MicroLED开启显示技术新页

如果有一种新的显示器技术能在荧幕尺寸, 解析度, 亮度与功耗带来明显差异, 就可能因而颠覆整个显示器市场, 例如…MicroLED?

寻求智慧型手机的差异化设计并不容易. 不过, 显示器可说是一项重要的因数, 智慧型手机供应商都相信它是足以让用户发出赞叹声的关键. 因此, 如果市面上出现了一种新的显示器技术, 它能在荧幕尺寸, 解析度, 亮度与功耗带来明显差异, 就可能因而颠覆整个市场.

MicroLED真的存在吗?

苹果(Apple)最新发表的iPhone X是第一支配备OLED显示器的iPhone——但比起其竞争对手三星(Samsung)和LG推出OLED手机的时间更晚的多了. 当然, Apple并不像三星和LG一样拥有自己的显示器技术.

那么, 如果Apple也自行开发显示器技术——不仅拥有OLED的所有优点, 甚至更优越……好比说微发光二极体(MicroLED)呢? 尽管Apple一直对此保持缄默, 但该公司其实已经累积令人印象深刻的MicoLED专利产品组合了, 而且有人猜测它正在其于硅谷的晶圆厂(2015年从Maxim购入)开发这项技术. 不过, Apple并不是唯一一家致力于MicroLED的业界巨擘.

MicroLED显示器采用微型LED晶片组成, 和OLED一样能自发光 (来源: Yole Développement)

MicroLED显示器是由形成个别画素的微型LED阵列组成. 相较于OLED, MicroLED采用传统的氮化镓(GaN) LED技术, 可支援更高亮度, 高动态范围以及广色域, 以实现快速更新率, 广视角与更低功耗. MicroLED的支持者宣称其整体亮度较OLED更高30倍, 同时提供更高的每瓦流明效率.

Apple Watch Series 3智慧手表仍配备OLED显示器

长久以来, Apple是否会改用MicroLED一直是Apple观察家和显示器技术专家之间热烈讨论的话题. 例如早在Apple Watch Series 3发表以前, 坊间已盛传这款智慧手表将搭载MicroLED.

然而, 根据 Yole Développement资深市场和技术分析师Eric Virey估计, MicroLED至少要到2019年以后才可能出现在穿戴式装置市场, 如Apple Watch. 不过, Virey认为电子产业现在就应该更加重视这项技术, 因为MicroLED的出现不仅将会改变行动装置样貌, 还可能使得显示器市场排名重新洗牌.

Google加入竞争行列

目前积极在MicroLED领域布局关键专利, 制造技术和专业知识的竞赛中, 并不包括位于亚洲的传统消费性显示器制造商; 相反地, 都是一些像Google, Apple和华为(Huawei)等重量级厂商持续大力投资于MicroLED.

Google日前借由投资瑞典制造商Glo, 取得了进入MicroLED的门票. 瑞典的一家网站报导Glo透过直接授权Google获得了1,500万美元, 也让Google取得Glo约13%以上的股权. 虽然有关这项消息的报导不多, 但Google投资Glo之举反映业界对于这项得以实现虚拟实境(VR)眼镜, 手机与平板电脑的新兴显示器技术兴趣日益增加.

率先让MicroLED浮出台面的是Apple于2014年收购Luxvue——这是一家为消费电子应用开发低功耗MicroLED显示器的新创公司. Apple对于Luxvue的投资造成市场开始传闻和猜测Apple将力推MicroLED.

Facebook的Oculus Rift VR业务部门也在一年前收购了一家名叫InfiniLED的新创公司, 该公司在2011年从爱尔兰廷德尔国家研究所(Tyndall National Institute)独立出来.

今年稍早, 富士康(Foxconn)透露对于MicroLED的兴趣. 富士康与其子公司夏普(Sharp)联手收购了eLux约31.82%的股权; eLux是一家专注于为VR和扩增实境(AR)装置研发MicroLED技术的新创公司.

一连串围绕着MicroLED新创公司展开大量投资和收购的活动, 反映技术产业永无止境地追求新一代显示技术.

整个供应链都面临挑战

Virey指出: '我们已经看到了经概念验证的MicroLED显示器原型. 技术已经到位了, 而今仍不足的是成本和良率——但这也是MicroLED得以实现大量生产的关键. ' 再者, 他补充说, MicroLED的挑战存在于整个供应链中.

制程挑战

理论上, 制造MicroLED应该就像制造LED晶片一样. 但是, 一般的LED制造设备并不适合这项任务, 主要是因为MicroLED晶片远比一般LED晶片更小. 这表示为了制造MicroLED, LED晶片厂需要另外打造一个拥有 '更干净的无尘室' 和 '更高解析度微影技术' 的新制造设施.

Virey认为半导体代工厂会更适合些. 例如, 为了克服MicroLED制造的第一个障碍, '如果Apple与台积电(TSMC)合作, 应该会更有帮助. '

能源效率挑战

生产LED晶片经常导致一些微小的 '侧壁' 损坏, 通常是在250 x 250微米(us)的LED晶片上出现约1-2us的缺陷. 但是, Virey解释, 制造MicroLED所需的LED晶片小至5x5us, 2us的侧壁缺陷已经足以导致破坏性的影响, 留下的可用面积极其微小, 大约仅占总晶片尺寸的4%.

P3MicorLED的侧壁缺陷导致可用面积大幅缩小 (来源: Yole Développement)

为了解决这个有关能源效率的问题, MicroLED产业必须采取 '双管齐下' 的做法. Virey指出, 这可能涉及新晶片的设计和制造发展. 例如, Glo正致力于研发奈米线. 从CEA-Leti独立而出的法国新创公司Aledia则着重于研发类似的微米线技术.

组装挑战

除了制造微型LED晶片外, Virey说, 另一个更大的问题是与MicroLED有关的组装挑战—— '如何将这些微型晶片转移到显示器的背面? ' 将每一个LED移植到6吋的MicroLED显示器, 大约需要4天的时间. Virey说, 其实目前已有十几家公司正试图解决这个 '晶片移植技术' 的问题, 而解决这个问题的方法之一就是Virey所说的 '单片式途径' .

单片式途径让MicroLED能以最终显示器的间距直接生长在晶片上. 但这种单片式途径对于具有高画素密度(例如﹥2000PPI[画素/英寸])的微型显示器极其有利, 但并不能成为MicroLED的通用解决办法.

为什么呢? 因为LED晶圆尺寸被限制在4x6英寸. 如果显示器间距太大, 大部份珍贵的晶圆面积都会被浪费掉. Virey说: '想像在晶圆表面放置100um间距的5um MicroLED, 你可是浪费了99.75%的晶圆表面啊! '

对于行动装置, 电视和显示器所需的大尺寸显示器而言, 大多数MicroLED显示器制造商都使用 '拾取和放置' 的方法, 将微小的LED晶片放置在显示器背板.

MicroLED的供应链 (来源: Yole Développement)

缺陷管理和维修策略

Virey说, 在各种有关MicroLED显示器制造的问题中, 业界最需要的是制定缺陷管理和维修策略. 毕竟在大多数高阶显示器保证零缺陷的时候, MicroLED显示器将难以因应PPM缺陷率的竞争.

假设MicroLED的良率(结合了外延和晶片制造)是99.9%, 而移植与互连良率也是99%, 二者相乘的结果是使MicroLED的组合缺陷率为2000ppm. 这当然不够好, 因而正引发业界展开大规模的研究, 积极寻求开发MicroLED测试的方法.

谁将会胜出?

Virey指出, 追逐MicorLED专利的行动并不只是Apple一家公司, Google和Facebook也正积极投入这项技术. 此外, 还有许多研究机构, 显示器制造商, LED制造商, 半导体公司和新创公司等等, 太多的 '有智之士' 都积极参与其中.

越来越多来自各家研究机构, 显示器制造商, LED制造商, 半导体公司和新创公司投入参与MicroLED领域 (来源: Yole Développement)

在这些参与厂商中, Virey观察到, Apple (在收购Luxvue之后) '目前拥有最广泛的MicroLED专利组合. 而LG和华为也是强大的竞争对手. '

Sony同样是MicroLED技术的早期开发商. 该公司自2008年以来致力于MicroLED的创新, 并曾在2012年CES展示55吋的全高解析度(Full HD) MicroLED电视原型. 但Virey说, Sony自那次之后的发展重心似乎转向了大尺寸荧幕的工业/商用市场.

未来谁将在此领域胜出还有待观察, 但Yole将智慧手表视为MicroLED得以最早实现的目标应用. 另一方面, Virey也强调, MicroLED '将不会完全取代OLED和LCD, 而是最终在诸如穿戴式装置, AR, MR和抬头显示器等利基应用领域处于强势地位. '

MicroLED显示技术的发展蓝图 (来源: Yole Développement)

编译: Susan Hong

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