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(xiàn)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(yīng)，在兩片平行的玻璃基板當(dāng)中放置液晶盒，下基板玻璃上設(shè)置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設(shè)置彩色濾光片，通過(guò)TFT上的信號(hào)與電壓改變來(lái)控制液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而達(dá)到控制每個(gè)像素點(diǎn)偏振光出射與否而達(dá)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(yīng)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(dāng)下正在普及的技術(shù)，即有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-emitting Diode），利用有機(jī)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(yīng)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(tǒng)LED光源，有著更廣的色域覆蓋率、更好的顏色表現(xiàn)力、和更出色的色彩還原能力。

現(xiàn)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(lán)三色激光作為顯示光源；激光熒光粉光源的藍(lán)光直接使用激光光源，而紅綠兩色則通過(guò)藍(lán)光和紅綠熒光粉作用來(lái)實(shí)現(xiàn)；激光混合光源則是藍(lán)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(xiàn)激光顯示技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。人眼的三種視錐細(xì)胞，感受到的就是紅光、綠光和藍(lán)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?yàn)槭褂脽晒夥鄣木壒剩罅磕芰繒?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(dǎo)體激光器材料增益區(qū)量子阱的結(jié)構(gòu)特性，與其他兩色相比，綠光LD的轉(zhuǎn)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(lán)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?zé)o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(shì)能夠克服LCD和OLED的技術(shù)缺陷，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下一代顯示技術(shù)的最優(yōu)解決方案，電子設(shè)備屏幕的終極目標(biāo)。MicroLED一般指將單個(gè)尺寸僅為1-50μm的紅、綠、藍(lán)三色的LED陣列，陣列經(jīng)由垂直交錯(cuò)的正、負(fù)柵狀電極連接每一顆MicroLED的正、負(fù)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(dǎo)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(duì)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(zhuǎn)移批量地轉(zhuǎn)移到驅(qū)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(hù)層和外接電極，進(jìn)行檢測(cè)和缺陷修復(fù)最后進(jìn)行封裝。

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

MicroLED幾乎集合了OLED和LCD的所有優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單兼顧了高亮度、高色域、高對(duì)比度，又能做到長(zhǎng)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(xiàn)階段MicroLED有許多技術(shù)瓶頸有待突破，如芯片制造、巨量轉(zhuǎn)移、檢測(cè)修復(fù)等，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)大規(guī)模商用進(jìn)程中的最大痛點(diǎn)就出現(xiàn)在巨量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)移大量的器件到驅(qū)動(dòng)基板上，在保持巨量轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)上，還必須同時(shí)保證轉(zhuǎn)移的精度，良率及工藝的可靠性等。

巨量轉(zhuǎn)移的難點(diǎn)在于，一次轉(zhuǎn)移需要移動(dòng)幾萬(wàn)乃至幾十萬(wàn)顆以上的LED，數(shù)量十分巨大，要求有極高的轉(zhuǎn)移速率的同時(shí)還需要轉(zhuǎn)移良率到99.9999%（意味著每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移的LED晶體外延層厚度僅有原LED的3%且每顆芯片的精準(zhǔn)度必須控制在±0.5μm以?xún)?nèi)，這就讓該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要超高的精細(xì)化操作。

另外，由于MicroLED尺寸極小，傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備難以使用，如何在百萬(wàn)級(jí)甚至千萬(wàn)級(jí)的芯片中對(duì)壞點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)也是一大挑戰(zhàn)，通過(guò)檢測(cè)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(zhuǎn)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(nèi)眾多企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的努力，MicroLED相關(guān)設(shè)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(zhǎng)機(jī)遇。第一，未來(lái)隨著生產(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?qū)LED與LCD形成替代，推動(dòng)MicroLED在現(xiàn)有顯示存量市場(chǎng)的擴(kuò)張；第二，在新興領(lǐng)域增量方面，由于MicroLED的微米級(jí)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(xiàn)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(qiáng)，有望在VR/AR設(shè)備、車(chē)載顯示等交互式設(shè)備上得以快速應(yīng)用，擴(kuò)展市場(chǎng)增量。

預(yù)計(jì)未來(lái)2-3年，MicroLED會(huì)繼續(xù)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(bǔ)進(jìn)一步占據(jù)下沉市場(chǎng)，第三代技術(shù)OLED在實(shí)現(xiàn)大尺寸屏幕的降本后將進(jìn)一步普及大眾消費(fèi)市場(chǎng)。由于各個(gè)世代的技術(shù)均有對(duì)應(yīng)的目標(biāo)市場(chǎng)，未來(lái)幾年內(nèi)不太可能出現(xiàn)某個(gè)技術(shù)一家獨(dú)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)的廠商將持續(xù)受益。

誰(shuí)將率先搶灘登陸MicroLED

因?yàn)槲⒖s制程、晶圓生長(zhǎng)、巨量轉(zhuǎn)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(dǎo)體工藝，半導(dǎo)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(guó)CES上重磅亮相146英寸MicroLED“The Wall”，是將MicroLED技術(shù)應(yīng)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(shí)別及深度學(xué)習(xí)提高自動(dòng)組裝技術(shù)的精密度，利用側(cè)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(zhuǎn)移到TFT上的技術(shù)、高效穩(wěn)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(gòu)成，當(dāng)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2500萬(wàn)個(gè)左右MicroLED芯片，由192塊模塊拼接而成，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)千小時(shí)，售價(jià)1049999元，顯然現(xiàn)階段的MicroLED面向的是金字塔頂尖的消費(fèi)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(jí)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(yīng)用到其他產(chǎn)品線(xiàn)上還需要數(shù)年時(shí)間。

蘋(píng)果起初目標(biāo)是把MicroLED技術(shù)整合入大型面板，但遇挫后轉(zhuǎn)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(jù)Nikkei報(bào)道，蘋(píng)果在過(guò)去十年時(shí)間里，已累計(jì)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(diào)收購(gòu)LuxVue，LuxVue是于2008年成立的初創(chuàng)公司，在當(dāng)時(shí)MicroLED消費(fèi)電子大規(guī)模應(yīng)用最關(guān)鍵的巨量轉(zhuǎn)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(guó)臺(tái)灣的竹科龍?zhí)秷@區(qū)投資數(shù)十億元成立顯示技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，主要進(jìn)行Mini/MicroLED研發(fā)；到2020年6月，蘋(píng)果計(jì)劃再投資3.34億美元在臺(tái)灣桃園龍?zhí)秷@區(qū)建設(shè)新廠，與晶元光電、友達(dá)光電、臺(tái)積電等廠商合作，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(shè)一條小型生產(chǎn)線(xiàn)，將于2024年下半年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)；2023年2月，歐司朗（ams-Osram）計(jì)劃將為蘋(píng)果提供MicroLED晶片，富采旗下晶電負(fù)責(zé)出貨相關(guān)組件，臺(tái)積電則供應(yīng)驅(qū)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)平方英尺的工廠試產(chǎn)MicroLED面板。蘋(píng)果設(shè)計(jì)了MicroLED面板的驅(qū)動(dòng)集成電路，和多家供應(yīng)商合作，設(shè)計(jì)生產(chǎn)MicroLED所需的設(shè)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(duì)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要，隨著第四代顯示技術(shù)的出現(xiàn)，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(duì)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(zhàn)略性地引進(jìn)了LGD。

MicroLED將最先在穿戴應(yīng)用的方向滲透，但是由于價(jià)格因素以及供應(yīng)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(duì)MicroLED的關(guān)注和投入將進(jìn)一步堅(jiān)定三星在MicroLED的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。據(jù)悉，三星在2022年底已經(jīng)成立了新團(tuán)隊(duì)來(lái)開(kāi)發(fā)智能手表用的MicroLED項(xiàng)目，希望在2023年完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，盡快實(shí)現(xiàn)技術(shù)的商業(yè)化，以應(yīng)對(duì)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(yīng)商，確保繼續(xù)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(gòu)了英國(guó)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AR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(zhuǎn)而采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且成本較低的舊技術(shù)硅基液晶（LCos）。

另外，2016年10月，F(xiàn)acebook（如今Meta）子公司Oculus收購(gòu)了從愛(ài)爾蘭廷德?tīng)枃?guó)家研究院和愛(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?guó)家研究所和Meta已建立為期四年的研究合作伙伴關(guān)系，以應(yīng)對(duì)開(kāi)發(fā)和制造MicroLED設(shè)備的挑戰(zhàn)，在這項(xiàng)合作中Meta將投資500萬(wàn)歐元，主要研究MicroLED微顯示器系統(tǒng)的效率，旨在研究異質(zhì)系統(tǒng)（涉及不同種類(lèi)的材料或組件）并確定它們對(duì)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(duì)MicroLED關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的布局。據(jù)今年5月消息，Meta一項(xiàng)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(duì)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(gòu)MicroLED廠商Raxium，為自家AR設(shè)備和手機(jī)提供屏幕。