞最早由臺灣芯片廠商晶元光電提出,目的是在Micro LED之前尋求一種過渡或暫時的替代方案。由于Micro LED存在巨量轉移等關鍵性技術和設備上的難題,短期內難以實現量產,各大廠商轉而把Mini LED視為Micro LED的前哨戰。Mini LED作為Micro LED顯示技術的過渡,制造技術更加成熟、生產設備更加齊全,容易實現相關產品量產。

Mini LED采用背光設計、微縮芯片等技術,可獲得輕薄、高畫質、低功耗等特性,性能水平接近于OLED,在亮度、顯色等方面優于OLED。Mini LED以背光源應用為訴求,可適用于車用面板、戶外顯示屏、大尺寸電視、手機、電競筆電等領域。據相關機構預估,2023年整體Mini LED產值將達到10億美元。目前,臺系LED廠商布局Mini LED十分積極,晶電、隆達、聚積、群創、友達、宏齊、億光均表示今年將實現Mini LED產品量產,大陸廠商也紛紛跟進。

 

Mini LED 的定義之爭

Mini LED的概念自晶元光電等臺灣企業提出以及推廣后,始終伴隨著爭議。Mini LED是介于傳統LED與Micro LED之間,作為一個區別Micro LED和傳統LED的概念,又名“次毫米發光二極管”,意指芯片尺寸約在100微米左右的LED,簡單來說還是傳統LED背光基礎上的改良版本。應該說Mini LED概念提出的背景是基于直下式LED背光的改良技術,但其定義芯片的尺寸則讓爭議得以顯現。目前,Mini LED形成兩大應用方向,一個是直下式背光為代表的平板顯示市場;一個是以三星、索尼為代表的超大尺寸LED顯示市場。背光和顯示市場從來都是LED應用的重要方向。

在背光應用領域,導入Mini LED背光的除 了有一些國際國內電視機大廠外,還有華為、 小米等手機廠商也準備在手機屏幕中導入Mini LED。而在顯示應用領域,傳統LED顯示屏廠 商正在面臨小間距小無可小的窘境,而在此時 一種利用IMD技術橫空出世的“四合一”“N合 一”集成封裝的SMD器件引發顯示應用行業極 大的關注。不知是出于產品推廣的需要,還是 基于這種封裝方案的確能解決傳統小間距廠商 關于微間距化的需求,這種產品被命名為Mini LED模組。其理由是Mini LED模組能有效減少 顯示屏上物理像素點間的距離,如果單純按 間距尺寸定義的話,也確實是介入傳統LED和 Micro LED之間。

 

Mini LED與Micro LED

Micro LED作為新一代顯 示技術,在性能表現上具有諸 多優勢,但其最大難題“巨量 轉移”,阻礙了Micro LED量 產的進程。Mini LED晶粒尺 寸約在50微米以上的LED,相 比于Micro LED,制程工藝技 術相對容易,生產良率高,具 有異性切割特性,并且Mini LED可采用現有大部分設備進 行制造,更容易實現產品量產。

在顯示器應用方面,將 Mini LED芯片做成自發光顯 示器成本過高,并且分辨率 可能無法滿足現有產品要求。 因此,Mini LED 搭載背光模 組,主要面向背光源應用領 域。Mini LED雖然沒有自發 光特性,但其搭配軟性基板可 制成高曲面背光的形式,通 過局部調光設計,可使Mini LED顯示具有好的演色性,實 現HDR,同時具有節能特性。 Mini LED對于畫質的提升雖 不如Micro LED,但依然可大 幅提升現有LCD顯示畫質,且 成本相對容易控制。

 

Mini LED與OLED

OLED發光特性使其擁有 高色飽和度、高對比度、畫質 好以及響應速度快等優點, 在顯示應用方面具有很大的 優勢。而Mini LED利用LCD顯 示器架構,微縮芯片尺寸至 100-200μm,在背光模塊中 通過矩陣式排列布滿LED,可 以同樣實現高對比,并可擁有 1000nit以上的高亮度。Mini LED可通過分區調光實現 HDR,擁有好的畫質。因此, Mini LED在顯示器性能上并 不弱于OLED,并可在亮度、 顯色等方面實現性能超越。

在小尺寸顯示應用方 面,如手機,Mini LED在顯 示效果各方面可達到接近于 OLED面板。Mini LED與OLED 在相同性能要求時,成本問題 成為兩者競爭的關鍵。Mini LED生產鏈與制造技術成熟, 隨著技術發展生產成本的進一 步降低,Mini LED在手機市 場的普及應用值得期待。但在 大尺寸電視市場,Mini LED 具有與OLED叫板的能力。在 大尺寸電視市場,OLED的印 刷上色技術仍未成熟,現行 技術方法的材料利用率低于 30%。目前在電視上以WOLED 為主,即以黃/綠色搭配藍色 發光層合成白光,通過使用彩 色濾光片完成全彩化。而Mini LED采用背光設計的液晶電 視面板,畫質水平與OLED接 近。并且在生產成本上具有 小幅優勢。以65吋UHD為例, OLED生產成本約為950-1000 美元。而采用Mini LED背光 的65吋UHD,以使用30000- 40000顆LED估算,其生產成 為約為900-1000美元。因 此,Mini LED在大屏電視市 場,具有應用的前景。

 

Mini LED 產業應 用及市場情況

目前,因Micro LED相關 技術暫未突破,眾多廠商已 紛紛轉向Mini LED的相關應用的開發。其中,臺灣地區在Mini LED布局十分積極。 面板廠有友達、群創等,LED 芯片廠有晶電、隆達等,LED 封裝有億光、榮創等,IC設計有聚積、瑞鼎等廠商。大陸 的面板廠商有京東方、華星光 電、天馬微電子等,而在芯片方面也有三安、華燦、乾照等 企業在推進芯片的工藝及制程,應用方面有瑞豐、鴻利智匯等企業。瑞豐更是協助TCL推出了國內首臺Mini LED背 光電視。

隨著新能源汽車、自動 駕駛車市場滲透率的提高,車用顯示器需求量大幅增加。 2017年全球車用顯示器總量約為2.41億,預估2025年全 球車用顯示器總量約成為至 6.24億,2017-2025年復合成 長率(CAGR)為13%。

全數位汽車儀表板是一種網絡化、智慧化的儀表板,其功能更強大,顯示內容更 豐富,線束連結更加簡單、更 全面、更人性化地滿足駕駛需求。車用顯示面板在儀表板、 中控面板及娛樂用板應用普及 率不斷提高,儀表板發展至合 并顯示(10.3-12.5吋),中 控面板發展至全車顯示的控 制(10.1-17吋),娛樂用板 發展至非嵌入式顯示(10.3- 11.4吋)。

目前,一體式整合面板 尺寸10.3-12.5吋為現在車用 市場主流,PPI(Pixel Per Inch)約111-199,亮度需求 800-1000nit,高亮度顯示以符合晴天高環境亮度的顯示質量。車用面板發展趨勢除了增大面板尺寸、廣視角與高亮度等基本要求外,也開始往不規 則狀與曲面的樣式發展。

當前車用顯示市場仍以高穩定性LCD為主流,但LCD 仍需背光無法做成高曲面, 無法滿足消費升級帶來的新需 求。OLED可達到車用顯示器 性能需求,但其有機材料穩定 性較差的問題,影響其在該市 場中的應用。

 Mini LED采用無機材料,具備高信賴性的穩定性。其通過微縮芯片尺寸,在背光模組中矩陣式排列LED,亮度 可實現1000nit以上;異型切 割特性使其在異型顯示器等背光源產品訴求上得以應用;結 合軟性基板,可滿足高曲面需求,并通過區域調光功能可獲得高對比度、廣色域。Mini LED憑借其各方面優勢,可搶 占車用顯示市場,并具有良好前景。

 

 
關鍵詞: 微顯示發展之路
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