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          在迷霧中探索:micro LED顯示屏的現在和將來

          發布時間:2021-10-10 點擊人數:1651 文章來源:本站編輯

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          前不久,我們談到了miniLED,提過miniLED至少現階段都還是一種LCD液晶顯示技術的組成部分。雖然不少LED供應商會將miniLED/microLED一起談,但這兩者本質上還是存在相當大的差異的。

          從大方向來看,最為傳統的LCD液晶顯示屏的層級結構中,有個背光層——有了這層背光層,LCD屏才會亮起各種色彩。如果背光層的LED芯片做得很小,比如像今年的12.9寸iPad Pro那樣,背光層由超過10000枚LED構成,那么我們就說這種屏幕應用了miniLED技術。如果LED做得更小,小于50μm,做到像素級別的尺寸,那么這種LED就叫microLED了。

          不過當背光層的每顆LED芯片都對應一個像素時,那么傳統的液晶結構也就可以被推翻了。在發光原理上,一般定義中的microLED屏幕會更靠近OLED屏幕,每個像素也可以算是“自發光”了,但背光并不是有機材料。而且在面板結構上,microLED也做得更簡化了。所以microLED屏既不是LCD(因為不再包含液晶層),也不是OLED(因為不采用有機發光材料),這是它有別于miniLED的重要原因(雖然單就LED的角度來看,也只是LED做得更?。?。

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          由于更簡單的結構,非有機發光材料,以及每個像素都能控制發光與否,microLED幾乎集合了LCD與OLED的各種優點,并規避了兩者的各種缺點,比如屏幕亮度可以做到很亮,但對比度又可以很高,壽命還可以很長。聽起來是相當美好的解決方案。但由于LED芯片本身尺寸的縮減,帶來顯示屏幕結構上的顯著變化,隨之而來的是難度更高的制造工藝和顯示相關的價值鏈變化。

          去年我們在采訪默克中國總裁兼默克中國高性能材料事業部執行副總裁安高博的時候,他曾提到過,“半導體、顯示兩者在加速出現融合?!薄拔覀兛吹斤@示企業,他們需要去懂半導體,了解半導體;半導體企業也更多依賴于顯示技術的進步?!薄癿icroLED的生產工藝就和傳統不大一樣,它更靠近半導體技術?!?/span>

          默克是作為顯示材料供應商談到的這一點,事實上除了LED芯片本身的尺寸縮減,業界的小型microLED屏幕在背板(backplane)部分也更傾向于采用CMOS技術,而不再是傳統意義上我們對顯示面板所知的TFT(如非晶硅、LTPS-低溫多晶硅等)。這應該是安高博提到的半導體與顯示兩者加速融合的重要表現。這一點實際上也可能造成顯示行業價值鏈的劇烈變動——只不過當前microLED要實現大規模量產,仍有比較遙遠的路要走。

          本文就嘗試從大方向的角度來談談,這種未來向的顯示技術究竟為什么神秘,有哪些挑戰,以及相比LCD和OLED又有哪些優勢。

          上百萬美元的電視,你能承受嗎?

          談屏幕顯示的優勢,無非也就是考察亮度、對比度、色域、壽命、響應時間、功耗等維度。此前京東方在公開演講中曾總結過一張表格(如圖2所示)。雖然我們認為其中的部分參數可能是有待商榷的,但理論上microLED在各方面都能表現出碾壓當代顯示技術的優勢,其中的很多都是人們對顯示技術夢寐以求的,包括高出幾個數量級的亮度。這里還有一些未總結的來自microLED技術的優勢,包括可視角、ppi(像素密度)等。

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          不過其中的有些參數停留在理論階段,比如說EQE(external quantum efficiency,外量子效率)和功耗。從理論上來說,microLED在這兩個參數上也有顯著優勢。傳統藍色LED的EQE可以達到80%;在實際操作中,如果這種藍色LED的尺寸縮減到5-10μm,則EQE將≤20%;而且因為側壁缺陷效應(sidewall defects effect)的存在,現階段microLED實際的功耗表現也差于OLED/LCD。但這些都可以理解為技術在新生階段遭遇工程層面的問題。

          在談microLED的結構和原理之前,我們先來談談這項技術現階段的市場發展情況,對于microLED離大規模量產可能還有多遠的路這個問題至少有個大致的概念。

          microLED發展道路上比較具有代表性的事件是2014年蘋果收購LuxVue——這就直接刺激了行業對于microLED技術的熱情,雖然microLED在科研領域的出現甚至可以追溯到2000年前后;2016年,Oculus收購InfiniLED,并且與Plessey達成協議準備開發microLED AR顯示技術;2017年,夏普與富士康投資eLux。不久后谷歌對microLED公司Glo AB做出投資,Intel則開始對Alidia做出投資;三星與晶元光電、錼創科技合作預備生產miroLED電視。

          在上篇介紹miniLED的文章中,我們也談到了顯示行業上下游,尤其中國面板、LED芯片制造商等對于microLED技術的大量投入——microLED對于顯示行業的革新,甚至被視為中國企業在這一領域成為業界老大的機會。

          在具體的產品上,有企業在一些展會上將自家的microLED產品或技術做展示。只不過這些基本屬于亮肌肉的常規操作。比如說2018年三星曾演示過一款宣稱應用了microLED技術的146寸/219寸電視,名為The Wall,不過其LED芯片尺寸嚴格意義上已經大到不能算做microLED了,且報道中146寸版的價格高于10萬美元。

          索尼更早的應用了microLED技術的CLEDIS面板電視則在當時報道的售價超過了100萬美元(2016年索尼宣布的220寸4K CLEDIS電視報價1.2億日元)。這兩年SID之類的展會上,一些主要的面板制造商普遍都會展出自家的microLED產品,且都有某種microLED技術“首發”的名號,包括中國大陸的天馬、京東方、維信諾、臺灣的友達光電等企業都有這方面的動作,作為搶占展會C位的組成部分。

          但microLED的應用,可能遠超預期

          有關microLED成本為何這么高的問題,下文將會花篇幅探討。在理解microLED高成本和難以量產的問題之前,還是先來看看這項技術的實際吸引力在哪兒,將前文提到的這些顯示參數轉為應用后,microLED具體能干什么。microLED的應用前景,是值得花大篇幅探討的,這里我們只能簡單地談一談。

          就大方向來看,microLED可替代LCD、OLED,占據所有的顯示應用如AR/VR、可穿戴、手機、汽車、筆記本電腦、電視。不過microLED的技術特性,又決定了它有著更大的應用外延。這里我們不著重探討microLED在普通照明(如健康醫療領域微型化的光電鑷子、光學耳蝸植入)、VLC(可見光通訊)等方面的應用,而關注它在顯示方面的應用。

          首先在高ppi(每英寸的像素數量)方面,雖然如今高端手機的像素密度早就來到了500ppi左右,但AR/VR對于像素密度仍然有著不小的追求,尤其在高于1000ppi的需求方面,microLED有著得天獨厚的優勢,畢竟它可以很小。加上AR/VR在顯示亮度、對比度、響應時間方面的要求,microLED能夠讓AR/VR的體驗上升一個臺階。

          在AR/VR應用上,LCD的光學層級結構顯得太過復雜,因此存在著較大程度的光和系統層面的損失與缺陷;而OLED則受限于有機材料發光特性,亮度本身就比較低。microLED則如前文所述,克服了兩位前輩的缺陷,在結構和材料層面碾壓LCD和OLED;雖然其EQE數值現階段仍然不是很好看。

          另外由于客觀制造條件和成本的限制(主要是在mass transfer制造階段,以及高電流密度更少受到側壁缺陷的影響),AR/VR、可穿戴設備、投影機等會成為microLED率先登場的應用——它們對于高ppi有著更天然的需求,microLED因此成為這些應用的絕對優選。

          此外,microLED在制造柔性屏、折疊屏、透明屏方面有著更天然的優勢。從直覺來看就不難理解,更微小的microLED稀疏地排布于透明基板上,在大屏更低ppi的情況下,對于透明屏、柔性屏的制造自然更有價值。不僅是透明電視,汽車前擋風玻璃HUD透明顯示之類的應用也是有價值的。這些應用實際上都有對應的廠商做過宣傳,比如錼創科技就展示過microLED制造的透明+柔性顯示屏。

          除了傳統顯示上的應用,microLED還能應用于裸眼3D顯示——更小的像素間隔、自發光特性、高亮度,讓光場顯示系統的緊湊方案成為可能。此外,如前文所述在生物醫療和健康,如神經元刺激等,以及可見光通訊方面,microLED都是有應用前景的。因此從市場價值來看,microLED創造的市場規模中短期內都至少是以數十億計的,當然前提是microLED最終邁向成熟和大規模量產。

          獨特結構,可能改變顯示行業的格局 

          文首已經提到過microLED屏的結構(圖1),用比較簡單的話來說microLED屏幕的制造常規的分成三步(尤其是pick-and-place轉移LED方法)。第一步是在wafer上生長出LED,第二步是制造背板(backplane,傳統屏幕的背板就是TFT),第三步則是將LED從wafer上轉移到背板上。

          看這個制造流程就不難發現,microLED屏的結構比LCD和OLED都更簡單,這也決定了它可以做得更薄,而且從材料角度比OLED具備更長的壽命和穩定性,不會對水和氧過分敏感。但這其中的任何一步都可謂難點重重。

          一般microLED芯片結構有兩大類,分別是倒裝芯片(flip-chip)和垂直結構,傳統的水平橫向結構不大適用于microLED。根據最終的應用方向,現在的microLED技術需要作出結構上的選擇,比如AR/VR更適用于垂直結構,因為有高ppi的需求。

          比較有趣的是,就現階段microLED材料、結構與制造工藝,市場參與者的實施方案可能是存在較大差異的,都有各自的專有技術方法——這也表明這種技術處在新生階段,大家都在探討技術的最優解(或這項技術天生具備了面向不同應用的多樣性)。

          比較具有代表性的如垂直結構的AlInGaP(磷化鋁鎵銦)紅色microLED,可以搭配藍色和綠色的InGaN(氮化銦鎵)LED。AlInGaP垂直microLED顯示面板的制造流程,在垂直結構中比較具有代表性;InGaN的垂直RGB microLED也采用類似的工藝流程。

          另外,InGaN倒裝芯片結構也是一個大類,在制造方面與傳統的LED倒裝方案類似。此外還有色彩轉換量子點RGB結構,RGB microLED是通過藍光/UV倒裝或垂直芯片microLED色彩轉換而來——這種方法比直接的RGB發光技術要簡單,因為實際上只使用一種色光的microLED,但有色彩串擾、低效率等缺點。在具體的實施上也有多種方案,具體的不再展開。

          除了前面板以外,針對整個microLED屏幕,再來談談背板部分,也就是控制每個像素明滅和灰度級的晶體管電路層——以前這一層通常就是TFT。microLED當然也能直接應用TFT,包括非晶硅、LTPS(低溫多晶硅)等技術,但現有解決方案中microLED背板部分也有應用CMOS方案的。

          CMOS相比a-Si/LTPS TFT的優勢主要包括,單晶硅具備更高的結晶質量和電性質,尤其是更高的電子遷移率。這一點實際上成為顯示向半導體進一步靠攏的組成部分,也對顯示領域的現有市場參與者提出了不同以往的要求。

          加上microLED整個顯示屏的結構與組成部分的變化,包括晶圓制造、外延生長,以及下文要提到LED芯片的mass transfer等,這可能導致顯示行業價值鏈的整體顛簸和重心遷移——甚至可能令部分傳統顯示企業的重要性在行業內顯著下降。

          單晶硅電路可以更多采用IC制造工廠現有的設備設施和工藝,提供高性能、高可靠性和小尺寸的CMOS。CMOS驅動的小尺寸和成熟性,能夠在顯示屏上實現更多的功能特性,也為microLED前面板的實施留下了更大的空間,在提升顯示質量的前提下縮減設備尺寸。

          CMOS背板通常在半導體工廠以BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)技術制造。0.18-0.35μm工藝就可用于制造microLED顯示屏的CMOS背板。

          不過硅晶圓的尺寸限制與顯著高于TFT的成本,讓CMOS暫時也僅限于小尺寸(但高ppi)屏幕,是很小的那種,比如AR/VR這類對ppi有高要求但屏幕尺寸比較小的應用;而且單晶硅是不透明的,也部分局限了其應用場景。

          microLED的主要技術挑戰

          要通過一篇文章來傳達microLED的技術全局,還是頗有難度的,未來我們可以對每個細節做深入的觀察。本文的最后主要來談談microLED現階段遭遇的技術挑戰,也是令其難以實現大規模量產的一些原因。

          事實上,microLED制造中遇到的問題遠比以下列舉的挑戰更多。而且因為這些挑戰和問題的存在,有分析與咨詢機構猜測,microLED未必會成為顯示技術的未來——畢竟電子行業內竹籃打水一場空的先例也不在少數。而且如前文所述,在通往microLED屏幕的這條路上,還沒有一個市場參與者約定俗成的標準化道路,這也進一步增加了microLED的不確定性。

          總的來說,microLED的幾個重大技術挑戰包括了:mass transfer——也就是在microLED制造流程中,將LED從原wafer,遷移到背板上的過程;microLED現階段較低的發光效率(EQE);以及microLED更需要從系統的角度來選擇不同階段的工藝技術;還有背板基板的制造、RGB三色實施方案等。

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          首先,比較為人所知的應該就是mass transfer了。國內有譯作“巨量轉移”的,就是將LED移到背板上的過程。前文提到的InGaN、AlGaInP不同色光也就是RGB的LED,生長在不同的襯底上,這種wafer上的外延生長有相對成熟的方案,當然這個過程本身也不同于常規方案。

          但更大的挑戰出現在轉移這些LED的過程中,畢竟當這些LED的尺寸小到microLED像素級別,而且多達幾千萬顆的程度,比如4K分辨率有超過800萬個像素,每個像素又有RGB三個子像素,就有超過2400萬顆LED需要轉移;轉移效率、對齊精度、良率等相關的工藝難度就會大出許多。

          現有研究成果的主流方案有兩類,分別是直接整片全體轉移,以及間接的pick-and-place(拾取并放置)。整片轉移采用wafer-to-wafer或者die-to-wafer bonding的方法,這種方案適用于高ppi的小屏幕;而pick-and-place則比較復雜,是每次拿取一部分microLED做貼裝,并重復這個動作,有時需要借用載體。對于大尺寸顯示面板而言,這種方案是更加適用的。

          Pick-and-place技術有比較高的復雜度,不同的市場參與者和研究機構有不同的方案,比如說electrostatic transfer head、elastomer stamp transfer printing,以及fluidic transfer、激光剝離等。

          圖3上半部分展示的方案就是elastomer stamp transfer printing。這種方案是藉由一個帶玻璃背板的高彈性載體,將LED批量轉移(據說一次可以轉移幾萬顆)到屏幕背板上;這個載體本身也是透明的,有利于做光學對齊。有關如何附著、釋放,都是頗有門道的。還有像Lumiode這樣的公司,著眼于把背板直接堆在microLED wafer上面。這些只是列舉眾多方法中的一兩個。

          其次,除了mass transfer之外,microLED效率低下也是個大難題。如前文所述,microLED的EQE顯著低下。EQE是指發射到外部的光子數,與流過結的載流子數目之比。EQE越大,則LED發光效率越高。解決microLED的發光效率問題,是這類屏幕實現大規模量產的基礎。

          microLED尺寸小,在大屏幕上受到比較嚴重的側壁效應影響(傳統LED本身很大,邊緣的尺寸相對的比例并不大,側壁效應影響很?。?。各種側壁缺陷主要是蝕刻過程中出現的,這些缺陷會導致非輻射復合。低電流密度下,microLED的效率將非常低下。改進方法包括新型的LED芯片結構設計、工藝流程改進等,減少側壁效應、提升EQE。

          不過似乎現有microLED方案EQE仍遠低于常規大尺寸的LED。在此,不同色的microLED材料選擇也會成為制造中的難點。

          再有,從更系統的角度來看,microLED的生產制造對更多領域的專業知識有了新要求,包括晶圓制造、外延生長、mass transfer、背板制造等。而且每個階段都還沒有明確、統一的技術方向;它們彼此之間還形成了環環相扣的關系,甚至還需要考慮到最終應用是什么,才能明確不同環節采用何種方案。

          所以有咨詢機構認為,更具備垂直整合能力的市場參與者會在microLED時代中嶄露頭角——比如蘋果可能會有希望,還有富士康/夏普,以及三星、LG,因為microLED顯然是個更系統的過程。當然這可能也更考驗市場參與者之間的協同能力,而目前較為分散的microLED技術實施方案顯然與之背道而馳。

          其他microLED相關的挑戰還包括測試方面的(更小的microLED對測試提出了高得多的要求,而且整個鏈條上的每個階段都需要做測試;需要開發新的測試方法;采用系統的工程方法覆蓋整個生產流程);以及一些更細致的問題,如外延生長過程中波長一致性的控制,LED結構設計中波長偏移、光譜FWHM的降低,像素發光串擾的控制(類似于miniLED一文中提到的光暈效應),以及電路設計中提升波長與亮度一致性的補償電路等等。

          未來的不可知性

          即便有這么多技術挑戰,不少市場參與者在microLED技術上的布局都相當積極,尤其是中國國內顯示供應鏈相關的企業,面板制造商諸如京東方、TCL/華星光電、天馬微電子,LED供應商三安光電、華燦光電、國星光電、聚飛光電,紛紛在加大mini/microLED兩類產品R&D方面的投入。

          LED芯片制造商三安光電將mini/microLED作為開發策略的重點,2019年三安光電就宣布投資12億元人民幣在湖北鄂州的葛店經濟技術開發區針對研發生產做布局;去年,三安光電與華星光電宣布合作成立聯合實驗室,投入3億元人民幣共同開發microLED材料、制造工藝和設備。另外還有諸如利亞德與晶元光電聯合投資數億元人民幣,在無錫生產mini/microLED芯片和模塊,加速新一代顯示解決方案的商業化進程等。

          在microLED這種技術的發展下,顯示行業可能會發生翻天覆地的變化。只是在針對microLED市場的諸多猜測中,仍有相當一部分是對microLED技術的質疑;即便從現有市場參與者的角度,他們都仍然認為microLED的成熟可能還需要一段時間。市場仍有一定概率出現,microLED會向前發展,但LCD和OLED仍長期統治市場的局面。要知道,某個企業甚至行業點錯技能樹的情形,在科技領域是相當廣泛的,但我們期待著microLED的進步和成熟。

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