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终端需求和政策驱使Micro LED行业快速发展

字体变大  字体变小 发布日期:2024-07-03  来源:中国网财经  浏览次数:1238
核心提示:从成本上来说,一个4英寸的蓝宝石外延片,切成普通的LED芯片大概有6万颗,切成Mini LED芯片大概有60万颗,切割Micro LED芯片在240万颗以上。同样一块晶圆,做成Micro LED的数量有显著提升,单颗芯片成本更低,这也是从成本上来看,Micro LED具备发展潜力的原因之一。 从性能上来说,相比于已经大规模量产的LCD技术和OLED技术,Micro LED几乎在各个技术维度上都有着非常优越的性能优势……
Micro LED是显示技术六边形战士。人类信息80%以上都是通过眼睛获取,人类对显示画质和形态的更高要求,驱动显示技术不断发展迭代。彩色显示技术从发展至今经历过CRT等过渡技术,目前以LCD和OLED技术为主流。从性能上来说,Micro LED作为下一代显示技术,相比于已经大规模量产的LCD技术(液晶显示)和OLED技术(有机发光二极管显示),Micro LED几乎在各个技术维度上都有着非常优越的性能优势:长寿命,高对比度,可实现高分辨率,响应速度快,更广的视角效果,丰富的色彩,被视为显示技术的终极方案。

  一、成本和性能驱动Micro LED产业不断发展

  Micro LED是一种新型LED微缩化和矩阵化技术,是指在一个芯片上集成高密度微小尺寸的LED阵列。该技术通过把LED单元微缩至小于50微米的级别,从而实现单点驱动自发光,比传统LED小~100倍,将像素间距从毫米级降低至微米级。因此,Micro LED本质上就是微米级别的LED,而LED发光二极管是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件。

  从成本上来说,一个4英寸的蓝宝石外延片,切成普通的LED芯片大概有6万颗,切成Mini LED芯片大概有60万颗,切割Micro LED芯片在240万颗以上。同样一块晶圆,做成Micro LED的数量有显著提升,单颗芯片成本更低,这也是从成本上来看,Micro LED具备发展潜力的原因之一。

  从性能上来说,相比于已经大规模量产的LCD技术和OLED技术,Micro LED几乎在各个技术维度上都有着非常优越的性能优势,比如长寿命,高对比度,可实现高分辨率,响应速度快,更广的视角效果,丰富的色彩,超高的亮度和更低的功耗等。其中,(1)轻薄化:Micro LED的尺寸约为传统LED的1/100,或大约是人类头发宽度的1/10;(2)低功耗:Micro LED采用三原色亚像素自发光的结构,LCD显示过程中需要借助背光源到偏光片再到彩色滤光片,该显示过程中有大量能量损耗,两者相比,在显示应用中Micro LED的功耗是LCD功耗的10%左右。Micro LED采用无机材料发光,发光效率更高,OLED采用有机材料发光,两者相比Micro LED发光功耗低于OLED。因此,在显示相同的画面,Micro LED的功耗低于OLED,并且远低于LCD;(3)高亮度:Micro LED在发光部分中使用了氮化镓(GaN)无机材料,其亮度理论上可以达到105cd/m2,远高于LCD的3,000cd/m2和OLED的1,500cd/m2,且无机材料的使用寿命更长;(4)高分辨率:在Micro LED显示技术下每一个Micro LED都是一个能够自发光的像素,同时单个Micro LED都在微米级别,因此它可以做到非常高的分辨率。Micro LED显示屏的像素密度可以做到1,500PPI以上,而LCD和OLED屏幕PPI约在800PPI和400PPI左右。

  综上所述,成本和性能会推动Micro LED产业不断发展。

  二、Micro LED应用场景

  Micro LED是未来的终极显示技术。如果不考虑成本与制程成熟度,仅看显示的性能与指标数据,Micro LED毫无疑问是终极显示技术,Micro LED的一切性能指标都优于其他的显示技术。从应用场景上来说,Micro LED适用于所有尺寸产品应用。从技术可行性和经济可行性角度来看,Micro LED将率先应用于3寸以下小尺寸显示和100寸以上大尺寸显示。

  在3寸以下小尺寸显示方面,Micro LED将侵蚀OLED的市场。小尺寸显示由于观看距离非常近,对显示效果要求较高,同时小尺寸显示常见于移动终端,对于功耗也有较高要求。因此,OLED凭借低功耗、显示效果佳的优点成为小尺寸显示的主流技术,但是未来OLED在该领域的市场份额将被Micro LED侵蚀。一方面Micro LED在显示效果、功耗等一切显示性能指标上均优于OLED;另一方面,由于屏幕尺寸小、像素总数较少,Micro LED的成本也相对可控。从当前技术来看,Micro LED已经能够实现芯片微缩化,但是在巨量转移方面还是存在一些瓶颈,良率也相对受限,目前各家企业都在探索在成本可控的基础上的技术改进方案。

  在3-99寸显示方面,短时间内Micro LED难以侵蚀LCD和OLED的市场份额。由于观看距离近,显示屏对芯片尺寸和间距要求较高,同时屏幕尺寸变大像素总数也变多,因此应用于3-99寸显示屏的Micro LED,制程技术难度和成本都明显增加,且在这一区间内Micro LED技术成熟度还有待提高。而且最为关键的是这一尺寸区域无论是小尺寸的OLED和中大尺寸的LCD,其成本优势都牢牢不可撼动。未来,随着Micro LED成本的不断降低、技术的不断精进,Micro LED与LCD和OLED的成本与制程难度差距会进一步缩小。

  在100寸以上的大尺寸显示方面,Micro LED占据优势。100寸以上的显示市场中,LCD会受限于大尺寸面板的生产良率和切割效率,OLED同样由于蒸镀工艺大尺寸化后难度更高、成品率更低,成本难以实现下降,因此过往在100寸以上的显示市场中显示效果较为一般的投影仪和液晶拼接屏占据主导地位,但随着Micro LED成本的大幅下降,其凭借整屏拼接、色彩丰富、高亮等诸多优势,将加速对投影仪和液晶拼接等传统显示产品的替代。

  三、Micro LED行业市场规模

  目前Micro LED芯片已在眼镜、电视等显示场景实现产品化,但大部分产品受价格限制,仍处于概念阶段,还未实现大规模市场推广。未来,随着Micro LED关键技术的突破和逐渐成熟,商业化和产业化成本大幅度降低,芯片良率进一步提高,Micro LED预计将率先在大尺寸和小尺寸显示场景应用。从出货量来看,据Omdia预测数据,受智能手表和高端电视市场需求影响,全球Micro LED显示器的出货量将从2020年微不足道的水平飙升至2027年的1,600多万片,市场需求潜力大。从市场规模来看,据集邦咨询预测,在微型显示器应用场景中,预计在2026年,Micro LED AR眼镜显示器芯片产值高达4,100万美元;在大尺寸显示场景中,2022年Micro LED大型显示器芯片产值将达到5,400万美元,至2026年有望升至45亿美元,年复合增长率为204%,市场增幅空间大。

  四、终端需求和政策驱使行业快速发展

  (1)终端需求变化是驱使行业发展的主要因素

  2009年以来LED芯片行业经历了三轮景气周期,均由LED产品新需求带动。第一阶段是2013年之前,平板电视和手机背光作为LED的主要需求驱动LED行业的发展,第二阶段是2013年至2014年,2013年欧盟全面禁止白织灯,对LED专业照明和景观照明需求上涨,沿海LED出口上涨驱动LED行业发展;第三阶段是2015至2020年,小间距LED快速发展,大量替换LCD和DLP,广泛应用于政府指挥中心、安防、疾控、商业、夜游等领域,从而驱动行业发展;第四阶段是2020年以后,LED显示行业对于高清显示与低功耗的需求逐渐提升Micro LED的渗透率。作为终极显示技术,随着成本降低和技术进步,Micro LED将凭借长寿命,高对比度,高分辨率,丰富的色彩,超高的亮度和更低的功耗等优越性能,加快Micro LED产业化的进程,并有望驱动行业再次进入上升周期。

  (2)国家政策大力支持将驱动行业发展

  Micro LED作为下一代新型显示技术备受关注,近年来,国家颁布了多项支持性政策,如2021年“十四五”规划中明确提出,第三代半导体是其重要内容,项目涵盖新能源汽车、大数据应用、5G通讯、Micro LED显示等关键技术;工信部等5部门发布《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划(2022-2026年》中提出,将重点推动Micro LED等微显示技术升级;工信部和财政部发布《电子信息制造业2023-2024年稳增长行动方案》中提出,大力发展Mini LED、Micro LED等技术;工信部等七部门联合发布《关于推动未来产业创新发展的实施意见》中提出,突破Micro LED、激光、印刷等显示技术并实现规模化应用。上述政策和法规的发布和落实,表明了我国政府对发展Micro LED产业的积极态度和坚定决心,为Micro LED行业发展提供了较好的发展环境,Micro LED预计将受益于国家的政策支持,迎来快速发展。

  五、Micro LED行业的发展情况

  (1)行业发展现状

  Micro LED制造过程与常规技术步骤类似,主要包括LED外延片生长、Micro LED芯片制作、驱动背板(TFT驱动或者Micro IC驱动)制作、巨量转移四部分组成。首先将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化,然后将Micro LED采用巨量转移技术至电路基板上,其基板可为硬性、软性透明、不透明基板;再利用物理沉积制程完成保护层与上电极,即可进行上基板的封装,完成一结构简单的Micro LED显示。但由于芯片的微缩,Micro LED制造技术对现有产业链的每一个环节都提出了新的技术指标和要求,包括材料、工艺、设备等各领域关键技术的研发需求,且每个产业环节的技术都不是可以独立发展的,是非常复杂的技术体系,需要面板、芯片、巨量转移及驱动IC等产业链上下游密切配合。目前外延&芯片制造、巨量转移、全彩显示、显示驱动四大关键技术仍有待突破。

  (2)全球技术创新概况

  从Micro LED的发展历史来看,2000年德州理工大学的两位教授率先提出了Micro LED这个概念,目前已经进入了全球技术创新热度的高涨期。从2017年开始,Micro LED技术创新活跃度明显上升,目前正处于爆发式增长期。目前,Micro LED全球专利储备超过4万件,其中有效专利超过1.3万,审中和有效占比之和接近80%,表明该领域内潜在专利障碍较高;从Micro LED技术创新较活跃区域来看,该技术创新较活跃区域在中、美、韩,结合专利布局的地区,表明较活跃的市场在中国、美国。从全球和中国主要创新主体来看,全球头部创新主体中、韩、美企业较有优势,主要以显示面板、光电类企业为主。其中,全球前15名的企业中,中国企业占一半以上,京东方、华星光电排进全球前5;除中国头部企业,韩国的三星、LG专利布局量排在全球前列。从研发机构的类型对专利数量的分布结果来看,初创企业最高,达到了29%。从专利类型来看,专利数量分布围绕着外延和芯片结构、巨量转移、全彩显示、显示驱动这四大关键技术。

  (3)四大关键技术发展情况

  外延和芯片制造:Micro LED制造流程从晶圆到芯片需要经过外延-台阶刻蚀-导电层制备-电极制备等步骤。在外延&芯片结构技术方向,对于尺寸更小的Micro LED,目前行业内主要关注波长均匀性、外延低缺陷和量子效率问题:(1)芯片微缩后对于外延波长一致性和低瑕疵率有高要求,传统LED要求6-12nm,Micro LED芯片则要求降低至2nm;(2)芯片尺寸越来越小,切割裂片良率随之下降;(3)Micro LED效率会随电流密度的增大而增大,当达到峰值之后随电流密度的增大而减小。而随着Micro LED尺寸的减小,效率峰值向大电流密度方向移动,且效率峰值不断降低。

  巨量转移:由于Micro LED发光层和驱动基板生长工艺差异,很难通过生长工艺将显示阵列和驱动器件集成起来,因此需要转移步骤将制作好的Micro LED晶粒转移到驱动电路基板上,此过程即为巨量转移。以一个4K电视为例,需要转移的晶粒就高达2,400万颗(以4,000 x 2,000 x RGB三色计算),即使一次转移1万颗,也需要重复2,400次,因此巨量转移面临三大难题:(1)转移精度:将Micro LED移动到驱动电路基板的准确度,须控制在±0.5μm以内,需要转移设备具有高对位精度和落点精准度;(2)转移效率:传统LED 2片/秒,Micro LED要求2万片/秒;(3)转移良率:显示产品对于像素错误的容忍度极低,如果要制造少于5个像素坏点的全彩1920*1080显示屏,转移良率须达到99.9999%。

  巨量转移技术主要包括分子作用力(印章转移)、静电、磁力转移、激光转移、自组装(流体装配技术)等。激光巨量转移可以把尺寸控制的比较小,响应快速,转移效率极高,同时具有高度可选择性,激光转移或将成为巨量转移的主流技术。目前,国内巨量转移技术和设备取得进展,厂商方面大族激光002008)、先导智能300450)、海目星激光等已实现巨量转移设备顺利出货,交付客户,但国产激光设备距离规模化量产仍长路漫漫。

  全彩显示:Micro LED实现单色比较简单,但实现全彩相对复杂,RGB三色需要分别转移红绿蓝三色晶粒。全彩显示能力作为Micro LED技术的关键技术指标,Micro LED的全彩化技术研究已经成为Micro LED技术发展的研究热点和难点。Micro LED彩色化实现方法主要包括RGB三色LED法、UV蓝光LED+发光介质法、透镜合成法,均存在相应的短板。相比较而言,在工艺流程和材料方面,UV蓝光LED+发光介质法相较其他方案更为简单,主要采用蓝光LED来替换背光板、以量子点膜或荧光粉作为发光介质替代RGB滤光片,完成全彩显示。

  显示驱动:以CMOS和TFT为代表的主动驱动设计方案成为Micro LED技术发展主流。Micro LED是电流驱动型发光器件,其驱动方式一般分为PM(Passive Matrix)被动驱动和AM(Active Matrix)主动驱动。由于被动驱动:(1)不利于大面积制作,无法满足大屏驱动要求;(2)行列扫描驱动特点,容易产生行列像素发光不均匀,导致显示图像和分辨率受限制;(3)像素间距逐渐缩小,传统PCB板的被动驱动方式不能满足驱动需求,在Micro LED应用上拥有诸多劣势,因此,以CMOS和TFT为代表的主动驱动设计方案或将成为Micro LED技术发展的良伴。举例来看,在CMOS驱动技术中,为突破转移键合技术,当前业界重点探索Micro LED与CMOS驱动电路的键合技术。

 
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