下一代显示技术Micro LED深度解密 - 全文

一、Micro LED，下一代显示技术

Micro LED即LED微缩技术，是指将传统LED阵列化、微缩化后定址巨量转移到电路基板上，形成超小间距LED，将毫米级别的LED长度进一步微缩到微米级，以达到超高像素、超高解析率，理论上能够适应各种尺寸屏幕的技术。

Micro LED具备无需背光源、能够自发光的特性，与OLED相似，但相比OLED，Micro-LED色彩更容易准确的调试，有更长的发光寿命和更高的亮度。所以是OLED之后另一具轻薄及省电优势的显示技术，或许能成为OLED之后下一代显示技术。

Micro LED受制于产能和成本，完成商用化还需时间。现在各大厂商纷纷布局，关键技术进展迅速，预期三年后或将走上商用化的进程。

二、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。

2.1 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）。

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。

2.2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。

Luxvue转移技术相关专利图 图片来源：Patent

2.3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。

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

2.4 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。

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。

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。***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。

三、超越OLED，应用前景广泛

3.1 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。

3.2 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。

3.3 下一代显示技术

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。

LCD/OLED/Micro LED区别 资料来源：LEDinside

四、多厂商加快布局Micro LED

SONY推出Micro LED显示器CLEDIS：2016年6月索尼在德国IFA展展示Micro-LED大屏产品”cledis”，这个Micro-LED大屏显示屏成功结合了RGB三个单个像素，形成大尺寸LED屏幕可应用于数字标牌、大众大屏、展示厅、汽车设计审查等。

苹果收购LuxVue，或将MicroLED应用于Apple Watch：苹果公司2014年收购LuxVue，开始研发Micro LED技术，2016年7月苹果点燃“6 FHDMicro-LED“试点项目，据说正在开发面向未来Apple Watch的Micro-LED技术表型。

Micro LED作为可能成为下一代显示技术的新应用，吸引了各大国际巨头的注意，目前参与Micro LED的相关厂商及机构达近百家，现在Micro LED已经在索尼手上率先实现商用，未来发展步伐将会进一步加快。

从具体产业链角度来说，***厂和大陆厂正在积极进行布局，***晶电已有许多设备制造商也已经开始开发Micro-LED生产设备，预计今年能够进厂，明年可能会有部分产能放出；MikroMesa已经成功研发出3umx3um发光面积，这是世界上最小的尺寸；MikroMesa与重庆惠科金渝光电合作，共同建立在两岸第一个MicroLED实验室，实验室预计将在2017年第四季度完成，并在2018开发出全彩MicroLED产品。根据SID开设在上海大学的Micro-LED学术沙龙，大陆企业已经在布局发展Micro-LED芯片，目前，在大陆厂商研发中Micro-LED已经可以达到15um，跟进速度很快，前景可观。

五、Micro LED市场可看到百亿美元

考虑MicroLED的特点，可穿戴设备与室内显示屏将是最先切入的领域。如果未来这两大领域均采用MicroLED显示，将会消耗全球LED芯片近5成的产能。市场规模可达到300-400亿美金。

在Micro-LED应用领域中，消费型面板包括智能手机、可穿戴装置、电视屏幕，以及车用显示器、公共显示器包括户外超大屏幕都是Micro-LED的未来发展趋势，那么Micro-LED是否能完全替代现有的屏幕LCD，OLED？我们认为有极大可能。目前苹果宣布2018年苹果显示屏将全部采用OLED，OLED的优势在于成熟的量产技术，而Micro-LED由于量化转移技术目前生产成本过高，但Micro-LED一旦突破量产技术难关，将会大大减少成本，将以其独特的高解析度、低损耗和高清晰度开创LED新时代，很重要的一点是，从LCD/OLED到Micro-LED的转型并不像当年等离子屏与液晶屏的拼杀一样困难，他们都使用FTF背板，有很大一部分资源是可以共用的，因此厂商转型难度较小，在Micro-LED优势明显的情况下我们有理由认为Micro LED有极大可能全面取代液晶显示屏。若以全面取代现有液晶显示器的零组件的规模来推估，包括背光模块、液晶、偏光板等，Micro LED未来的潜在市场规模约可达300~400亿美元。