新世代顯示技術(shù)MicroLED 誰(shuí)將率先搶灘登陸

顯示技術(shù)進(jìn)化史

第一代顯示技術(shù)：CRT技術(shù)實(shí)現了從0到1的突破，采用陰極射線(xiàn)管技術(shù)，通過(guò)控制射線(xiàn)的位置和亮度來(lái)顯示圖像。由于其工作原理的限制，CRT顯示器的分辨率和顏色受到了較大的限制，而且其體積龐大、功耗高、使用壽命短等缺點(diǎn)也限制了其發(fā)展。

第二代顯示技術(shù)：LCD是目前使用最廣泛的顯示器技術(shù)之一，利用液晶材料的電光效應，在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒，下基板玻璃上設置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設置彩色濾光片，通過(guò)TFT上的信號與電壓改變來(lái)控制液晶分子的轉動(dòng)方向，從而達到控制每個(gè)像素點(diǎn)偏振光出射與否而達到顯示目的。LCD顯示技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是低功耗、輕薄、清晰度高等，但是其響應速度較慢、視角受限等問(wèn)題也成為了其發(fā)展的瓶頸。

第三代顯示技術(shù)：OLED是當下正在普及的技術(shù)，即有機發(fā)光二極管（Organic Light-emitting Diode），利用有機化合物發(fā)光的原理，通過(guò)施加電流控制每個(gè)像素點(diǎn)的亮度和顏色來(lái)顯示圖像。與LCD不同，OLED不需要背光，同時(shí)可以使用材質(zhì)較輕的發(fā)光基層（而非LCD和LED使用的玻璃基層），并且擁有更寬的視角和更快的響應速度，但是由于其生產(chǎn)成本高、壽命短等問(wèn)題，還需要進(jìn)一步探索和完善。

第四代顯示技術(shù)：MicroLED VS 激光

顯示技術(shù)從CRT、LCD到OLED，經(jīng)歷了多次技術(shù)變革。目前，第四代顯示技術(shù)的有力候選人有激光顯示和MicroLED。

激光顯示技術(shù)

激光顯示技術(shù)（LDT，Laser-Display Technology），即用激光器作為光源的圖像信息終端顯示技術(shù)，相比傳統LED光源，有著(zhù)更廣的色域覆蓋率、更好的顏色表現力、和更出色的色彩還原能力。

現在市面上的三基色激光光源可以分為三類(lèi)：三基色純激光光源、激光熒光粉光源和激光混合光源（工作原理如圖1所示）。純激光光源是指直接用紅綠藍三色激光作為顯示光源；激光熒光粉光源的藍光直接使用激光光源，而紅綠兩色則通過(guò)藍光和紅綠熒光粉作用來(lái)實(shí)現；激光混合光源則是藍色直接使用激光，紅色使用LED或激光，綠光依舊由激光和熒光粉產(chǎn)生。

圖1 純激光光源、激光熒光粉光源和激光混合光源的工作原理

純激光光源是最理想的光源，可以說(shuō)，三基色激光光源最能體現激光顯示技術(shù)的優(yōu)勢。人眼的三種視錐細胞，感受到的就是紅光、綠光和藍光，因此，選擇三基色激光光源就能得到最好的顯示效果。

單色激光和雙色激光加熒光粉的顯示方法的色域覆蓋度都比三色純激光低，而且因為使用熒光粉的緣故，大量能量會(huì )被損耗，因此在能耗比三色純激光光源高的前提下，其亮度仍然低于三色純激光光源。

但是，目前市面上以單色激光光源產(chǎn)品為主流，少部分用雙色激光光源，三色純激光光源十分稀少。原因在于綠光的激光器制造成本高、難度大：受限于半導體激光器材料增益區量子阱的結構特性，與其他兩色相比，綠光LD的轉化效率低，做出功率可以支撐激光顯示的綠光LD的難度比藍光、紅光大得多。除此之外，在提高紅光LD的功率時(shí)，激光器的散熱壓力又變回無(wú)法忽視的問(wèn)題了。

MicroLED顯示技術(shù)

MicroLED因與生俱來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢能夠克服LCD和OLED的技術(shù)缺陷，是業(yè)內公認的下一代顯示技術(shù)的最優(yōu)解決方案，電子設備屏幕的終極目標。MicroLED一般指將單個(gè)尺寸僅為1-50μm的紅、綠、藍三色的LED陣列，陣列經(jīng)由垂直交錯的正、負柵狀電極連接每一顆MicroLED的正、負極，電極線(xiàn)的依序通電后，通過(guò)掃描方式點(diǎn)亮MicroLED以顯示影像。

簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，MicroLED是將LED背光源進(jìn)行薄膜化、微小化、陣列化 —— 首先將氮化鎵（GaN）等半導體材料制成薄晶圓，在晶圓片上覆蓋一層模版光刻膠作為蝕刻晶圓片的掩模，然后對晶圓進(jìn)行蝕刻以創(chuàng )建單個(gè)微型led，剝離光阻劑掩膜后通過(guò)巨量轉移批量地轉移到驅動(dòng)電路基板上，再利用物理氣相沉積等方法在其上制備保護層和外接電極，進(jìn)行檢測和缺陷修復最后進(jìn)行封裝。

MicroLED拋棄了有機化合物，由于LED無(wú)機物的穩定性具有更長(cháng)使用壽命潛力，與有機材料相比，可以更長(cháng)時(shí)間地保持其性能和色彩準確度，同時(shí)兼顧顯示純黑色的特性（像素級別的純黑色）。最重要的是，由于不依賴(lài)有機化合物，MicroLED面板的生產(chǎn)成本應該比OLED更低。

MicroLED幾乎集合了OLED和LCD的所有優(yōu)點(diǎn)，結構簡(jiǎn)單兼顧了高亮度、高色域、高對比度，又能做到長(cháng)壽命、省電、柔性屏?？梢哉f(shuō)是未來(lái)屏幕的集大成者，那為什么MicroLED擁有這么多優(yōu)點(diǎn)還沒(méi)有普及呢？

現階段MicroLED有許多技術(shù)瓶頸有待突破，如芯片制造、巨量轉移、檢測修復等，實(shí)現量產(chǎn)大規模商用進(jìn)程中的最大痛點(diǎn)就出現在巨量轉移上，這也是目前MicroLED出貨量低、售價(jià)高昂的主要原因。

巨量轉移技術(shù)是目前MicroLED的主流、理想制造技術(shù)，與OLED顯示技術(shù)不同，無(wú)機LED無(wú)法在玻璃或其他大尺寸襯底進(jìn)行大面積的制作，所以這就需要讓在硅晶圓上生產(chǎn)出來(lái)的微米LED能夠轉移大量的器件到驅動(dòng)基板上，在保持巨量轉移的基礎上，還必須同時(shí)保證轉移的精度，良率及工藝的可靠性等。

巨量轉移的難點(diǎn)在于，一次轉移需要移動(dòng)幾萬(wàn)乃至幾十萬(wàn)顆以上的LED，數量十分巨大，要求有極高的轉移速率的同時(shí)還需要轉移良率到99.9999%（意味著(zhù)每轉移一百萬(wàn)顆芯片只能有一顆不良）。而由于LED的尺寸更小，待轉移的LED晶體外延層厚度僅有原LED的3%且每顆芯片的精準度必須控制在±0.5μm以?xún)?，這就讓該技術(shù)的實(shí)現需要超高的精細化操作。

另外，由于MicroLED尺寸極小，傳統測試設備難以使用，如何在百萬(wàn)級甚至千萬(wàn)級的芯片中對壞點(diǎn)進(jìn)行檢測也是一大挑戰，通過(guò)檢測技術(shù)挑出缺陷晶粒后，如何替換壞點(diǎn)也是未來(lái)將面臨的難題。 

總的來(lái)說(shuō)，巨量轉移技術(shù)是MicroLED產(chǎn)業(yè)化必須解決的問(wèn)題，也是降低成本的關(guān)鍵。近十年來(lái)，經(jīng)過(guò)全球范圍內眾多企業(yè)與研究機構的努力，MicroLED相關(guān)設備、材料、生產(chǎn)工藝的技術(shù)進(jìn)展迅速，僅僅在2023年上半年就取得了大量的技術(shù)成果。

從未來(lái)的發(fā)展看，全球Micro LED顯示行業(yè)將存在兩大增長(cháng)機遇。第一，未來(lái)隨著(zhù)生產(chǎn)工藝成熟及產(chǎn)品價(jià)格下移，有望在智能電視、大屏顯示、戶(hù)外顯示等多領(lǐng)域對OLED與LCD形成替代，推動(dòng)MicroLED在現有顯示存量市場(chǎng)的擴張；第二，在新興領(lǐng)域增量方面，由于MicroLED的微米級光源可以使顯示像素有足夠空間集成各類(lèi)功能器件，可實(shí)現三維光場(chǎng)顯示及高精度定位傳感，其整體逼真度、交互性、集成性更強，有望在VR/AR設備、車(chē)載顯示等交互式設備上得以快速應用，擴展市場(chǎng)增量。

預計未來(lái)2-3年，MicroLED會(huì )繼續努力突破技術(shù)瓶頸，逐漸打開(kāi)高端市場(chǎng)之后再進(jìn)一步向下滲透，而第二代顯示技術(shù)LCD還會(huì )依靠其他技術(shù)的修補進(jìn)一步占據下沉市場(chǎng)，第三代技術(shù)OLED在實(shí)現大尺寸屏幕的降本后將進(jìn)一步普及大眾消費市場(chǎng)。由于各個(gè)世代的技術(shù)均有對應的目標市場(chǎng)，未來(lái)幾年內不太可能出現某個(gè)技術(shù)一家獨大的情況。不過(guò)可以肯定的是MicroLED就是未來(lái)顯示技術(shù)的黃金賽道，提前布局相關(guān)技術(shù)的廠(chǎng)商將持續受益。

誰(shuí)將率先搶灘登陸MicroLED

因為微縮制程、晶圓生長(cháng)、巨量轉移、背板鍵合跟前三代的顯示工藝差別巨大，MicroLED需要顯示企業(yè)前所未有的深入了解和借鑒半導體工藝，半導體工藝和顯示技術(shù)的融合，很有可能成為最后落地和真正打開(kāi)市場(chǎng)的關(guān)鍵鑰匙。MicroLED作為潛力巨大的“game changing”技術(shù)，有能力完全重塑目前顯示面板市場(chǎng)格局。

三星

2018年1月，三星在美國CES上重磅亮相146英寸MicroLED“The Wall”，是將MicroLED技術(shù)應用于商用顯示屏領(lǐng)域的集大成之作。三星通過(guò)超精密技術(shù)識別及深度學(xué)習提高自動(dòng)組裝技術(shù)的精密度，利用側面精密Cutting技術(shù)將尺寸偏差最小化，開(kāi)發(fā)出包括將每個(gè)模塊上超過(guò)50萬(wàn)個(gè)LED晶圓轉移到TFT上的技術(shù)、高效穩定的LED/基板連接技術(shù)以及無(wú)縫技術(shù)等。

三星89英寸的MicroLED顯示屏由49個(gè)（7×7）模塊化構成，當其中一個(gè)模塊發(fā)生故障，僅需拆卸并替換模塊即可。而MicroLED模塊化特性理論上沒(méi)有邊框一說(shuō)，可自由拼接，就技術(shù)本身而言，具備“打破邊界”的能力。

而110寸的MicroLED顯示屏上分布著(zhù)2500萬(wàn)個(gè)左右MicroLED芯片，由192塊模塊拼接而成，能夠實(shí)現63微米的像素間距。受限于制造工藝，生產(chǎn)一塊110寸的面板需要數千小時(shí)，售價(jià)1049999元，顯然現階段的MicroLED面向的是金字塔頂尖的消費群體。

蘋(píng)果

繼芯片后，蘋(píng)果自研的腳步跨向面板領(lǐng)域。最近，蘋(píng)果自研MicroLED屏幕的聲音再一次傳出，Apple Watch Ultra有望到2025年升級采用自研的MicroLED顯示屏，進(jìn)而成為蘋(píng)果首款采用這一顯示屏的硬件產(chǎn)品，而應用到其他產(chǎn)品線(xiàn)上還需要數年時(shí)間。

蘋(píng)果起初目標是把MicroLED技術(shù)整合入大型面板，但遇挫后轉而聚焦面板尺寸約2英寸的Apple Watch作為切入產(chǎn)品。事實(shí)上根據Nikkei報道，蘋(píng)果在過(guò)去十年時(shí)間里，已累計投資至少10億美元用于研發(fā)MicroLED技術(shù)。

2014年，蘋(píng)果以約4.5億美元低調收購LuxVue，LuxVue是于2008年成立的初創(chuàng )公司，在當時(shí)MicroLED消費電子大規模應用最關(guān)鍵的巨量轉移技術(shù)上（靜電拾取方案）領(lǐng)先所有人。

之后，蘋(píng)果又在中國臺灣的竹科龍潭園區投資數十億元成立顯示技術(shù)研發(fā)實(shí)驗室，主要進(jìn)行Mini/MicroLED研發(fā)；到2020年6月，蘋(píng)果計劃再投資3.34億美元在臺灣桃園龍潭園區建設新廠(chǎng)，與晶元光電、友達光電、臺積電等廠(chǎng)商合作，一同研發(fā)生產(chǎn)Mini/MicroLED屏幕。

2023年1月，有消息稱(chēng)LGD正在為蘋(píng)果生產(chǎn)MicroLED背板建設一條小型生產(chǎn)線(xiàn)，將于2024年下半年開(kāi)始運營(yíng)；2023年2月，歐司朗（ams-Osram）計劃將為蘋(píng)果提供MicroLED晶片，富采旗下晶電負責出貨相關(guān)組件，臺積電則供應驅動(dòng)IC。

蘋(píng)果正在距離Apple Park總部15分鐘車(chē)程、位于加州圣塔克拉拉一座面積6.2萬(wàn)平方英尺的工廠(chǎng)試產(chǎn)MicroLED面板。蘋(píng)果設計了MicroLED面板的驅動(dòng)集成電路，和多家供應商合作，設計生產(chǎn)MicroLED所需的設備，從而提高面板產(chǎn)能。

屏幕是智能終端關(guān)鍵組成部分，對產(chǎn)品市場(chǎng)競爭力至關(guān)重要，隨著(zhù)第四代顯示技術(shù)的出現，蘋(píng)果必然希望不再受制于人。蘋(píng)果“狠抓”MicroLED顯示技術(shù)，除了追求更好的屏幕效果以外，擺脫對三星面板的依賴(lài)也是主要原因，實(shí)際上蘋(píng)果一直在做“擺脫三星”的努力，因而才在幾年前戰略性地引進(jìn)了LGD。

MicroLED將最先在穿戴應用的方向滲透，但是由于價(jià)格因素以及供應鏈技術(shù)成熟度等因素，蘋(píng)果不太可能很快大量滲透MicroLED。就目前狀況來(lái)看，蘋(píng)果的入局還難以撼動(dòng)三星的地位。

蘋(píng)果對MicroLED的關(guān)注和投入將進(jìn)一步堅定三星在MicroLED的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。據悉，三星在2022年底已經(jīng)成立了新團隊來(lái)開(kāi)發(fā)智能手表用的MicroLED項目，希望在2023年完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，盡快實(shí)現技術(shù)的商業(yè)化，以應對蘋(píng)果的自研MicroLED。如果進(jìn)展順利，三星可以通過(guò)成為智能手表MicroLED面板的供應商，確保繼續為蘋(píng)果供貨，未來(lái)三星可能將形成MicroLED和OLED兩種顯示技術(shù)并存的發(fā)展格局。

Meta

早在2020年Meta便收購了英國AR顯示器制造商Plessey，后者一直在積極展開(kāi)MicroLED顯示技術(shù)的研究，并曾與Vuzix開(kāi)發(fā)出用于A(yíng)R智能眼鏡的MicroLED顯示屏，并入Meta之后也一直在積極展開(kāi)相關(guān)研究工作。

Meta為了試圖搶蘋(píng)果的風(fēng)頭，在Vision Pro發(fā)布前幾天提前推出了Meta Quest 3，但由于Plessey無(wú)法為Meta開(kāi)發(fā)足夠亮度的顯示器，Meta已經(jīng)放棄了在Meta Quest 3上采用Plessey的產(chǎn)品，轉而采用經(jīng)過(guò)驗證且成本較低的舊技術(shù)硅基液晶（LCos）。

另外，2016年10月，Facebook（如今Meta）子公司Oculus收購了從愛(ài)爾蘭廷德?tīng)枃已芯吭汉蛺?ài)爾蘭科克大學(xué)衍生出來(lái)的InfiniLED公司；最新消息，愛(ài)爾蘭廷德?tīng)枃已芯克蚆eta已建立為期四年的研究合作伙伴關(guān)系，以應對開(kāi)發(fā)和制造MicroLED設備的挑戰，在這項合作中Meta將投資500萬(wàn)歐元，主要研究MicroLED微顯示器系統的效率，旨在研究異質(zhì)系統（涉及不同種類(lèi)的材料或組件）并確定它們對效率的影響，為未來(lái)產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)采用提供信息。

同時(shí)，Meta也在對MicroLED關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行知識產(chǎn)權方面的布局。據今年5月消息，Meta一項名為“Semipolar micro-led”的專(zhuān)利被公開(kāi)，該專(zhuān)利涉及高量子效率MicroLED像素，也就是針對MicroLED外量子效率這一核心問(wèn)題提供了方案。

從2022年開(kāi)始，MicroLED相關(guān)投資開(kāi)始變得愈發(fā)頻繁。2017年，谷歌以1.2億瑞典克朗注資MicroLED制造商Glo公司；2019年，投資了Mojo Vision；2022年3月，谷歌被曝已收購MicroLED廠(chǎng)商Raxium，為自家AR設備和手機提供屏幕。