MicroLED開啟顯示技術新頁

如果有一種新的顯示器技術能在熒幕尺寸, 解析度, 亮度與功耗帶來明顯差異, 就可能因而顛覆整個顯示器市場, 例如…MicroLED?

尋求智慧型手機的差異化設計並不容易. 不過, 顯示器可說是一項重要的因數, 智慧型手機供應商都相信它是足以讓用戶發出讚歎聲的關鍵. 因此, 如果市面上出現了一種新的顯示器技術, 它能在熒幕尺寸, 解析度, 亮度與功耗帶來明顯差異, 就可能因而顛覆整個市場.

MicroLED真的存在嗎?

蘋果(Apple)最新發表的iPhone X是第一支配備OLED顯示器的iPhone——但比起其競爭對手三星(Samsung)和LG推出OLED手機的時間更晚的多了. 當然, Apple並不像三星和LG一樣擁有自己的顯示器技術.

那麼, 如果Apple也自行開發顯示器技術——不僅擁有OLED的所有優點, 甚至更優越……好比說微發光二極體(MicroLED)呢? 儘管Apple一直對此保持緘默, 但該公司其實已經累積令人印象深刻的MicoLED專利產品組合了, 而且有人猜測它正在其於矽谷的晶圓廠(2015年從Maxim購入)開發這項技術. 不過, Apple並不是唯一一家致力於MicroLED的業界巨擘.

MicroLED顯示器採用微型LED晶片組成, 和OLED一樣能自發光 (來源: Yole Développement)

MicroLED顯示器是由形成個別畫素的微型LED陣列組成. 相較於OLED, MicroLED採用傳統的氮化鎵(GaN) LED技術, 可支援更高亮度, 高動態範圍以及廣色域, 以實現快速更新率, 廣視角與更低功耗. MicroLED的支援者宣稱其整體亮度較OLED更高30倍, 同時提供更高的每瓦流明效率.

Apple Watch Series 3智慧手錶仍配備OLED顯示器

長久以來, Apple是否會改用MicroLED一直是Apple觀察家和顯示器技術專家之間熱烈討論的話題. 例如早在Apple Watch Series 3發表以前, 坊間已盛傳這款智慧手錶將搭載MicroLED.

然而, 根據 Yole Développement資深市場和技術分析師Eric Virey估計, MicroLED至少要到2019年以後才可能出現在穿戴式裝置市場, 如Apple Watch. 不過, Virey認為電子產業現在就應該更加重視這項技術, 因為MicroLED的出現不僅將會改變行動裝置樣貌, 還可能使得顯示器市場排名重新洗牌.

Google加入競爭行列

目前積極在MicroLED領域布局關鍵專利, 製造技術和專業知識的競賽中, 並不包括位於亞洲的傳統消費性顯示器製造商; 相反地, 都是一些像Google, Apple和華為(Huawei)等重量級廠商持續大力投資於MicroLED.

Google日前藉由投資瑞典製造商Glo, 取得了進入MicroLED的門票. 瑞典的一家網站報導Glo透過直接授權Google獲得了1,500萬美元, 也讓Google取得Glo約13%以上的股權. 雖然有關這項消息的報導不多, 但Google投資Glo之舉反映業界對於這項得以實現虛擬實境(VR)眼鏡, 手機與平板電腦的新興顯示器技術興趣日益增加.

率先讓MicroLED浮出檯面的是Apple於2014年收購Luxvue——這是一家為消費電子應用開發低功耗MicroLED顯示器的新創公司. Apple對於Luxvue的投資造成市場開始傳聞和猜測Apple將力推MicroLED.

Facebook的Oculus Rift VR業務部門也在一年前收購了一家名叫InfiniLED的新創公司, 該公司在2011年從愛爾蘭廷德爾國家研究所(Tyndall National Institute)獨立出來.

今年稍早, 富士康(Foxconn)透露對於MicroLED的興趣. 富士康與其子公司夏普(Sharp)聯手收購了eLux約31.82%的股權; eLux是一家專註於為VR和擴增實境(AR)裝置研發MicroLED技術的新創公司.

一連串圍繞著MicroLED新創公司展開大量投資和收購的活動, 反映技術產業永無止境地追求新一代顯示技術.

整個供應鏈都面臨挑戰

Virey指出: '我們已經看到了經概念驗證的MicroLED顯示器原型. 技術已經到位了, 而今仍不足的是成本和良率——但這也是MicroLED得以實現大量生產的關鍵. ' 再者, 他補充說, MicroLED的挑戰存在於整個供應鏈中.

製程挑戰

理論上, 製造MicroLED應該就像製造LED晶片一樣. 但是, 一般的LED製造設備並不適合這項任務, 主要是因為MicroLED晶片遠比一般LED晶片更小. 這表示為了製造MicroLED, LED晶片廠需要另外打造一個擁有 '更乾淨的無塵室' 和 '更高解析度微影技術' 的新製造設施.

Virey認為半導體代工廠會更適合些. 例如, 為了克服MicroLED製造的第一個障礙, '如果Apple與台積電(TSMC)合作, 應該會更有幫助. '

能源效率挑戰

生產LED晶片經常導致一些微小的 '側壁' 損壞, 通常是在250 x 250微米(us)的LED晶片上出現約1-2us的缺陷. 但是, Virey解釋, 製造MicroLED所需的LED晶片小至5x5us, 2us的側壁缺陷已經足以導致破壞性的影響, 留下的可用面積極其微小, 大約僅佔總晶片尺寸的4%.

P3MicorLED的側壁缺陷導致可用面積大幅縮小 (來源: Yole Développement)

為了解決這個有關能源效率的問題, MicroLED產業必須採取 '雙管齊下' 的做法. Virey指出, 這可能涉及新晶片的設計和製造發展. 例如, Glo正致力於研發奈米線. 從CEA-Leti獨立而出的法國新創公司Aledia則著重於研發類似的微米線技術.

組裝挑戰

除了製造微型LED晶片外, Virey說, 另一個更大的問題是與MicroLED有關的組裝挑戰—— '如何將這些微型晶片轉移到顯示器的背面? ' 將每一個LED移植到6吋的MicroLED顯示器, 大約需要4天的時間. Virey說, 其實目前已有十幾家公司正試圖解決這個 '晶片移植技術' 的問題, 而解決這個問題的方法之一就是Virey所說的 '單片式途徑' .

單片式途徑讓MicroLED能以最終顯示器的間距直接生長在晶片上. 但這種單片式途徑對於具有高畫素密度(例如﹥2000PPI[畫素/英寸])的微型顯示器極其有利, 但並不能成為MicroLED的通用解決辦法.

為什麼呢? 因為LED晶圓尺寸被限制在4x6英寸. 如果顯示器間距太大, 大部份珍貴的晶圓面積都會被浪費掉. Virey說: '想像在晶圓表面放置100um間距的5um MicroLED, 你可是浪費了99.75%的晶圓表面啊! '

對於行動裝置, 電視和顯示器所需的大尺寸顯示器而言, 大多數MicroLED顯示器製造商都使用 '拾取和放置' 的方法, 將微小的LED晶片放置在顯示器背板.

MicroLED的供應鏈 (來源: Yole Développement)

缺陷管理和維修策略

Virey說, 在各種有關MicroLED顯示器製造的問題中, 業界最需要的是制定缺陷管理和維修策略. 畢竟在大多數高階顯示器保證零缺陷的時候, MicroLED顯示器將難以因應PPM缺陷率的競爭.

假設MicroLED的良率(結合了外延和晶片製造)是99.9%, 而移植與互連良率也是99%, 二者相乘的結果是使MicroLED的組合缺陷率為2000ppm. 這當然不夠好, 因而正引發業界展開大規模的研究, 積極尋求開發MicroLED測試的方法.

誰將會勝出?

Virey指出, 追逐MicorLED專利的行動並不只是Apple一家公司, Google和Facebook也正積極投入這項技術. 此外, 還有許多研究機構, 顯示器製造商, LED製造商, 半導體公司和新創公司等等, 太多的 '有智之士' 都積极參与其中.

越來越多來自各家研究機構, 顯示器製造商, LED製造商, 半導體公司和新創公司投入參與MicroLED領域 (來源: Yole Développement)

在這些參與廠商中, Virey觀察到, Apple (在收購Luxvue之後) '目前擁有最廣泛的MicroLED專利組合. 而LG和華為也是強大的競爭對手. '

Sony同樣是MicroLED技術的早期開發商. 該公司自2008年以來致力於MicroLED的創新, 並曾在2012年CES展示55吋的全高解析度(Full HD) MicroLED電視原型. 但Virey說, Sony自那次之後的發展重心似乎轉向了大尺寸熒幕的工業/商用市場.

未來誰將在此領域勝出還有待觀察, 但Yole將智慧手錶視為MicroLED得以最早實現的目標應用. 另一方面, Virey也強調, MicroLED '將不會完全取代OLED和LCD, 而是最終在諸如穿戴式裝置, AR, MR和抬頭顯示器等利基應用領域處於強勢地位. '

MicroLED顯示技術的發展藍圖 (來源: Yole Développement)

編譯: Susan Hong

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