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未来显示器 Micro LED将引发下一次革命

核心提示: 今年伊始Micro LED频频出现在公众视野,而苹果秘密研发Micro LED的传言一经出现,似乎就让未来显示大战的风向,显示格局将变,Micro LED会引发下一次显示器革命吗?

今年伊始Micro LED频频出现在公众视野,而苹果秘密研发Micro LED的传言一经出现,似乎就让未来显示大战的风向,显示格局将变,Micro LED会引发下一次显示器革命吗?

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未来显示器 Micro LED将引发下一次革命

Micro LED被视为终极LED 期待很高

Micro LED又被称为μLED或者微型LED,由发光二极管构成,因此和OLED一样都属于自发光技术的屏幕。之所以叫Micro LED,是因为这种技术的本质是把LED微缩化和矩阵化,把LED单元微缩至小于50微米的级别,从而实现单点驱动自发光。

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从上面的结构图也不难看出,Micro LED一大优势是薄,而且体积很小。

相比起LCD和OLED,Micro LED拥有无机LED高效率、高亮度、高可靠度及反应时间的优点,而且也更容易实现节能效果。

另外,Micro LED的发光效率和发光能量密度比LCD和OLED更高,其中高发光效率令Micro LED的功率消耗量约为 LCD 的 10%、OLED 的 50%,而高发光能量密度让Micro LED达到同等亮度只需要OLED 10%左右的涂覆面积,还能够达到超高的1500 PPI(像素密度),各项指标在理论上都非常棒。

Micro LED本质上是一项很复杂的技术

今天,micro LED还没有一个普遍认可的定义。但是,一般来说,micro LED被认为是总表面小于2500mm2的LED芯片,这相当于是50mm×50mm的正方形,或直径为55mm的圆形芯片。根据这一定义,micro LED今天已经出现在市场上了:索尼在2016年再次亮相,采用小间距大型LED视频墙的形式,传统的LED封装由micro LED替代。

制造micro LED显示器的技术涉及方方面面:将LED基板加工成准备用于拾取和转移到接收基板的micro LED阵列,用于集成到非均匀集成的系统中:显示器。显示器又集成LED、像素驱动晶体管、光学器件等。外延片可容纳数亿micro LED芯片。

实现MicroLED显示屏有两个主要选项。一个是将micro LED单独或分组地拾取并转移到薄膜晶体管驱动矩阵上,这类似于OLED显示器中使用的;另一个是使用CMOS驱动电路将数十万个Micro LED的完整单片阵列组合起来。如果采用这两种方法中的第一种,则组装一个4K显示器需要拾取、放置和单独连接2500万个micro LED芯片(假设没有像素冗余)到晶体管背板。

用传统的拾放设备操纵这样的小型设备,每小时的加工速度约为25,000个单位。这太慢了,组装单个显示器将需要一个月的时间。为了解决这个问题,像苹果、X-Celeprint等数十家公司已经开发出大规模的并联抓取技术。他们可以同时加工数万到数百万的micro LED。但是,当micro LED尺寸仅为10μm时,以足够的精度加工和放置非常具有挑战性。

还有一些与LED芯片相关的问题要克服。当其尺寸非常小时,其性能会受到与表面和内部缺陷(例如开放式粘合、污染和结构损坏)相关的侧壁效应的影响。这些缺陷导致非辐射载体重组加速。侧壁效应可以延伸到类似于载体扩散长度的距离(通常为1mm至10mm):这在传统的LED中并不重要,因为其具有数百微米的边缘,但在micro LED中却是十分致命的。在这些设备中,它可以限制芯片整个体积的效率。由于这些缺陷,micro LED的峰值效率通常低于10%,当设备尺寸低于5mm时,它的峰值效率可能小于1%,这远远低于目前最好的传统蓝光发射的‘macro’LED,它现在可以产生超过70%的外部量子峰值效率。

更糟的是,micro LED通常必须以非常低的电流密度运行。它们通常在低于1-10Acm-2峰值效率区域驱动,因为即使在这种低效率下,LED也是非常明亮的。如果一台带micro LED的手机以其最高效率运行,其显示屏将提供高达数以万计nits的亮度,比目前市场上更亮的手机高出一个级别。屏幕会很亮,以至于胆大的用户都不敢看。

当LED以非常低的电流密度工作时,它们的效率非常低,使得该技术不能实现其削减能量消耗的承诺。因此,解决这个问题就成为microLED公司的优先事项。提高效率的办法包括引入新的芯片设计和改进制造技术。这两种方法都可以减少侧壁缺陷并使电载体远离芯片的边缘。

要实现microLED显示需要结合三个层级的主要专业技术:LED、晶体管背板(玻璃或Si-CMOS)以及芯片转移技术。相比传统显示屏,其供应链非常复杂且漫长,每一步都很关键,非常高效地管理各个方面极具挑战。目前还没有一家公司能够单独应对所有的技术挑战,完成所有组件的垂直整合。从该领域所涉猎的公司中就可以侧面反应这些纷杂的挑战。

显示行业格局全面开花 崛起的可能性很大

近年来台湾厂商积极抓住Micro LED未来商用热潮,包含关键零组件PCB及早投入研发与相关专利布局加速。

业界观察,Micro LED终端应用不只局限于手机,更多新创智慧家庭装置与高画质显示应用的需求也相当强劲,Samsung(三星)在2018年拉斯维加斯CES(消费电子展)上展示的巨幅146英寸microLED电视——“The Wall”无疑是现场最夺目的明星产品之一。尽管严格来说,实际上它并不是真正基于microLED技术,而是更传统的SMD LED封装,类似已经很成熟的小间距LED电视墙。不管怎么说,这款价值30万美元的显示屏赚足了眼球,使microLED在技术圈获得了极大的关注。重点在于实际降低生产成本,导入商用的速度。现阶段Micro LED受到不少企业“追捧”。

LG更是一口气向欧盟提交了三个新商标的申请,且全都与Micro LED面板有关,分别为XLED、SLED 与XLLED。

Yole发布的《MicroLED显示专利全景分析-2018版》报告确认了苹果公司确实一直在microLED显示技术领域暗暗发力,并申请了大量的相关专利。Yole的这份报告深入分析了microLED显示领域的全球1500多件专利,而苹果公司凭借该领域的60多个专利家族,无论是在专利数量还是专利强度和深度方面都占据行业榜首。

MicroLED显示领域全球主要专利申请人排名,依次为:Apple/Luxvue(美国)、X-Celeprint(英国)、Facebook-Oculus(美国)、ITRI(台湾工研院)、China Star Optoelec Tech(中国华星光电)、Mikro Mesa(台湾)、BOE(中国京东方)、Changchun Institute CIOMP(中国长春光机所)、Sharp/Elux/Foxconn(日本)、Samsung(韩国)、Vuereal(加拿大)、Goertek(中国歌尔股份)和SONY(日本)

苹果公司的专利组合覆盖了许多microLED显示相关的重点技术领域,意欲解决所有影响该技术商业化的主要技术瓶颈。从专利分析看,苹果公司的研发投入主要专注于转移、组装和互连技术,关于这些技术申请了40余件专利。

其中的重点,同时也是Luxvue之前研究的核心,在于其基于MEMS技术的微芯片转移技术。其他的核心专利还覆盖了microLED技术相关的多个领域,例如microLED芯片效率的提升,这是microLED显示能够提供但又令很多开发商头疼的另一挑战。苹果公司的专利组合解决的其他关键技术还包括颜色转换、光管理、像素和显示结构、测试和传感器集成等。

microLED显示领域的专利申请已经涉及了120多家公司和科研机构,在技术方面已经获得了足够的发展动力,根据大多数业内观察家的预测,首款商业化的microLED显示产品预计能够在2020年上市。

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责任编辑:史树金