寻求智能型手机的差异化设计并不容易。不过,显示器可说是一项重要的因子,智能型手机供货商都相信它是足以让用户发出赞叹声的关键。因此,如果市面上出现了一种新的显示器技术,它能在屏幕尺寸、分辨率、亮度与功耗带来明显差异,就可能因而颠覆整个市场。

MicroLED真的存在吗?

苹果(Apple)最新发表的iPhone X是第一支配备OLED显示器的iPhone——但比起其竞争对手三星(Samsung)和LG推出OLED手机的时间更晚的多了。当然,Apple并不像三星和LG一样拥有自己的显示器技术。

那么,如果Apple也自行开发显示器技术——不仅拥有OLED的所有优点,甚至更优越……好比说微发光二极管(MicroLED)呢?尽管Apple一直对此保持缄默,但该公司其实已经累积令人印象深刻的MicoLED专利产品组合了,而且有人猜测它正在其于硅谷的晶圆厂(2015年从Maxim购入)开发这项技术。不过,Apple并不是唯一一家致力于MicroLED的业界巨擘。

MicroLED17110801 MicroLED显示器采用微型LED芯片组成,和OLED一样能自发光 (来源: Yole Développement)

MicroLED显示器是由形成个别画素的微型LED数组组成。相较于OLED,MicroLED采用传统的氮化镓(GaN) LED技术,可支持更高亮度、高动态范围以及广色域,以实现快速更新率、广视角与更低功耗。MicroLED的支持者宣称其整体亮度较OLED更高30倍,同时提供更高的每瓦流明效率。

MicroLED17110802 Apple Watch Series 3智能手表仍配备OLED显示器

长久以来,Apple是否会改用MicroLED一直是Apple观察家和显示器技术专家之间热烈讨论的话题。例如早在Apple Watch Series 3发表以前,坊间已盛传这款智慧手表将搭载MicroLED。

然而,根据 Yole Développement资深市场和技术分析师Eric Virey估计,MicroLED至少要到2019年以后才可能出现在穿戴式装置市场,如Apple Watch。不过,Virey认为电子产业现在就应该更加重视这项技术,因为MicroLED的出现不仅将会改变行动装置样貌,还可能使得显示器市场排名重新洗牌。

Google加入竞争行列

目前积极在MicroLED领域布局关键专利、制造技术和专业知识的竞赛中,并不包括位于亚洲的传统消费性显示器制造商;相反地,都是一些像Google、Apple和华为(Huawei)等重量级厂商持续大力投资于MicroLED。

Google日前藉由投资瑞典制造商Glo,取得了进入MicroLED的门票。瑞典的一家网站报导Glo透过直接授权Google获得了1,500万美元,也让Google取得Glo约13%以上的股权。虽然有关这项消息的报导不多,但Google投资Glo之举反映业界对于这项得以实现虚拟现实(VR)眼镜、手机与平板计算机的新兴显示器技术兴趣日益增加。

率先让MicroLED浮出台面的是Apple于2014年收购Luxvue——这是一家为消费电子应用开发低功耗MicroLED显示器的新创公司。Apple对于Luxvue的投资造成市场开始传闻和猜测Apple将力推MicroLED。

Facebook的Oculus Rift VR业务部门也在一年前收购了一家名叫InfiniLED的新创公司,该公司在2011年从爱尔兰廷德尔国家研究所(Tyndall National Institute)独立出来。

今年稍早,富士康(Foxconn)透露对于MicroLED的兴趣。富士康与其子公司夏普(Sharp)连手收购了eLux约31.82%的股权;eLux是一家专注于为VR和扩增实境(AR)装置研发MicroLED技术的新创公司。

一连串围绕着MicroLED新创公司展开大量投资和收购的活动,反映技术产业永无止境地追求新一代显示技术。

整个供应链都面临挑战

Virey指出:“我们已经看到了经概念验证的MicroLED显示器原型。技术已经到位了,而今仍不足的是成本和良率——但这也是MicroLED得以实现大量生产的关键。”再者,他补充说,MicroLED的挑战存在于整个供应链中。

制程挑战

理论上,制造MicroLED应该就像制造LED芯片一样。但是,一般的LED制造设备并不适合这项任务,主要是因为MicroLED芯片远比一般LED芯片更小。这表示为了制造MicroLED,LED芯片厂需要另外打造一个拥有“更干净的无尘室”和“更高分辨率微影技术”的新制造设施。

Virey认为半导体代工厂会更适合些。例如,为了克服MicroLED制造的第一个障碍,“如果Apple与台积电(TSMC)合作,应该会更有帮助。”

能源效率挑战

生产LED芯片经常导致一些微小的“侧壁”损坏,通常是在250 x 250微米(us)的LED芯片上出现约1-2us的缺陷。但是,Virey解释,制造MicroLED所需的LED芯片小至5x5us,2us的侧壁缺陷已经足以导致破坏性的影响,留下的可用面积极其微小,大约仅占总芯片尺寸的4%。

MicroLED17110803 MicorLED的侧壁缺陷导致可用面积大幅缩小 (来源: Yole Développement)

为了解决这个有关能源效率的问题,MicroLED产业必须采取“双管齐下”的做法。Virey指出,这可能涉及新芯片的设计和制造发展。例如,Glo正致力于研发奈米线。从CEA-Leti独立而出的法国新创公司Aledia则着重于研发类似的微米线技术。

组装挑战

除了制造微型LED芯片外,Virey说,另一个更大的问题是与MicroLED有关的组装挑战——“如何将这些微型芯片转移到显示器的背面?”将每一个LED移植到6吋的MicroLED显示器,大约需要4天的时间。Virey说,其实目前已有十几家公司正试图解决这个「芯片移植技术」的问题,而解决这个问题的方法之一就是Virey所说的“单片式途径”。

单片式途径让MicroLED能以最终显示器的间距直接生长在芯片上。但这种单片式途径对于具有高画素密度(例如>2000PPI[画素/英吋])的微型显示器极其有利,但并不能成为MicroLED的通用解决办法。

为什么呢?因为LED晶圆尺寸被限制在4x6英吋。如果显示器间距太大,大部份珍贵的晶圆面积都会被浪费掉。Virey说:“想象在晶圆表面放置100um间距的5um MicroLED,你可是浪费了99.75%的晶圆表面啊!”

对于行动装置、电视和显示器所需的大尺寸显示器而言,大多数MicroLED显示器制造商都使用「拾取和放置」的方法,将微小的LED芯片放置在显示器背板。

MicroLED17110804 MicroLED的供应链(来源: Yole Développement)

缺陷管理和维修策略

Virey说,在各种有关MicroLED显示器制造的问题中,业界最需要的是制定缺陷管理和维修策略。毕竟在大多数高阶显示器保证零缺陷的时候,MicroLED显示器将难以因应PPM缺陷率的竞争。

假设MicroLED的良率(结合了外延和芯片制造)是99.9%,而移植与互连良率也是99%,二者相乘的结果是使MicroLED的组合缺陷率为2000ppm。这当然不够好,因而正引发业界展开大规模的研究,积极寻求开发MicroLED测试的方法。

谁将会胜出?

Virey指出,追逐MicorLED专利的行动并不只是Apple一家公司,Google和Facebook也正积极投入这项技术。此外,还有许多研究机构、显示器制造商、LED制造商、半导体公司和新创公司等等,太多的“有智之士”都积极参与其中。

MicroLED17110805 越来越多来自各家研究机构、显示器制造商、LED制造商、半导体公司和新创公司投入参与MicroLED领域(来源: Yole Développement)

在这些参与厂商中,Virey观察到,Apple (在收购Luxvue之后)目前拥有最广泛的MicroLED专利组合。而LG和华为也是强大的竞争对手。

Sony同样是MicroLED技术的早期开发商。该公司自2008年以来致力于MicroLED的创新,并曾在2012年CES展示55吋的全高分辨率(Full HD) MicroLED电视原型。但Virey说,Sony自那次之后的发展重心似乎转向了大尺寸屏幕的工业/商用市场。

未来谁将在此领域胜出还有待观察,但Yole将智慧手表视为MicroLED得以最早实现的目标应用。另一方面,Virey也强调,MicroLED“将不会完全取代OLED和LCD,而是最终在诸如穿戴式装置、AR、MR和抬头显示器等利基应用领域处于强势地位。”

MicroLED17110806 MicroLED显示技术的发展蓝图(来源: Yole Développement)

编译:Susan Hong

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