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正规beat365旧版:下一代显示技术Micro LED,具LCD、OLED优势,为何难量产?

文章来源:正规beat365旧版绿色 / 作者:正规beat365旧版绿色 / 发表时间:2023-08-05

显示技术的发展不断加速,电子显示产品的发展,也经历了如下几个阶段:

第一代显示技术是20世纪90年代的CRT技术、等离子PDP技术,实现了从0到1的突破,目前第一代显示技术已经退出历史舞台。

第二代显示技术是LCD,也就是通常所说的液晶显示屏。它是目前为止最成熟且应用最广泛的显示技术,主流的电视、电脑、平板、手机等均采用这一技术生产。

第三代显示技术是OLED,即有机发光二极管,是当下正在普及的技术。目前小尺寸OLED面板的成本已接近同尺寸的LCD,在手机屏幕中获得广泛应用,尤其是主流品牌的高端机型;而大尺寸OLED屏幕成本高昂,使用寿命比LCD屏幕短,因此家用电视和显示屏领域尚未得到大批量应用。

第四代显示技术Micro LED能够克服LCD和OLED的技术缺陷,是业内公认的下一代显示技术的最优解决方案,在众多领域均有替代现有技术的潜力。


MicroLED.jpg


第四代显示技术Micro LED


Micro-LED因与生俱来的技术优势,在近十年来得到全球众多企业的追捧,代表着显示技术未来的一个重要发展方向。

Micro-LED一般指单个尺寸小于50μm的LED阵列,是当今国际最前沿的显示技术之一。相比于LCD和OLED,Micro-LED具有很多优势,如效率高、耐候性好、寿命长、高分辨率、结构简单等。


显示技术对比.png


一、Micro LED两大增长机遇

Micro-LED 凭借其优异技术性能,可广泛应用于手机、平板、笔记本电脑、电视、户外显示器等领域,应用范围涵盖了目前所有的电子产品领域。从未来的发展看,全球Micro LED显示行业将存在两大增长机遇。

首先,智能电视、大屏显示、户外显示领域增长机遇。相较于现有显示主流OLED与LCD,Micro LED具备发光效率高、寿命长、省电荷、全天候使用等优势。未来随着生产工艺成熟及产品价格下移,有望在智能电视、大屏显示、户外显示等多领域对OLED与LCD形成替代,推动MicroLED在现有显示存量市场的扩张。

其次,在VR/AR设备、车载显示等交互式媒体产业的增长机遇。新兴领域增量方面,由于Micro LED的微米级光源可以使显示像素有足够空间集成各类功能器件,同时由于其可实现三维光场显示及高精度定位传感,其整体逼真度、交互性、集成性更强,有望在VR/AR设备、车载显示等交互式媒体产业得以快速应用,扩展市场增量。


二、Micro LED结构与原理

Micro-LED是一种将电能转化为光能的电致发光器件,可以通过巨量转移批量地转移到驱动电路基板上,驱动电路基板可以为硬性或柔性衬底。然后利用物理气相沉积等方法在其上制备保护层和外接电极,最后进行封装。其中LED是由II-VI和III-V族化合物,如GaAs( 砷化镓 )、GaP ( 磷化镓 )、GaAsP( 磷砷化镓 )、GaN( 氮化镓 ) 等半导体制成的,其核心结构是由p型半导体和n型半导体材料形成的pn结组成的。


Micro LED显示器全色发光处理流程.png

当对LED施加正向电压时,通过电极从n型半导体和n型半导体经过分别向空间电荷区注入电子和空穴,并在结区复合发光。Micro-LED显示技术就是在LED的基础上进行微缩化与矩阵化,其单个发光单元尺寸在50 μm以下,且较高密度地集成在芯片上。

Micro-LED芯片可分为正装结构、倒装结构、垂直结构等三种主要的结构。为进一步提高性能,还可加入量子点、光栅、荧光陶瓷、光子晶体、分布式布拉格反射镜等附加结构。


三、Micro LED技术

Micro-LED的显示技术链可分为芯片端技术、共性技术、装备技术以及显示端技术四大类,如下图所示。


Micro LED显示技术链示意图.jpg


四、Micro LED技术难点

尽管Micro LED是近年来发展最为迅猛的显示技术之一,但Micro LED现阶段很难量产大规模商用,答案无疑就是贵和难。

现阶段Micro-LED有许多技术瓶颈有待突破,如芯片制造、巨量转移、检测修复等,其中巨量转移技术是最关键的一环。这也是目前Micro-LED出货量低、售价高昂的主要原因。

Micro-LED量产化应用的实现,巨量转移是其得以有效发展的第一步,也是目前产业化进程中的一大难点。Micro-LED巨量转移技术的开发存在许多问题与挑战:


巨量转移.jpg

(1)在转移之前,需要将Micro-LED从外延片移动到载体。

(2)Micro-LED的厚度仅为几微米,将其精确地放置在目标衬底上的困难度非常大。

(3)Micro-LED的芯片尺寸及间距都很小,要将芯片连上电路,也充满挑战。

(4)Micro-LED芯片需要进行多次转移(至少需要从蓝宝石衬底→临时衬底→硅衬底),且每次转移芯片量非常大,对转移工艺的稳定性和精确度要求非常高。

(5)对于RGB全彩显示而言,由于每一种工艺只能生产一种颜色的芯片,故需要将红绿蓝芯片分别进行转移,需要非常精准的工艺进行芯片的定位,极大增加了转移工艺的难度。


Micro LED结构原理.png

巨量转移的难点在于,如何提升转移良率到99.9999%(俗称的”六个九”),且每颗芯片的精准度必须控制在正负0.5μm以内。

因此,尽管Micro LED显示在亮度、分辨率、对比度上均显著优于OLED和LCD,被业界誉为“终极”显示技术,但数以百万计的Micro LED芯片尺寸小至几微米,使用传统的机械抓手和真空喷嘴的抓取和放置技术来操控微器件变得越来越困难。


巨量转移技术路线.png

不同的Micro-LED巨量转移技术具有不同的技术特性,未来针对不同的显示产品,可能都会有相对适合的解决方案。现有的转移技术及其代表厂商,主要分为芯片转移和外延级键合两大类。其中,芯片转移技术分为物理方式和化学方式:物理方式主要为电磁力转移、静电吸附和流体自组装技术;化学方式主要为范德华力/粘力、激光转移以及滚轮转印等。

总的来说,巨量转移技术是Micro LED产业化必须解决的问题,也是降低成本的关键。

近十年来,经过全球范围内众多企业与研究机构的努力,Micro-LED相关设备、材料、生产工艺的技术进展迅速,仅仅在2023年上半年就取得了大量的技术成果。

巨量转移突破单次可转7.5万颗MicroLED

英国斯特拉思克莱德大学近期宣布开发 MicroLED 新型巨量转移技术,透过连续滚轮转移技术,可精准转移超 7.5 万颗 MicroLED,团队也对转移数量、良率开发自动量测系统。


单次可转7.5万颗MicroLED .jpg

团队指出,滚轮转移制程可实现 MicroLED 的巨量移转,一次转移中可转移一个 320x240 画素阵列,约 7.5 万颗以上的 MicroLED,相对位置精度达亚微米级 (Submicron),且能够保持画素阵列的几何结构,定位误差、设计偏差控制 1μm 以下。

Micro LED总结:

MicroLED具有自发光、高效率、低功耗、长寿命、高亮度等多方面优势,是显示技术的最优解决方案,但是由于巨量转移等技术限制,目前还无法实现量产大规模商用。

预计未来2-3年,MicroLED还会继续突破技术瓶颈,相关产品可能会聚焦在价格敏感度较低的户外产品或超大尺寸的公共显示屏幕,逐渐打开高端市场之后再进一步向下渗透,第二代显示技术LCD还会依靠其他技术的修补进一步占据下沉市场,第三代技术OLED在实现大尺寸屏幕的降本后将进一步普及大众消费市场。

由于各个世代的技术均有对应的目标市场,未来几年内不太可能出现某个技术一家独大的情况。不过可以肯定的是MicroLED就是未来显示技术的黄金赛道,提前布局相关技术的厂商将持续受益。

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