Micro-LED或將成為下一代主流顯示技術 我國格局初具規模

1950年第一臺彩色CRT電視發明以來,CRT憑借其出色的特性在顯示市場上占據了數十年的歷史。直到2000年,液晶顯示器(LCD)這種新技術出現,LCD通過降低成本和優化產品性能,很快便占據了顯示市場的主導地位。但是,LCD顯示器存在諸如響應時間慢,轉換效率差和色彩飽和度低等主要缺點。近年來,新的顯示技術變得愈加成熟,例如有機發光二極管(OLED)顯示器和發光二極管(LED)顯示。與LCD顯示技術相比,OLED顯示技術具有自發光,寬視角,高對比度,低功耗,響應速度快的優點。但是,OLED在成本控制、量產能力和有機材料等的局限性,在消費電子市場中的占有率仍低于LCD,傳統上的LED顯示則更多應用于顯示器背光模組或大型戶外屏幕。

隨著顯示產業結構性調整步伐的加快以及5G時代新應用的興起,“5G+8K”概念成為消費電子領域的目標,顯示產品的升級換代成為行業發展的必然。Micro-LED作為新一代主流顯示技術開始興起。與傳統的LCDOLED相比,Micro-LED顯示具有自發光、高效率、低功耗、高集成、高穩定性、高響應速度等優良特性,已經在顯示、光通信、生物醫療領域獲得了相關的應用,未來,Micro-LED技術將進一步擴展到增強現實/虛擬現實、空間顯示、可穿戴設備、車載應用等諸多領域。而Mini-LED則是Micro-LED開發過程中的一個階段性技術。據Yole預測,至2025年基于Micro-LEDMini-LED技術的產品如高端電視機、手機、平板、手表等將逐步上市,出貨量可達3.3億只模組,市場產值將超過100億美元。

推動新一輪顯示產品升級換代

Micro-LED顯示是指將微米級半導體發光二極管(LED),以矩陣形式高密度地集成在一個芯片上的顯示技術,是新型顯示技術與LED技術二者復合集成的綜合性技術。在過去的20年里,Micro-LED引起了人們的廣泛關注,從早期的實驗室開發階段逐漸進入到公司的開發項目,部分產品已經進入了商用階段。Micro-LED因其體積小、靈活性高、易于拆解合并等特點,可以在現有的最小至最大尺寸的顯示應用場合中實現部署,在很多情況下也將比LCDOLED發揮更獨特的效果。Micro-LED極有可能成為具有顛覆性和變革性的下一代主流顯示技術,推動新一輪顯示產品的升級換代。近年來Mini-LED在液晶顯示背光源應用、會展廣告、拼接屏、虛擬現實等領域也得到了快速應用,其點間距(Pixel Pitch)記錄也在不斷刷新。

Micro-LED技術產業鏈主要由襯底和外延材料、芯片器件、顏色混合(RGB或量子點激發)、IC驅動基板鏈接(巨量轉移或單片集成)、檢測和修復五大部分組成,市場應用的需求不斷反推著每一個產業鏈環節提出更多新的技術指標和要求,其中包括材料、工藝、設備等關鍵技術領域。全世界范圍內各大公司及科研院所相繼投入了大量人力物力進行研發布局,據Touch Display Research的不完全統計,全世界目前從事Micro-LED研究的單位超過了160家,其中有60余家分布在中國。

隨著我國經濟與科技的快速發展,國民消費能力和市場需求的逐步增強,我國在傳統顯示的產業規模已經處于全球領先地位,加之我國近年來第三代半導體材料技術的加大投入,產能供應充足,為Micro-LED的研究及其產業化積累了快速發展的技術基礎以及應用需求基礎。

產業化應用將使很多行業有革命性發展

在國家產業政策引導下,LED領域、顯示領域的相關企業和科研所投入了大量的資源,不斷突破關鍵技術障礙,加速了Micro-LED的產業化發展。

Micro-LED的應用市場占比最高的主要是顯示應用,目前已經在小間距(<2mm)大屏幕顯示開始應用,并且逐漸向高端電視市場、手機平板、筆記本、汽車應用等領域滲透。

針對Micro-LED的高PPI顯示特性,目前主要應用于VR/AR、投影顯示等,據IDC預測,至2023年,中國VR/AR市場支出規模將達到652.1億美元,到2027Micro-LED屏出貨量有望突破千萬只。針對Micro-LED的中低PPI顯示特性,主要應用在小尺寸穿戴設備、手機平板和電腦顯示、電視顯示、超大屏顯示等領域,其中智能手表是Micro-LED技術最有機會率先突破的細分市場,LED inside預測穿戴產品將在2020-2021年迎來快速增長。

除了顯示應用外,Micro-LED在車載應用、可見光通行、生物醫學應用、陳列照明等領域的應用也在進一步擴展,未來伴隨著Micro-LED良率的提升以及產品的量產,預計價格仍有大幅下降空間,商業化應用也將具有更強的競爭力。

從產業需求上講,在VR/AR的應用上,對于VR/AR頭戴式產品,要求顯示屏具備高的像素密度(一般大于2000 PPI),全彩化顯示,響應速度快,功耗低,壽命長等特性。高像素密度的關鍵是Micro-LED的微縮制程技術,還受顯示驅動基板所限制,雖然Micro-LED在顯示性能上雖然存在各種優勢,但是技術仍處于發展初期階段,應用需求的要求也很高,仍然有待繼續發展和進步。

對于投影產品應用,要求顯示屏具有好的光譜穩定性、壽命較長、色彩飽和度高以及較好的光源綜合效率等,同時投影上應用所需的電流驅動較大,目前陣列Micro-LED在大電流驅動下的表現及其配套的封裝散熱機制仍有待開發研究。

在小尺寸穿戴設備方面,主流的穿戴設備主要包括智能手環和手表,要求顯示屏的可靠顯示以及長續航,因此需求屏幕本身的亮度高、功耗低、重量輕以及可靠性好。目前Micro-LED技術的挑戰主要在于生產成本上。

在手機平板和電腦顯示方面,目前主流的手機屏幕仍然還是LEDOLED,Trendforce預計Micro-LED將在2022年切入平板電腦市場,2023年切入手機市場,在顯示畫質亮度、對比度、色域、清晰度,以及功耗、壽命、可靠性等方面Micro-LED都可以實現較好的畫質顯示,目前Micro-LED主要面臨巨量轉移以及檢測修復的技術問題和成本問題,需要靠Micro-LED成本的降低以及驅動電路的簡化來進一步實現。

在高清電視屏幕方面,由于超高清電視以及8K顯示的推廣,對LED顯示屏提出了更高解析度的需求。針對大尺寸顯示上,目前的技術方案主要是通過大尺寸轉移以及模塊化拼接兩種方式,主要的技術突破包括芯片的微型化、巨量轉移與焊接、全彩化以及系統驅動方面等。

在車載應用方面,車載顯示主要包括中控顯示、儀表顯示、數字后視鏡以及抬頭顯示等,但是車載顯示在產品的可靠性方面要求較高,包括防塵、抗震功能、高低溫差測試等,性能上需求更高分辨率、交互聯動、多屏化以及多形態化,要將Micro-LED整合到車載顯示并實現量產,從上游的LED芯片制備、鍵合材料開發、轉移技術及設備創新設計、驅動IC開發等都需要各環節的通力合作。

在可見光通信方面,近年來可見光通信發展迅速,傳輸速率不斷提高,而Micro-LED具有功耗低、調制帶寬高的特點,在可見光通信領域有很大應用潛力,比如高速通信、光電探測器、智能顯示等,但目前可見光通信仍處于實驗室研究階段,在技術、應用、芯片以及標準制定等方面仍需要開發研究。

實際上,Micro-LED的產業化應用,將會帶來許多行業的革命性發展,特別是顯示產業的應用。隨著技術的快速進展以及成本的優化,Micro-LED的市場接受度將會大幅提高,結合Micro-LED技術本身的特性,在顯示、車載、光通信、生物醫療檢測等領域也會逐漸滲透,預計市場也將超過萬億美元。

產業+聯盟的格局初具規模

近日傳出蘋果在投資百億生產Mini-LED產品的新聞,與此同時中國更多的一線大廠也紛紛入局,變成“Serious Players”,既有康佳、創維、海信、TCL、兆馳、小米、華為等終端產品大廠,也有京東方、華星光電、天馬、雷曼光電、洲明科技、瑞豐光電、國星光電、奧拓電子、維信諾等面板與封裝企業,以及三安光電、華燦、乾照、國星半導體等外延與芯片制造商。同時,還出現了CASA第三代半導體產業技術創新聯盟Micro-LED專委會、廣東省Micro-LED產業技術創新聯盟等專業性組織,產業+聯盟的格局初具規模。

在今年消費電子展CES 2020上,康佳攜全球領先設計的首款Micro-LED產品Smart Wall驚艷亮相,實力詮釋了中國的品牌科技力量。20198月,康佳集團與重慶璧山國家高新區正式簽約,將在璧山投資300億元建設康佳半導體光電產業園。一期將投資50億元建立光電研究院及試產線,二期將投資300億元建立光電產業基地,發展Micro-LED下一代顯示技術項目,建設Micro-LED顯示屏及終端產品等項目,預計項目滿產后將形成一個超過千億元規模及全球領先的光電技術中心。

20199月,康佳宣布擬出資15億元成立重慶康佳半導體光電研究院,開展以Micro-LED產品為代表的氮化鎵等化合物半導體技術與應用研發,推動半導體及相關產業的長遠發展和布局。其核心技術團隊更是具備有領先的Micro LED晶圓外延片設計&開發、芯片生產、巨量移轉與修復等制程開發全鏈條整合能力。201910月,康佳未來之鏡發布會上展示了首款“5G+8K”P0.68mmMicro-LED 未來屏產品“Smart Wall”,采用了超高精度巨量轉移技術,實現了近1億顆微米級別的Micro-LED芯片的轉移和鍵合,通過點對點的驅動實現對每個像素的精準控制。發布會上,諾貝爾獎得主中村修二教授現場體驗后表示:“Micro LED可應用范圍廣,未來可覆蓋手持設備、可穿戴設備、AR/VR、TV、視頻墻等多個領域,預估2027Micro LED的巨大市場將超過700億美元。201912月,康佳與LED顯示屏供應商聯建光電達成合作,致力于Mini-LEDMicro-LED大屏顯示產品研發、生產制造,合力推進Mini-LEDMicro-LED新技術在公共視訊領域的商用化進程。20203月,康佳Micro-LED的研發生產正開始進入實質性階段,開始進行MOCVD設備采購,向德國的沉積設備制造商Aixtron SE訂購了多個AIX G5+CAIX 2800G4-TM MOCVD系統,以建立基于GaN(氮化鎵)和砷磷材料的Mini/Micro-LED的批量生產能力。

作為一家 LED產業的科技型企業,雷曼光電圍繞5G+8K+AI的有機結合,以自主創新為發展之源,以市場需求和行業趨勢為導向,聚焦打造基于COB先進技術的Micro-LED生態圈,在市場渠道擴展、軍民融合產業生態體系等方面深化布局。2019年,雷曼光電成為中國航天事業戰略合作伙伴。

20193月,雷曼光電發布點間距P0.9COB微間距顯示產品;同年7月,雷曼光電324寸超大尺寸Micro-LED超高清顯示屏全球首發;20202月,雷曼光電P0.6 Micro-LED超高清顯示屏在荷蘭ISE展全球首發。

圍繞Micro-LED的研發產業化,雷曼開發了一整套全新的倒裝COB技術,包括微米級LED芯片轉移技術、LED芯片與基板的鍵合技術、微間距微米級LED芯片維修技術、COB封膠技術、模組墨色一致性技術、校正技術、微間距無縫拼接技術、高效散熱技術,以及與新產品配套可量產的生產工藝與技術。截至目前,雷曼光電Micro-LED超高清顯示屏已經實現在大數據中心、軍事指揮中心、監控中心等領域的應用。未來雷曼光電還將借Micro-LED的可交互功能,逐步布局智慧會議室、超級家庭影院等應用場景。

兆馳股份作為國內電視ODM的龍頭企業,于2011年布局LED封測業務,后逐步向下游照明,及上游芯片延伸,目前已形成LED全產業鏈的協同發展。2017年,兆馳節能正式啟動Mini RGB顯示項目,并作為公司戰略重點投入大量資源,于2018年年中正式量產,公司基于CSP倒裝技術上的深厚沉淀,研發出了倒裝Mini LED,組建了P0.6mmMini RGB顯示封裝量產線,全面強化Mini RGB封裝工藝制程能力,目前已實現P0.6、P0.7、P0.9三款Mini RGB產品的量產,可實現110寸、135寸、162寸下的4K顯示。同時兆馳半導體于2018年大量采購中微公司的Prismo A7系列的MOCVD設備,作為上游芯片資源的整合,為兆馳節能提供強大的芯片產能后盾。201912月,兆馳股份與江西南昌高新技術產業開發區簽署投資協議,投資建設紅黃光LED外延、芯片及Mini-LED、Micro-LED項目,投資10億元用于紅黃光LED外延及芯片的研發、生產和銷售,計劃于2020年相關設備安裝調試到位并正式投入運營,預計投產后年產能(折合4寸片)可達120萬片。

三安光電作為化合物半導體的龍頭企業,具有從LED到化合物半導體的垂直化產業鏈布局,并于2015年初開始積極布局Mini-LEDMicro-LED的研發產業化項目,目前在國內外 LED芯片廠商中處于領先地位。20182月,三安光電與三星電子簽訂了《預付款協議》,批量供貨LED芯片。20194月,三安光電宣布投資120億元在湖北葛店建設Mini/Micro-LED外延與芯片基地,主要生產經營Mini/Micro-LED 外延與芯片產品及相關應用的研發、生產、銷售。20203月,TCL華星與三安光電簽約共同合資成立聯合實驗室,注資 3 億人民幣,將開展 Micro-LED 顯示技術端到端開發,重點攻克 Micro-LED 顯示工程化制造的芯片、轉移、Bonding、彩色化、檢測、修復等關鍵技術,從事可穿戴顯示、高清移動顯示、車載顯示、高清大尺寸顯示、超大尺寸拼接商用顯示樣機的研發及試產工作。加速 Micro-LED 的試產與應用,實現從新型顯示材料、工藝、設備、產線方案到自主知識產權的全面生態布局。

如今,Micro-LED/Mini-LED產業已經進入初步打響價格戰的階段。在2019 Micro-LED產業技術峰會上,雷曼光電董事長與康佳集團Micro-LED團隊負責人掰著手指計算價格成本的情景讓人非常感動。大家一致認為離Micro-LED產品走進家用的那天已經不遠了。

目前,中國已經成為全球最大的LEDLCD生產基地,在Micro-LED領域產業鏈上的配套也比較完整,中國已經初步具備在Micro-LED領域產業鏈協同發展的條件,同時也有望通過發揮LED的產業優勢,實現我國在高端信息顯示產業的世界話語權。

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