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最後一块拼图?终极显示技术Micro LED助攻面板业转型
 

【作者: 季平】2023年03月10日 星期五

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市场传出,苹果(Apple)的Apple Watch Ultra可能於2024年导入Micro LED面板技术。虽然尚未看见事实发生,但早在元宇宙(Metaverse)话题引爆之初,第三代终极显示技术微发光二极体(Micro LED)相关技术的研发与应用已备受市场关注,业界也相当关心Micro LED未来是否有机会取代Micro OLED。在第一代平面显示器TFT LCD、第二代OLED独霸市场多年後,第三代Micro LED能否接棒演出,甚至带动面板业转型,众人敲碗期待!


研调机构Quadintel指出,2021年全球Micro LED显示器市场规模为10.41亿美元(约合新台币301亿元),2030年将成长至913.8亿美元(约合新台币2.6兆元),年复合成长率达75.2%,蓝海商机令人垂涎。研调机构TrendForce指出,受惠於苹果(Apple)预计2024年率先导入Micro LED技术於消费性电子产品Apple Watch,2026年至2030年Micro LED技术应用范围有机会扩大到其他装置,如AR眼镜、手机、车用显示。


关於终极显示技术Micro LED的二三事

终极显示技术Micro LED终於不再只闻楼梯响,准备上岸。但是如果将时间拉回个十年左右,可以看到Micro LED产品主攻拼接式大型商用显示萤幕的简史,如Sony在2012年发表的Crystal LED Display原型,55寸显示器就采用了622万颗Micro LED。


三星(Samsung)2021年推出的The Wall商用显示器内建16种神经网路模型,透过AI影像升频与深度学习技术将影像优化至8K解析度;8K解析度、120Hz更新频率及Simple 8K播放功能呈现极为细腻的画质,15,360 x 2,160的画素排列达16K超高解析度,在超过1,000寸的萤幕上展现巨型画布般的磅??气势。



图一 : 三星(Samsung)The Wall商用显示器。(source:Samsung)
图一 : 三星(Samsung)The Wall商用显示器。(source:Samsung)

2022年底推出的Apple Watch Ultra已经将显示尺寸与亮度规格分别提升至1.93寸与2,000nits,可以满足视野加大与户外清晰阅读的使用需求,Micro LED的应用领域则已扩及AR眼镜。


??创科技先进技术开发处??处长吴志凌指出,一般的LED尺寸较大,多半提供大型电视墙使用,Micro LED是将LED的结构微型化,移除LED基板,留下磊晶薄膜,移除封装及基板後,LED元件尺寸可以缩小至50μm以下。Micro LED显示器结合LED微型化与阵列化技术,以巨量转移方式键合到含电路结构设计的驱动背板上,符合不同显示器画素尺寸,因此,微米级Micro LED晶片适用於手表、手机、AR/VR、电脑萤幕、电视、车用等领域的应用。


三代显示技术比一比

微型显示技术包含矽基液晶技术LCoS(Liquid Crystal on Silicon)、数位投影技术DLP(Digital Light Processing)、雷射光学扫描技术LBS(Laser Beam Scanning)、Micro OLED、Micro LED等。


以同为自发光(Self-Emissive)显示器的Micro OLED与Micro LED来说,Micro OLED的优点包含自体发光、视角广、高亮度、高应答速度、高流明效率、低功耗、低成本、全彩化、面板厚度薄、使用温度范围大、可制作大尺寸及可挠曲性面板,而且没有TFT LCD的残影、画面跳动现象,制程也相对简单。


Micro LED的优点则包含反应速度快、高亮度、低功耗、寿命长、效率高、色彩饱和度高、大视角等,尤其在阳光下影像不会模糊,对於新一代智慧型穿戴装置来说是一大利多,而且相当省电,耗电量约为LCD的10%,OLED的50%。


OLED的缺点在於亮度不够,智慧型装置须具备轻薄、高解析度、高亮度等特性,Micro LED所拥有的超高亮度是受先天材料限制的Micro OLED难以企及。以完全透明的AR智慧型眼镜来说,必须搭配光波导技术,而光波导会带来极高的显示器原始亮度损耗,拥有高亮度优势的Micro LED因此具有更为弹性的施展空间,而未来全透明的AR眼镜及相关应用仰赖Micro LED显示技术的可能性极高。


吴志凌表示,Micro LED具有以下优势:可自体发光,比LCD更省电;亮度更高;可以做到更小,有更高的解析度;寿命更长;反应速度快,可应用於电竞等高阶显示器领域;应用更弹性多元。


TFT LCD的优势在於制造技术成熟,在各种尺寸显示器应用上具有成本优势,缺点在於非自发光显示机制,须搭载背光模组,因此在耗电、体积、对比与挠曲性等方面受到不小的限制。OLED属於自发光型显示机制,没有前述TFT LCD的劣势,而且产品轻薄、显示对比性隹,也具有挠曲折叠功能,但劣势在於元件老化问题与产品使用寿命较短,二者的缺点却可以由Micro LED补足。


表一:TFT LCD、Micro OLED与Micro LED的比较

 

TFT LCD

Micro OLED

Micro LED

背光源

LED背光模组

自体发光

自体发光

显示效果

晶片尺寸

>300μm

约100-200μm

<30μm

耗电量

量产成本

应用领域

中低阶电视、笔电、掌上型装置、智慧型手机等

高阶电视、智慧型手机等

高阶电视、智慧型穿戴装置等


Micro LED的利基与应用

工研院电子与光电系统研究所组长方彦翔指出,Micro LED最快可以实现的利基应用包含车载市场、AR/MR与透明显示器。以车载领域来说,Micro LED具有微型、低功耗及高亮度等特性,可将感测器整合於同一模组中,车内主驾、仪表板、中控等系统导入Micro LED後可合并为单一大萤幕,同时具备曲面、互动智慧座舱等特性,甚至可以随时侦测车内人员的生物特徵,带来沈浸式的智慧化体验。


至於元宇宙AR/MR的应用,由於Micro LED具有高亮度、高省电、体积小及高解析等特性,就算在日光下也能清楚显示,加上功耗极低,可同步解决穿戴式装置长期使用电力不足的问题。此外,Micro LED体积轻薄的特性易於整合感测元件,使AR眼镜的外型更有机会趋近於一般眼镜。至於透明显示器的应用更为多元,比方将相关技术导入车窗玻璃,就能即时显示各种资讯,也可以应用在各种商场橱窗、室内镜子及玻璃上。


不过,吴志凌认为,Micro LED产业与技术发展仍需要进一步整合,技术成熟度仍不够高、成本仍偏高是弱势之处,如果可以解决这些问题,未来有机会走到量产阶段,但首先要改善制程,其次是使用更便宜的材料降低成本,终端产品及应用才能让所有人都负担得起。


目前市场主流为6寸产线,未来如果可以采用8寸产线生产Micro LED,可能更为经济。其次,Micro LED的量产需仰赖半导体技术,未来相关业者能否整合从晶片到转移、检测维修的完整解决方案也是提高竞争力的关键要素之一。


成本优化是重中之重

显示器供应链顾问公司Display Supply Chain Consultant(DSCC)预估,以配备OLED萤幕的Apple Watch Ultra为例,售价为799美元,如果真能在2024年导入Micro LED技术,2025年产品如期问世,售价可能必须调高约五倍之多,如果成本无法有效降低,势必影响未来与元宇宙相关的应用普及性。


所幸,Micro LED成本优化的脚步近年来已有大幅进展,2022年的成本相较於2021年下降约50%,加速催生商用产品问世,如三星、LG分别推出新一代The Wall、MAGNIT Micro LED 显示器产品;中国的雷曼、海信商显推出主打Micro LED技术的巨型显示器产品,大厂纷纷朝透明显示器、智慧车舱等领域迈进,各家车厂都积极推出Micro LED透明显示器抢占商机。


另一个发展快速的商用领域为AR眼镜,虽然AR眼镜多年来以Micro OLED为主流技术,随着AR眼镜走向室外,亮度须达4,000 nits以上,加上光源至少要大於400万nits,Micro OLED的材质特性走出室外很容易见光死。


Micro LED技术已能达到AR眼镜所需亮度,2021年迄今,除了苹果(Apple),全球已逾10个品牌业者推出Micro LED穿透式AR智慧眼镜概念机,如美国智慧眼镜公司Vuzix在2022年CES展中所展示的AR眼镜Vuzix Shield搭配超薄双目波导技术,配备1微米Micro LED投影模组,还拥有全球首款微型μLED立体显示器,可连结智慧工作与AR系统。中国Micro LED大厂JBD与中国舜为合作发表Micro LED双眼全彩AR眼镜,搭载JBD 0.13寸0.8CC全彩光引擎,主打轻薄、便携、低功耗与高亮度。



图二 : AR眼镜Vuzix Shield。(source:Vuzix)
图二 : AR眼镜Vuzix Shield。(source:Vuzix)

Micro LED技术角力 台湾队有机会出线

全球Micro LED三大阵营包含台厂的富采(晶电、晶成、隆达)、友达与群创,陆厂的京东方、华灿光电、BOE Pixey及京东方晶芯科技,以及陆厂的华星光电、三安光电及芯颖显示。工研院已於2022年推出全球首款「micro-LED微型全彩显示器」,为单一面板具备红绿蓝三原色的高沈浸、高解析方案。



图三 : 工研院2022年推出全球首款「micro-LED微型全彩显示器」。(source:工研院)
图三 : 工研院2022年推出全球首款「micro-LED微型全彩显示器」。(source:工研院)

台湾的友达、群创於2022年叁与认购富采控股公司私募案,三星、友达及晶电则共同投资??创科技。各厂皆有擅长,如高阶晶粒由富采旗下的晶电负责,巨量移转以??创科技为主,友达、群创等面板厂主导背板及驱动IC。


??创早於2019年建立第一条Micro LED生产线,完整生产技术包含磊晶、晶粒制造、巨量转移、巨量检测及巨量修补,同时具备自制设备与调校能力。??创自行研发波长亮度高均匀性的6寸RGB LED晶圆及高良率RGB Micro LED晶片,主要有三大产品线,分别应用於大尺寸拼接显示器、消费性电子产品、车用显示器、穿戴装置及AR眼镜等产品,可视不同客户需求提供解决方案。


2022年的Touch Taiwan展中??创就展示了9.38寸透明Micro LED显示器,穿透率符合车厂要求的70%穿透度,解析度高,还能适应车用高、低温等极限环境。??创在今年的美西光电展(SPIE)中也展出与AR、车用及消费性电子产品相关的触控式量子点色转换Micro LED显示器解决方案。



图四 : 触控式量子点色转换Micro LED显示器。(source:??创科技)
图四 : 触控式量子点色转换Micro LED显示器。(source:??创科技)

友达则在今年的美国消费性电子大展(CES)中发表Micro LED显示技术导入车载应用,推出顶级车用显示器,有助克服环境光对车内显示效果的影响,可应用於汽车挡风玻璃或侧窗上。


Micro LED沉浸式车舱显示方案能透过高穿透度光学膜展现不同质感,让显示器融入车舱饰板,还能提供清晰完整的资讯,如14.6寸卷轴式Micro LED显示器可提供导航或娱乐资讯,这款2K解析度的202 PPI软性面板可搭配40毫米收纳曲率半径,方便卷起收纳,增加车舱内的使用空间。



图五 : Micro LED沉浸式车舱显示方案。(source:友达)
图五 : Micro LED沉浸式车舱显示方案。(source:友达)

团队合作助攻面板业转型

工研院电子与光电系统研究所组长方彦翔与??创科技先进技术开发处??处长吴志凌都认为,Micro LED的关键技术在於巨量转移(Mass Transfer),除了技术,还需要巨量检测、巨量修补相互配合。以主流的4K、2K显示器为例,内含数千万颗Micro LED,虽然生产良率已达99.99%,但每个显示器中仍将产生数千颗不良品,如何在巨量转移前挑拣不良品,在巨量转移後快速修补是关键,加上各品牌端有不同的产品客制化需求,而巨量检测或修补环节没有前例可循,从技术开发到整合产业各端,处处充满挑战。


有别於传统TFT LCD显示器的成熟架构,Micro LED技术面板厂所面对的挑战是过去没有遭遇过的。隆达电子董事长苏?正表示,进入Micro LED时代,需要跨域合作,尤其Micro LED高度客制化,需要厂商协力,靠团队力打造产业竞争力,甚至引进新的供应链业者,扩大产业利基。


工研院电子与光电系统研究所组长方彦翔则认为,Micro LED有很大的机会协助传统显示厂商转型,比方面板厂可以根据不同利基市场需求,从设计开发阶段就叁与其中,同时邀集上下游材料、设备、检测等厂加入开发行列,成为品牌厂的Tier 1供应商,如此,不仅能提升面板厂的附加价值,还能带动传统显示厂商成功转型。


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