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显示产业激烈竞争,Micro-LED机会何在?
编辑:诗玉 [ 2017-6-14 14:22:40 ] 文章来源:数字标牌网
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重点摘要

Micro-LEDLED芯片尺寸缩小至小于100µM,且保持了良好的LED特性:自发光、发光效率高、对比度高、工作温度范围宽、寿命长、功耗低、对水和氧的阻绝性优良,以及非常快的响应时间(纳秒级)。

现有的几种Micro-LED显示制造方式一般可分为两类:Pick-and-Place和半导体集成工序。

在苹果/LuxVue所采取的方法中,晶粒移转装置由一个带有凸台(Mesa)的基板构成。每个台面包含带有薄层电介质涂布的电极。使用静电卡盘(electrostatic chuck)来动态选择哪些晶粒被移转。转送头看上去是一个线性结构,很像喷墨打印头一样。小至10×10µMLED晶粒可以被选择性地转送,用于Micro-LED器件的静电MEMS头阵列则被选择性地从载体基板转送到目标TFT阵列基板,从而形成一个主动阵列显示面板。

在电视、平板电脑、笔记本电脑、桌面显示器和智能手机等主流应用中,Micro-LED显示无法与LCDOLED竞争。LCDOLED将继续主导这些应用。相反,Micro-LED显示技术最有前途的初期应用可能是智能手表、公共信息面板和汽车用面板。

Micro-LED显示正受到越来越多的关注,许多人都在开发新的Micro-LED显示技术,以挑战LCDOLED。苹果在台湾秘密开发Micor-LED显示以及对Micro-LED开发商LuxVue的收购让更多人相信,Apple Watch将最终采用Micro-LED显示。

LCDOLED显示技术几乎适应于所有的显示应用。而Micro-LED显示技术在某些应用中日渐成为潜在的竞争者。发光二极体(LED)是一种寿命长、发光效率高、功耗低的自发光光源。LED提供更快的响应时间和更宽的工作温度范围,使其成为照明或显示应用的理想选择。

Micro-LED显示技术(也叫mLEDµLEDILED)的构思出现在2003年。自那时以来,开发出了各种Micro-LED显示的生产方法,原型样机已由下列公司主要展示出来:

台湾的ITRIITRI=Industrial Technology Research Institute,工业研究院)

爱尔兰的X-Celeprint

法国的CEA-Leti

美国的Lumiode

索尼(尤其是其CLEDIS墙显示)

虽然许多人认为LuxVue正在为Apple Watch秘密开发Micro-LED,但事实上LuxVue从来没有实际展出过Micro-LED显示。在20145月苹果收购这家初创公司时,Micro-LED技术获得了知名度。

虽然LED是一个成熟而稳定的行业,但Micro-LED却不是。另一方面,虽然显示面板是一个成熟且稳定的产业,但应用Micro-LED来实现显示功能可能依然意味着在制造过程中会遇到许多挑战。

Micro-LED和索尼CLEDIS显示

LED制造过程中,要在几英寸宽的蓝宝石或GaN衬底上形成外延片,然后切成单个LED芯片。接着对LED芯片进行检查、拾取和转送,并单个封装。每个典型的LED芯片通常宽约1毫米,采用这些芯片制成的显示器的分辨率可以达到100ppi。然而,每个LED芯片的发光波长不同,所以制造商必须对所有的LED芯片进行检查。由于LED检测和转送过程可能会导致LED芯片表面缺陷,因此LED制造被认为是一个非常复杂的过程。

相反地平板显示器FPD)通常是制造在1–2²的玻璃基板之上,但LED制造在较小的基板之上。

Micro-LEDLED芯片的尺寸缩小到100µM以下,同时保持了良好的LED的特性:自发光、发光效率高、对比度高、工作温度范围宽、寿命长、功耗低、对水和氧的抵抗性优良,以及极快的响应时间(纳秒级)。

索尼在20173月展示了一种水晶LED集成结构(CLEDISCrystal LED Integrated Structure显示视频墙;其应用情景是公共信息展示。索尼的自发光显示技术使用红色、绿色和蓝色超精细发光二极管安装在显示屏表面,每个像素独立发光。每个像素的尺寸只有0.003毫米²,从而使超过99%的表面积呈现黑色。

CLEDIS拥有1000尼特的亮度以及超过100:1的对比度。它支持高动态范围(HDR)、10位颜色深度、140%sRGB色域,并具有8K×2K的分辨率(9.7米宽度和2.7米高度)。每个LED显示面板是403×453毫米的320×360×RGB Micro-LED

然而,许多人认为,索尼的CLEDIS从技术上看并不属于Micro-LED显示,因为其精细像素密度并没有达到真正Mirco-LED的程度。这种非常精细的LED被一些LED制造商称为Mini-LEDMicro-LED应该将LED芯片的尺寸缩小到100µM以下。

Micro-LED显示与LCDOLED对比

LED是一种发光效率比OLED更好的自发光器件。下面的对比表明Micro-LED在许多方面优于LCDOLED——至少在理论上如此。

Micro-LED显示最重要的特点是结构简单,如下所示。

有源阵列LCDAMLCD)是多层结构,包括背光、TFT阵列、彩色滤光片、偏振片、光学薄膜、液晶,甚至更多层,如量子点薄膜。这是一种非常复杂的结构。然而,这也是最成熟的显示技术和工艺。

AMOLED的结构就比较简单,以有机发光显示材料及TFT阵列作为背板。但制造工艺(蒸发或喷涂印刷)还不成熟,其中的专门技术完全由几家主要制造商控制。

IHS Markit表示:从理论上讲,Micro-LED的结构最简单。当然,随着显示技术的发展,将有更多的结构层增加进来,以补偿或增强Micro-LED的特性。但其理论原理就只是简单地将无结构的像素排列在TFT阵列表面,然后让TFT阵列驱动Micro-LED产生图像和亮度。其结构极为简单。

一种生产Micro-LED显示的重要方法是复合式制造方法(hybridization)。在这种方法中,一个Micro-LED晶圆(Wafer)被与互补金属氧化物半导体(CMOS)绑定匹配,同时产生TFTLCD。复合方法可以产生一个小到10–20µMMicro-LED芯片,这就接近于5.1英寸全高清或Quad HD显示屏一个像素的宽度。虽然分辨率可能会因制造方法而有所不同,但是复合技术可帮助生产出超过800 PPIMicro-LED显示屏。

鉴于Micro-LED具有高分辨率、长寿命、高发光效率和低功耗,HD LED显示屏在移动显示器市场的地位看起来会进一步提升。此外,3D集成技术将允许制造商把Micro-LED基板用于柔性显示,对已有的柔性OLED显示构成威胁,因其寿命较短。

Micro-LED显示制造工艺:复杂且远未成熟

Micro-LED技术还没有为大规模生产做好准备。

Micro-LED器件的尺寸范围从几微米到几十微米。它们由外延LED供体或源晶圆提供,LED经过处理后被移除或转送到目标显示基板底板上。蓝宝石或GaN衬底的LED的尺寸通常是10英寸或更小,而且以目前的技术很难作出更大的LED基板。因此,有必要开发一种将Micro-LED芯片从基板转移到显示基板的工艺。

现有的几种Micro-LED显示制造方式一般可分为两类:Pick and Place和半导体集成(Semiconductor integration)。如下图所示

Pick and Place

LED进行转送以便将其间距调整到所需显示像素的密度。背板应该是LTPS(低温多晶硅)IGZO(金属氧化物)TFT阵列,与用于AMOLED显示屏的类似。几乎任何尺寸的直视显示器都可以用这种方式制成。

半导体集成(Semiconductor integration)

作为一个Micro-LED阵列,把LED以与显示像素相同的间距直接转送到绑定的源晶圆上。背板通常是带有像素驱动电路的CMOS晶圆。这就将显示尺寸限制在一英寸或以下,也就是一种用于近眼式或投影显示应用的微型显示。

换句话说,对于Micro-LED显示与LCDOLED在生产方面的竞争力来说,转送技术最为关键。

这里采用在AMOLED显示屏制造中所用的同一种TFT阵列背板。为了获得足够的驱动电流,还需要有LTPSIGZO TFT器件。转送头选择性地拾取红色、绿色、蓝色LED芯片,并将其按适当的像素间距转送到目标Micro-LED面板基板上。于此同时,加入一个共享电极或互连层。

在生产Micro-LED显示的过程中存在以下几项挑战:

蓝宝石或GaN衬底的LED的尺寸通常是10英寸或更小,而且以目前的技术很难作出更大的LED基板。

虽然LED芯片是在一个小衬底上制造的,但它们之间的电旋旋旋光性能有很大的差异,因此必须开发一种能为单个LED芯片提供不同水平电流的结构。

LED具有不同的波长范围,这依赖于基板,因此不可能在单一基板上产生全色彩LED显示屏。尽管生产商可以通过将彩色滤光片应用于单色LED芯片来生产全色彩LED显示屏,但这种方法提供的发光效率不高。

为了进行批量生产,需要先进的测试设备来对Micro-LED芯片的电-旋旋旋光性能进行测试。有必要对Micro-LED芯片PickPlace中存在的问题进行研究,包括如何去除静电、保持粘接强度以及对缺陷产品进行分类。此外,对一个完整的显示面板进行测试而不是针对每个LED芯片进行测试,这种做法的优点和缺点也值得进行研究。

Apple/LuxVueX-Celeprint的对比

Micro-LED转送领域的两家领先角逐者是苹果/LuxVueX-Celeprint。他们的转送方法并不相同。

Apple/LuxVue的方法:转送装置由一个带有凸台(mesa)的基板构成。每个台面包含带有薄层电介质涂布的电极。使用静电卡盘(electrostatic chuck)来动态选择哪些晶粒被传送。转送头看上去是一个线性结构,很像喷墨打印头一样。小至10×10µMLED晶粒可以被选择性地转送,一个静电MEMS头阵列让Micro-LED器件被选择性地从载体基板转送到目标TFT阵列基板,从而形成一个主动阵列显示面板。如下所示:

X-Celeprint方法:基于伊利诺伊大学John·Rogers小组的工作,使用PDMS(聚二甲基硅氧烷)压印,而不是更复杂的静电卡盘。PDMS属于一组高分子有机硅化合物,通常被称为硅树脂。PDMS是应用最广泛的硅基有机聚合物,其独特的流变性(或流动性)尤其知名。专注的重点环节在于TFT阵列电路转送到显示器背板。SempriusCDT和松下有一个联合开发协议。转送头是一个方形聚合物印章(Stamp)。它可以依照印章图案结构选择性地拾取和贴装一个晶粒。

根据最近的报道,自2014收购LuxVue技术以来,苹果一直在为Apple Watch开发Micro-LED显示屏。人们相信,苹果掌控LuxVue的目的就是利用其基于静电的非接触拾取与转送方法。LuxVue的非接触技术可以显着提高限定尺寸LED基板的利用率,并且通过结合不同LED颜色帮助制作全彩显示屏。

考虑到包括Apple Watch在内的智能手表电池消耗问题,苹果很有可能将会采用高效率、高分辨率的全彩Micro LED显示屏。此外,Micro-LED技术也可应用于柔性显示器,使其成为可替代OLED的下一代显示解决方案。然而,并不确定苹果是否可以在短时间内开发出高性能Micro-LED显示的批量生产技术,因为有许多技术问题需要解决,即便对LuxVue转送技术也是如此。

Micro-LED的市场机会

许多公司都纷纷拥抱Micro-LED,期待它可以很好地替代LCDOLED。与此同时,LED行业正挣扎于低营收、低价格和LED照明产业的停滞。OLED渗透率上升意味着更少的背光源需求,这也影响了LED产业。然而,目前还不清楚显示行业是否能为Micro-LED提供一个新机会,特别是考虑到LCDOLED的成熟和具有竞争力成本。

分辨率是一个挑战。多年来,LCDOLED分辨率一直以技术进步为基础而不断发展。由于Micor-LED显示像素与Micro-LED芯片相结合,高分辨率意味着更多的Micro-LED芯片必须从供体板转送到显示基板上。大批量、高分辨率、精细像素间距的LED转送工艺还不成熟。换句话说,即便是采用成熟的转送技术可以制造高分辨率的Micro-LED显示屏,其成本也可能非常高,使其难有竞争力。

然而,许多供应链公司已经开始发展Micro-LED显示。下图呈现了当前Micro-LED显示供应链。

不成熟的制造工艺揭示出,Micro-LED显示不会成为取代LCDOLED的杀手级技术。LCDOLED不断降低成本、扩大规模、提高性能、增加投资。随着Micro-LED显示制造工艺的成熟,无论是成本还是性能都将没有能力与主流LCDOLED竞争。

简而言之,由于Micro-LED显示具备优异的显示特性,一旦工艺就绪,在显示行业中就会有很大的发展空间。然而,在电视、平板电脑、笔记本电脑、桌面显示器和智能手机等主流应用中,Micro-LED显示将无法与LCDOLED竞争。LCDOLED将继续主导这些应用。

IHS Markit认为Micro-LED显示技术最有前途的初期应用可能是智能手表、公共信息和汽车显示,其原因分析如下:

智能手表显示屏

通常用OLED技术生产

Micro-LED技术的优势:高亮度且超低功耗,显示尺寸小,有限像素数获得更高产出。

公共信息显示

通常以AMLCD或封装LED技术生产

Micro-LED技术的优势:高亮度和对比度,低分辨率,宽像素间距,低成本制造的潜力

车用显示

通常以AMLCD技术生产

Micro-LED技术的优势:高亮度,长寿命,在恶劣环境下经久耐用,一般用低分辨率。

总结而言,Micro-LEDLED芯片尺寸缩小至小于100µM,且保持了良好的LED特性:自发光、发光效率高、对比度高、工作温度范围宽、寿命长、功耗低、对水和氧的阻绝性优良,以及非常快的响应时间(纳秒级)。现有的几种Micro-LED显示制造方式一般可分为两类:Pick-and-Place和半导体集成工序。在电视、平板电脑、笔记本电脑、桌面显示器和智能手机等主流应用中,Micro-LED显示无法与LCDOLED竞争。LCDOLED将继续主导这些应用。相反,Micro-LED显示技术最有前途的初期应用可能是智能手表、公共信息面板和汽车用面板.

 本文转自IHS Markit

 


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