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苹果Micro LED想取代OLED?不解决这些难题或反被搁置

时间:2018-03-20 作者:网络整合 阅读:
如何将这些微小的 LED 转移到基板上应该是最大的难题,而苹果在加利福尼亚州的神秘工厂,正在尝试解决这一难题。不过这些设施对于大规模生产来说太小了,想单纯依靠苹果自己的研发机构或者工厂设备来量产基本是不可能的……

日前据彭博社报道,苹果正在加利福尼亚的研发和制造机构中设计、制作自己的显示屏,在那里,约 300 名工程师已经开始测试下一代产品——Micro LED 屏幕,以取代现在 OLED 屏产品。

该项目代号为 T159,由 iPhone 和 Apple Watch 屏幕技术主管林恩·扬斯(Lynn Youngs)负责。报道称,苹果希望首先把 Micro LED 屏幕技术用于 Apple Watch。

在这一报道发布后,苹果屏幕供应商股价均出现下跌。iPhone X 的 OLED 屏幕供应商三星电子股价在周一早盘交易中下跌 1.06%,LG 显示器股价下跌 0.53%,夏普公司股价下跌 2.71%,日本显示器(Japan Display)股价下跌 3.38%。

虽然苹果称现在这个阶段还只是苹果最初的计划和试验阶段。但据了解,早在2014 年,苹果收购 LuxVue,并买下高通先前在台湾设立的龙潭厂,专攻 Micro LED。业界人士指出,苹果以台湾龙潭厂作为自主研发的实验基地,拥有至少上百名工程师,从晶片到封装展开深入研究,内部会进行小量测试生产。

当时很多业内人士猜测,苹果很可能还是希望通过将 Micro LED 诸多专利授权给面板厂或 LED 厂的模式,在日后时机成熟的时候让供应商进行大量生产。但无论如何,苹果的大动作让 Micro LED 变成了当红炸子鸡。

Micro LED是什么?

Micro LED 又被称为 μLED 或者微型 LED。最早是由堪萨斯州立大学洪兴教授和德州理工大学 Jingyu Lin 教授在 2000 年首先发明的。

Micro LED 和 OLED 一样,都是由发光二极管构成,这意味着两者都是“自发光”技术的屏幕。Micro LED 显示器能够提供和 OLED 一样的对比度和颜色表现,在生产上也可以保持轻薄。

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不同的地方在于 LED 材料的构成。OLED 中的 O 代表的意思是有机的(Organic),是指在像素堆栈的发光部分中使用了有机材料。但 Micro LED 则不一样,这种技术是在发光部分中使用了无机的氮化镓(GaN)材料。这种材料可以比 OLED 产品提供更高的亮度,理论上多达到 30 倍。在响应速度、对比度、色彩饱和度上都比 OLED 屏幕显示的效果更好。

由于是将 LED 材料缩小并放入阵列中,Micro LED 屏幕的显示密度可以进一步突破。根据理论数据,如果 iPhone 8 上采用 Micro LED,显示密度可以达到 1500ppi 以上。

由于采用无机材料,Micro LED 也不会出现 OLED 屏幕上寿命短的问题。同时,Micro LED 减少了对偏振和封装层的需求,可以使面板变得更薄。OLED 必须减少白色画面与高亮度显示,才能达到省电效果,Micro LED 为多量微型 LED 阵列组成,除了能达高亮度、超高解析度与色彩饱和,每个画素都能独立驱动,还有省电、反应速度快等优点。在功耗方面,可以比 LCD 低 90%,比 OLED 低 50%。

计划搁置一年启动,苹果短时间难”征服“Micro LED

被认为 LED 最终进化目标的 Micro LED 技术这两年一直没有落下,苹果是主导 Micro LED 布局的企业之一。苹果两年前收购 Micro LED 显示技术公司 LuxVue Technology 后加紧研发,但是目前这项技术的实现困难重重,苹果也曾搁置该计划一年之久,直到最近才重新启动。

生产 Micro LED 之所以,是因为 Micro LED 太过于“微型”,组件要小于 100 微米,生产的难点在于如何将数百万个微小的 LED 组件传输和粘贴成一整块面板,从而提高较大尺寸面板的良品率。这些微小的 LED 元件的放置精度要求在 ±1.5μm 之间,因此手机屏幕或者智能手表、智能手环以及头戴设备这样的应用,在极小的面板尺寸下,同一片晶圆材料上完成单片式 RGB LED 芯片要求更高的制程技术与材料,以及超高密度的封装技术。

如何将这些微小的 LED 转移到基板上应该是最大的难题,而苹果在加利福尼亚州的神秘工厂,正在尝试解决这一难题。不过这些设施对于大规模生产来说太小了,想单纯依靠苹果自己的研发机构或者工厂设备来量产基本是不可能的,而且近期内也不会有与量产有关的消息,苹果为此砸下了大量资金,肯定会尽可能地将专有技术与外界隔离。

加上该技术还在试验与论证阶段,苹果一直没有放弃 Micro LED 屏幕技术,但是同样在一面研发未来产品,一面寻找现阶段最好的替代品,如果 OLED 屏可以实现更好突破,而且成本得到有效的缩减,那么 Micro LED 屏幕有可能被再度搁置。

Micro LED技术路径

Micro LED主要通过将传统LED晶体薄膜用微缩制程技术进行微缩化、阵列化、薄膜化,然后通过巨量转移技术将晶体薄膜批量转移到电路板上,利用物理沉积制造保护层,最后完成封装。其中关键核心技术主要有两步: 微缩制程技术和巨量转移技 术 。

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微缩制程技术

微缩制程技术是指将原来LED晶片毫米级别的长度微缩后达到1~10μm等级左右。目前LED尺寸大多是10~30mil,既250~750 μm,单一晶片最小尺寸是100μm,而通过微缩制程技术可以打破这一极限设定。业界评估,室内用途的显示器尺寸至少要做到5μm,目前LED晶片大小业界水平已普遍达到50μm,苹果实力雄厚,已经能做到10μm的水平,Mikro Mesa实验室内已经可以做出3μm大小的尺寸,

微缩制程技术的实现路径主要有三种:Chip Bonding(芯片焊接)、Wafer Bonding(晶片焊接)、Thin film transfer(薄膜转移)。

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三种技术路径各有优劣,其中,薄膜转移技术能够突破尺寸限制完成批量转移,且厂商Mikro Mesa已率先在实验室完成3um尺寸的晶元,理论成本较低,或许能成为未来主要实现路径。

巨量转移技术

磊晶部分结束后,需要将已点亮的LED晶体薄膜无需封装直接搬运到驱动背板上,这种技术叫做巨量转移。其中技术难点有两个部分:

1)转移的仅仅是已经点亮的LED晶体外延层,并不转移原生基底,搬运厚度仅有3%,同时MicroLED尺寸极小,需要更加精细化的操作技术。 

2)一次转移需要移动几万乃至几十万颗LED,数量巨大,需要新技术满足这一要求。 

目前各大厂商在这个技术难关上各显神通,在巨量转移技术上各公司累计申请了十多项专利,预计这个技术门槛将会较快攻破。

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Luxvue转移技术相关专利图 图片来源:Patent

驱动系统

LED晶元通过巨量转移到电路板后,能藉由整合微透镜阵列,提高亮度及对比度。 Micro LED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极连结每一颗Micro LED的正、负极,透过电极线的依序通电,透过扫描方式点亮Micro LED以显示影像。

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Micro LED结构图 epoxy环氧树脂 electrode电极 资料来源:LEDinside

Micro LED技术瓶颈

Micro LED尚有较多技术工艺问题需要解决,从实现路径到成本良率都有诸多挑战。

在Micro LED转移过程中, 纳米级LED的转运是核心问题之一 。在蓝宝石类基板上生长出来的Micro LED需要转移到玻璃基板上,由于尺寸不匹配,因此需要进行多次转运。对于微器件的多次转运技术难度都是特别高,而用在追求高精度显示器的产品上难度就更大。Luxvue主要是采用电学方式完成转运过程。

晶元一致化问题也需要解决 。LED从wafer切成chip后,每个LED chip并不会呈现完美一致的波长,不同波长呈现出来的色彩不同,对于传统LED来说,可以靠分Bin、配Bin达到显示的要求。但Micro LED晶元数量巨大,采用传统分Bin方式效率低且设备投资成本过大,不利于规模化生产。这个问题有两类解决方案:一是以现有的晶元技术,将Micro LED应用做到小尺寸,高PPI的地方,比如可穿戴设备,并且小尺寸对精细度要求也相对较低。不过这种解决方案限制了Micro LED的市场空间。另一类解决方案就是在磊晶阶段通过改善生产工艺或者设备直接控制均匀性。

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Luxvue抓取示意图 资料来源:Patant

Micro LED实现单色比较简单,通过倒装结构封装和驱动IC贴合就可以实现,但要实现全彩就相对复杂,用传统的RGB三色列阵R需要分次转贴红、蓝、绿三色的晶粒,嵌入几十万颗LED晶粒,对于LED晶粒光效、波长的一致性、良率要求更高。为结局屏幕色彩问题目前有三种路径实现: RGB三色LED法、UV/蓝光LED+2发光介质法、光学透镜合成法。

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资料来源:LEDinside

为解决各种技术瓶颈,各家厂商各显神通: VerLASE拥有色彩转换技术专利,能够让全彩MicroLED阵列适用于近眼显示器;Leti采用量子点实现全彩显示,推出了iLED matrix,其蓝光EQE9.5%,亮度可达107Cd/m2;绿光EQE5.9%,亮度可达108Cd/m2,Pitch只有10um,未来目标做到1um。台湾Play Nitride公布以氮化镓为基础的PixeLEDTM display技术,公司目前透过移转技术转移至面板,转移良率可达99%。预计3-5年后Micro LED或可开始商用化进程。

超越OLED,应用前景广泛

Micro LED应用前景广泛

目前如果考虑现有技术能力,Micro-LED有两大应用方向,一是可穿戴市场,以苹果为代表,据传苹果将在新一代的苹果手表和iPhone上使用Micro-LED技术,并且有望在2018年推出Micro LED穿戴设备。;二是超大尺寸电视市场,以Sony为代表,今年,索尼在CES上展示的Micro-LED cledis已在分辨率、亮度、对比度都具有优良的性能。

从短期来看Micro-LED市场集中在超小型显示器,从中长期来看,Micro-LED的应用领域非常广泛,横跨穿戴式设备、超大室内显示屏幕外,头戴式显示器(HUD)、抬头显示器(HUD)、车尾灯、无线光通讯 Li-Fi、AR/VR、投影机等多个领域。

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Micro LED优势

高亮度、低功耗、超高解析度与色彩饱和度。Micro lED最大的优势都来自于它最大的特点,微米等级的间距,每一点画素(pixel)都能定址控制及单点驱动发光。比起其他LED,发光效率上,目前MICRO LED最高,且还在大幅提升空间;发光能量密度上,MICRO LED最高,且还有提升空间。——前者,有利于显示设备的节能,其功率消耗量约为 LCD 的 10%、OLED 的 50%;后者则可以节约显示设备有限的表面积,并部署更多的传感器,目前的理论结果是,MICRO LED和OLEDD比较,达到同等显示器亮度,只需要后者10%左右的涂覆面积。与同样是自发光显示的 OLED 相较之下,亮度比其高 30 倍,且分辨率可达 1500 PPI(像素密度),相当于 Apple Watch 采用 OLED 面板达到 300 PPI 的 5 倍之多。

寿命长。由于Micro-LED使用无机材料,且结构简易,几乎无光耗,它的使用寿命非常长。这一点是OLED无法相比的,OLED作为有机材料、有机物质,有其固有缺陷——即寿命和稳定性,难以媲美无机材料的QLED和MICRO LED。

较佳的材料稳定性与无影像烙印。

奈秒(Nano Second)等级的高速响应特性使得Micro LED显示器除适合做叁维(3D)显示外,更能高速调变、承载讯号,做为智慧显示器的可视光无线通讯功能。

能够适应各种尺寸。

成本降低空间大。目前微投影技术以数位光线处理(Digital Light Processing, DLP)、反射式硅基板液晶显示(Liquid Crystal on Silicon, LCoS)、微机电系统扫描(MEMS Scanning)叁种技术为主,但这叁种技术都须使用外加光源,使得模组体积不易进一步缩小,成本也较高。相较之下,採用自发光的Micro LED微显示器,不须外加光源,光学系统较简单,因此在模组体积的微型化及成本降低上具优势

无缝拼接。

应用范畴广。Micro LED解决了几大问题,一个是消费型平板包括智能手机、可穿戴设备80%的能耗都在显示器上,低能耗的Micro LED显示器将大大延长电池续航能力,对于Micro LED显示的应用,因其自发光的显示特性,搭配几乎无光耗元件的简易结构,就可轻易实现低能耗或高亮度的显示器设计。二是环境光较强致使显示器上的影像泛白、辨识度变差的问题,Micro LED高亮度的显示技术可以轻松解决这个问题,使其应用的范畴更加宽广。

下一代显示技术

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OLED和Micro LED对比LCD在各个功能性指标方面(PPI、功耗、亮度、薄度、显色指数、柔性面板适应度)都有显著优势,虽然LCD面板应用时间较长,供应链成熟度较高,有价格优势,但在将来必会被OLED和Micro LED替代。

OLED和Micro LED都是面向未来的显示技术,两者从工业实践的角度来看有不小的差距,Micro LED在性能上优于OLED。Micro LED是将微米等级的Micro LED巨量转移到基板上,类似微缩的户外LED显示屏,每一个Micro LED都定址并且可以单独驱动点亮,相较OLED更加省电,反应速度更快,OLED比LCD更薄、显示更清晰,但如果要省电,得降低高亮度显示和白色画面,视觉表现会受到影响。Micro LED技术上已经突破了OLED的局限,亮度和饱和度相比之下都更高。此外OLED材料是有机发光二极管,在使用寿命上天然无法与Micro LED等有机发光二极管相比,在需要使用时候命的应用领域,如汽车抬头显示、大型屏幕投影等方面Micro LED更具竞争力。

从产业链的角度来说,OLED显示的全部技术有7成上下可以被Micro LED公用或者吸收,即MicroLED技术突破后整个产业掉头难度不大,为未来替代OLED奠定基础。

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LCD/OLED/Micro LED区别 资料来源:LEDinside

(综合整理自威锋网、LEDinside、DeepTech深科技、西南电子)

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