LED打开显示市场 LED外延片厂商值得重点关注

电子发烧友网工程师 发表于 2018-04-10 11:45:00 收藏 已收藏
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LED打开显示市场 LED外延片厂商值得重点关注

电子发烧友网工程师 发表于 2018-04-10 11:45:00

1. Micro-LED将会成为主流显示技术之一

1.1 自发光显示时代的新选择:Micro-LED

彩色显示技术一直向着更高画质、更低能耗的方向发展。更高画质,意味着色域更广、对比度更高,更为真实的色彩显示;而更低能耗对于移动设备意义非凡,意味着更持久的续航以及更多可以添加的功能。

彩色显示,经过了CRT显像管、等离子等显示技术,目前液晶显示(LCD)已成为显示技术的主流,OLED则是正在快速成长的下一代显示方式。区别于LCD必须使用背光模组,OLED利用有机发光二极管作为自发光光源,多项指标优于LCD。这也意味着自发光显示技术将成为未来的显示技术主流。

Micro-LED即微型发光二极管,是指高密度集成的LED阵列,阵列中的LED像素点距离在10微米量级,每一个LED像素都能自发光。相比于使用LED背光背板的LCD显示技术以及LED显示技术,Micro-LED具有发光效率高、功耗低、响应快、寿命长的特点。目前,包括索尼、苹果、三星等厂商都将Micro-LED视为次世代显示技术,不断加强研发投入。

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Micro-LED显示技术是将传统的无机LED阵列微小化,每个尺寸在10微米尺寸的LED像素点均可以被独立的寻址、点亮。简单的讲,可以看作是小间距LED的尺寸进一步缩小至10微米量级。Micro-LED的显示方式十分直接,将10 微米尺度的LED芯片连接到TFT驱动基板上,从而实现对每个芯片放光亮度的精确控制,进而实现图像显示。

Micro-LED实现彩色显示,主要有两种解决方案,RGB三色LED法、紫外(UV)LED/蓝光LED+发光介质法。RGB三色方案即每个像素中包含三个RGB三色LED,一般采用倒装或检核的方式,将每个LED的正负极(P、N电极)与电路基连接。使用LED全彩驱动芯片对每个LED芯片进行寻址、独立的电流驱动,从而实现成像。

紫外(UV)LED或蓝光LED叠加发光介质的方法同样可以用来实现全彩色化显示。使用蓝光LED为例,需要搭配红、绿色发光介质即可实现彩色显示,这与前文所述的面板内(In panel)的QD LCD显示方案十分类似。发光介质一般可分为荧光粉和量子点材料。量子点具有发光效率高、単色性好的特点,因而量子点显示效果具有高色彩纯度的特点。此外,目前常采用的涂覆技术有旋转涂布、雾状喷涂技术等,将雾状的量子点材料均匀的喷涂到紫外Micro-LED、蓝光Micro-LED上实现色彩转换。目前该方案需要解决的主要问题主要是量子点技术不够成熟,难以承受高温,因而必须与Micro-LED芯片做好隔热处理;保证喷涂过程中个颜色的均匀性、避免不同颜色的量子点之间的相互干扰等问题也需要进一步解决。

综上,无机LED材料天然的性能优势使得Micro-LED显示技术成为一项极具潜力的新技术。首先,与OLED、量子点材料相比,无机LED材料不仅具有发光效率高的特点,更为重要的是不会受水汽、氧气或高温的影响,因而在稳定性、使用寿命、工作温度等方面具有明显的优势。其次,作为显示屏应用于手机、穿戴式设备、VR/AR设备,Micro-LED显示屏具有低功耗、高分辨率的特点,对于提升使用体验有着同样明显的优势。

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目前,LED显示屏的像素尺寸都很大,在厘米、毫米量级,这就导致图像显示的细腻程度并不理想。随着技术的发展进步,具有更小像素尺寸的Micro-LED技术体现出了巨大的潜力。

1.2 低功耗引来高关注,Micro-LED优势明显

Micro-LED技术最大的优势便是低功耗。目前显示屏幕所消耗的电量,约占到手机日常使用消耗总电量的30%。由于无需背光模组、且LED发光效率优于OLED,Micro-LED具有发光效率高、功耗低的优势。

目前主流的TFT-LCD显示技术,由于其实现彩色显示不可避免的依赖背光源的使用,导致了其能耗较高的缺点。AMOLED的出现,由于从显示原理上避免了使用背光源,因而显示能耗得到了显著的提高。当然,AMOLED的功耗与显示的画面有很大的关系。画面以黑色为主时,AMOLED的耗电量仅为LCD的40%左右;大部分图像显示情况下,AMOLED的耗电量占LCD的60-80%;而在全白的显示情况下,AMOLED的耗电量甚至要超过LCD。

概括来讲,以手机为例,在游戏、影音使用过程中,AMOLED的低功耗优势明显;而在短信等使用情境下,由于显示白色的区域较多,因而AMOLED的耗电量也相对偏高。因此,降低AMOLED的功耗不仅需要从关键材料、硬件设计等方面优化,也需要从软件层面优化改进用户界面。

与AMOLED相比,Micro-LED的功耗将更低。由于OLED材料自身的特点,决定了其发光效率要远小于传统的III-V 族半导体材料,约为传统LED的一半。由此可以推测,在相同的使用情况下,由于发光效率的提高,Micro-LED的耗电量将为AMOLED的一半,也就是LCD 的20-40%。

1.3 各大厂商争先布局,未来显示主流技术之一

苹果和Sony是Micro-LED领域最有力的推动者,两家选择了截然不同的商业化路径。Sony选择将Micro-LED首先应用在室内大屏显示领域,并已推出多款产品。苹果则是将以Apple Watch为代表的智能手表,作为Micro-LED最先落地的领域。

自2009年起,各大厂商已在Micro-LED领域早有布局。该领域最主要的推动者是苹果。为了制衡三星在OLED领域的优势,苹果积极推动下一代显示技术的研发。2014年,苹果收购LuxVue,这家公司是Micro-LED领域的先驱,掌握众多技术专利。据报道,苹果今年将在台湾进行Micro-LED的试产,台湾初创公司錼创(PlayNitride)负责试产。

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台湾厂商在Micro-LED积极推进产业链整合。台工研院不仅是牵头联络台湾厂商实现共同研发和产业链整合,同时也可以称得上是全球范围内Micro-LED最积极的倡导者。目前已开展相关研发布局的公司有LED外延片及芯片生产商晶电,驱动IC设计与生产商聚积,面板制造商友达,鸿海(包括旗下夏普、荣创、群创)、半导体初创公司錼创(PlayNitride),涉及领域涵盖Micro-LED各个环节。

我们认为,以智能手表为代表的可穿戴设备将成为Micro-LED的首个需求引爆点,VR/AR设备、室内大屏显示、以及长期的智能手机、平板、电视等也是目前最具可行性和开发潜力的市场。

2. 技术突破,市场空间巨大,芯片厂最受益

2.1 巨量转移是产业化进程最关键一步

以目前Micro-LED主流技术路径来看,Micro-LED制造过程主要包括LED 外延片生长、TFT驱动背板制作、Micro-LED芯片制作、芯片巨量转移四部分组成。

LED外延片生长采用目前常规的LED外延片生产方式,一般采用MOCVD方法,在蓝宝石或四元基片上外延生长蓝绿或红黄色LED外延片。但是,作为Micro-LED显示所需的LED外延片,对LED外延片的均匀性、一致性要求很高,需要保证每个发光单元具有一致的发光特性。

Micro-LED芯片制作则是在LED外延片的基础上,刻蚀成小于10微米尺度的单元,采用的技术与目前常规技术一致。Micro-LED使用与OLED、LCD类似的TFT驱动背板。因而,Micro-LED生产过程中的上述三步,均需要对现有技术进行升级,达到生产Micro-LED的需求。

目前,芯片巨量转移技术是主要技术难点,也是各家厂商研发的重点。巨量转移是指将切割完成的百万量级的Micro-LED芯片,由LED外延片衬底,转移至驱动背板的基底。再经过一系列的封装处理,实现彩色显示。在RGB彩色显示方案中,要实现三种Micro-LED芯片的巨量转移,且需要保证三种颜色Micro-LED的准确排列,技术难度更高。目前,LuxVue(苹果)、X-celeprint、eLux、台湾工研院等团队,均提出了各自的巨量转移方案。

2.2 芯片厂商最具潜力、最先获益——与OLED产业链对比

OLED同样作为一种自发光显示技术,目前已得到广泛的应用。特别是最新发布的iPhone X采用了OLED屏幕,将极大的推动更多的消费电子产品采用OLED显示屏幕。

目前,OLED显示屏幕主要由韩国的三星、LGD两家公司生产,其中三星主要从事中小尺寸的OLED屏幕生产,LGD主要从事大尺寸OLED屏幕的生产。过去一年,大陆厂商积极投资LTPS与OLED制造,主要目标集中在中小尺寸OLED屏幕。

OLED产业链较长,上游主要分为三部分:设备、原材料、组装零件。设备方面,国内企业实力明显较弱,特别是刻蚀、镀膜两部分为外商垄断。国内企业依托在LCD显示生产中积累的经验,在后端检测设备方面较有竞争力。原料方面,国内仅能提供低端的玻璃基板;其他关键原料,如有机材料、偏光板、光刻胶、封装材料等完全依赖进口。零件方面,也基本被外商垄断。由此可以看出,国内厂商在OLED产业链中实力较弱,主要设备、原材料依赖进口。

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目前,随着相关技术的不断发展,OLED材料、封装材料的成本已经不断下降,但仍是显示屏成本的主要组成部分。因此,在OLED产业链中,OLED材料作为必不可少的发光材料,其价格走势必将对中下游的OLED面板生产和应用产生重要影响。

通过对比Micro-LED与OLED的产业链,我们可以看出,Micro-LED与目前OLED的产业链具有很多相同、重叠的领域。对于这些相同的设备、材料、零件、制程,Micro-LED仅是对原有OLED的替代,并未产生新的需求点。唯一例外的是,对于LED外延片,Micro-LED是新的需求点,新的增量来自于芯片厂的

扩产以及对巨量转移技术的进步,那么至少LED外延片厂商将从Micro-LED的投产中显著受益。

大陆LED外延片生产商,将是Micro-LED产业链中最优先获益的一环。目前全球LED外延片市场中,大陆厂商量、质兼备。有别于OLED材料依赖进口的现状,大陆厂商掌握Micro-LED发光材料,对于产业链中其他厂商来讲,推动Micro-LED相关产线改造升级的动力更强,更容易实现Micro-LED 产业链整合,降低成本,扩大市场。

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提前布局巨量转移技术,LED芯片商已做好准备,期望向下游延伸。由于目前Micro-LED尚处于实验室产品阶段,尚无批量生产,生产方案仍在探索中,尚未统一。目前,众多LED外延片厂商已在Micro-LED巨量转移技术方面早有布局,期望能够实现产业链的向下延伸,实验从原料到成品的全产业链生产。无论最终何种巨量转移方案脱颖而出,LED芯片商坐拥原材料、叠加相关技术储备,将是Micro-LED产业链中最具潜力、最先获益的一环。

2.3 市场空间广阔,LED外延片市场需求量多达千台

预计以智能手表为代表的可穿戴设备将成为Micro-LED的首个需求引爆点,VR/AR设备、室内大屏显示、以及长期的智能手机、平板、电视等也是目前最具可行性和开发潜力的市场。

可穿戴设备中,智能手表占据半壁江山,且未来成长势头强劲。根据IDC 预测,到2021年,智能手表的出货量将从现在的7140万,增长至1.61亿,复合年增长率22.5%。智能手表占全部可穿戴市场的份额也将由现在的56.9%上升至67.0%。

目前,智能手表用户的主要痛点之一便是电池容量有限、续航时间较短。iWatch手表上添加LTE芯片,可以摆脱手机连接到移动网络独立工作。独立的移动网络模块必将带来耗电量的增加,将进一步使有限的电池容量变得捉襟见肘。而Micro-LED发光效率高、功耗低的特点极大的满足了这一需求。

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Micro-LED具有的视角大、响应快、发光效率高、功耗低、易实现高PPI(像素密度)等优异特性,特别适合应用于头盔显示器、立体显示镜以及眼镜式显示器等AR/VR显示设备。目前主流的VR设备采用OLED显示屏幕,存在像素密度较低的问题。

智能手机产业链无疑是市场现有体量最大的空间。同时屏幕依旧是整个手机成本中最高的一环。参照现阶段iPhone X成本构成比,OLED屏幕占据成本端的约80美元,占比约19.38%。倘若Micro-LED实现手机端屏幕的商业化运作,对于整个LED芯片市场将会是一场显著的带动。

我们参照OLED对于市场屏幕的渗透率作为对比,可以看到OLED在经历了两到三年的时间就已经拓展到市场上龙头地位。这其中不仅仅是由于三星等核心厂商的推动,也是由于技术进步、下游需求拉动等多方面因素。可以假设的是随着Micro-LED的技术不断兑现,优良的显示效果,成熟的产业链配套将会迎来新的一波机会。

根据智能手表、VR/AR设备、以及长期的智能手机、平板、电视等也是目前最具可行性和开发潜力的市场,我们估算Micro-LED整体的市场空间以及对应的芯片厂商MOCVD的需求量。

在此基础可以看到智能手机市场将会重点决定未来Micro-LED的市场需求量,智能手机市场的出货量以及渗透率较为关键,我们对其做敏感性分析。

2.4 巨量转移:全产业链技术难点

目前,Micro-LED制造的主要难点在于将十万、百万量级的Micro-LED批量转移到TFT背板上,即巨量微转移(巨量转移)。目前,范德华力、静电吸附、相变化转移和雷射激光烧蚀四大技术是主要研发方向。其中范德华力、静电吸附及激光烧蚀方式是目前较多厂商发展的方向。

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Micro-LED与TFT驱动背板的连接方式,主要研究方向有芯片连接(chip bonding)、外延连接(wafer bonding)和薄膜连接(thin film bonding)。芯片连接(chip bonding)是指将LED切割成包括磊晶薄膜和基板的微米级单结构,随后使用SMD或COB方法与显示基板连接。外延连接(wafer bonding)是指在LED的磊晶薄膜上,直接刻蚀形成微米级结构,随后将LED晶圆连接于驱动电路板,通过玻璃基板的方式实现最终显示。

典型代表:苹果收购的LuxVue公司技术独到。2014年,苹果收购了Luxvue公司,成为引发对Micro-LED 持续与研发的关键事件。Luxvue公司成立于2009年专注于Micro-LED技术的研发,其所拥有的Micro-LED相关专利是各家厂商当中最多的。在巨量转移技术方面,LuxVue公司主要采用静电吸附技术。该公司开发出了具有双极结构的转移头。转移头凸起的平台部分有两个硅电极。当转移头抓取基板上的Micro-LED时,两个硅电极分别施加正负电压,便可实现对Micro-LED的抓取。

通过以上介绍可以看出,巨量转移技术是决定目前Micro-LED显示技术是否可行的关键难题。在考虑的工艺难度时,需要综合考虑面板尺寸、分辨率、像素大小、总像素数量等问题。综合来看,小尺寸的可穿戴设备以及低分辨率、大像素间距的室内显示领域,因相对难度较低,将成为Micro-LED最有可能首先落地的领域。而决定Micro-LED 能否真正产业化生产,仍有七大挑战需要面对。

Micro-LED的产业化过程中,LED 外延片厂商值得重点关注。一方面,要关注LED芯片厂商在巨量转移技术上的研发,关注LED芯片供应商向下游的延伸;另一方面,要关注一旦苹果等Micro-LED产品落地,最先获益的LED 芯片供应商。

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