Poptávka po terminálech a politika pohánějí rychlý rozvoj odvětví mikro LED diod

Mikro LED je zobrazovací technologie šestiúhelníkového válečníka. Více než 80 % informací člověk získává očima a vyšší lidské požadavky na kvalitu a tvar obrazu vedou k neustálému vývoji a iteraci zobrazovací technologie. Technologie barevných displejů prošla od svého vývoje přechodem na technologie, jako je CRT, a v současné době jí dominují technologie LCD a OLED. Pokud jde o výkon, Micro LED jako zobrazovací technologie nové generace má ve srovnání s velkovýrobou technologie LCD (displej z tekutých krystalů) a technologie OLED (displej z organických světelných diod) velmi vynikající výkonnostní výhodu téměř ve všech technických aspektech: dlouhá životnost, vysoký kontrast, vysoké rozlišení, rychlá odezva, širší pozorovací úhel, bohaté barvy a je považována za dokonalé řešení zobrazovací technologie.

Zaprvé, odvětví mikro LED se neustále rozvíjí z hlediska nákladů a výkonu

Micro LED je nová technologie miniaturizace a matice LED, která se týká integrace vysoce hustého mikroLED pole na čipu. Technologie dosahuje samosvícení v jednom bodě miniaturizací LED jednotky na úroveň menší než 50 mikronů, což je přibližně 100krát menší než u tradičních LED diod, a snižuje rozteč pixelů z milimetru na mikron. Micro LED je tedy v podstatě mikronová LED a LED dioda je polovodičové zařízení v pevné fázi, které dokáže přeměnit elektrickou energii na viditelné světlo.

Co se týče nákladů, 4palcová safírová epitaxní deska, nařezaná na běžné LED čipy, stojí asi 60 000 kusů a nařezaná na Mini LED čipů o 600 000, což snižuje počet čipů Micro LED na více než 2,4 milionu. U stejného waferu se výrazně zvýšil počet Micro LED a náklady na jeden čip jsou nižší, což je také jeden z důvodů rozvojového potenciálu Micro LED z hlediska nákladů.

Pokud jde o výkon, ve srovnání s technologií LCD a OLED, které se vyrábějí sériově, má Micro LED velmi vynikající výkonnostní výhody téměř ve všech technických dimenzích, jako je dlouhá životnost, vysoký kontrast, vysoké rozlišení, rychlá odezva, širší pozorovací úhel, bohaté barvy, ultra vysoký jas a nízká spotřeba energie. Mezi ně patří (1) tenký a lehký: velikost Micro LED je přibližně 1/10 tradiční LED, neboli přibližně 1/10 šířky lidského vlasu; (2) nízká spotřeba energie: Micro LED používá tříbarevnou subpixelovou strukturu se samosvícením. LCD displej potřebuje podsvícení k polarizaci a následně k barevnému filtru, což má za následek velké energetické ztráty. Ve srovnání s těmito dvěma displeji dosahuje spotřeba energie Micro LED přibližně 10 % spotřeby energie LCD. Micro LED používá k vyzařování světla anorganické materiály, což má vyšší světelnou účinnost, zatímco OLED používá organické materiály, což má nižší spotřebu energie než OLED. Proto je při zobrazení stejného obrazu spotřeba energie Micro LED nižší než u OLED a mnohem nižší než u LCD; (3) Vysoký jas: Micro LED používá ve své světelné části anorganický materiál nitrid galia (GaN) a jeho jas může teoreticky dosáhnout 105 cd/m2, což je mnohem více než 3 000 cd/m2 LCD a 1 500 cd/m2 OLED, a životnost anorganických materiálů je delší; (4) Vysoké rozlišení: v technologii Micro LED displejů je každá Micro LED pixel, který se dokáže samo rozsvítit, a jedna Micro LED je na mikronové úrovni, takže může dosáhnout velmi vysokého rozlišení. Hustota pixelů Micro LED displeje může být více než 1 500 PPI, zatímco u LCD a OLED obrazovek je PPI přibližně 800 PPI a 400 PPI.

Stručně řečeno, náklady a výkon podpoří neustálý rozvoj odvětví mikro LED.

Za druhé, scénáře použití mikro LED

Micro LED je ultimátní zobrazovací technologie budoucnosti. Pokud nezohledňujete náklady a vyspělost procesu a podíváte se pouze na výkon a indikátory displeje, Micro LED je nepochybně ultimátní zobrazovací technologií. Všechny indikátory výkonu Micro LED jsou lepší než jiné zobrazovací technologie. Z hlediska aplikačních scénářů je Micro LED vhodná pro všechny velikosti produktových aplikací. Z hlediska technické a ekonomické proveditelnosti bude Micro LED jako první použita u malých displejů pod 3 palce a velkých displejů nad 100 palců.
Pokud jde o malé displeje pod 3 palce, Micro LED naruší trh s OLED. Malé displeje mají vysoké požadavky na zobrazovací efekt, protože pozorovací vzdálenost je velmi krátká a požadavky na zobrazovací efekt jsou vysoké. Malé displeje jsou běžné v mobilních terminálech a mají také vysoké nároky na spotřebu energie. Proto se OLED stal hlavní technologií pro malé displeje s výhodami nízké spotřeby energie a dobrého zobrazovacího efektu, ale podíl OLED na trhu v této oblasti bude v budoucnu oslaben Micro LED. Na jedné straně je Micro LED lepší než OLED ve všech ukazatelích výkonu displeje, jako je zobrazovací efekt a spotřeba energie. Na druhé straně je díky malé velikosti obrazovky a malému celkovému počtu pixelů také cena Micro LED relativně kontrolovatelná. Z hlediska současné technologie se Micro LED podařilo dosáhnout miniaturizace čipů, ale stále existují určitá úzká hrdla v obrovském přenosu, výtěžnost je relativně omezená a v současné době různé společnosti zkoumají řešení pro technické vylepšení založená na kontrolovatelných nákladech.

Pokud jde o displeje s úhlopříčkou 3–99 palců, je obtížné v krátkém čase překonat tržní podíl LCD a OLED. Vzhledem k krátké pozorovací vzdálenosti má displej vyšší požadavky na velikost čipu a rozteč, přičemž se zvětšuje velikost obrazovky a celkový počet pixelů. Použití Micro LED u displejů s úhlopříčkou 3–99 palců proto výrazně zvyšuje technickou náročnost a náklady na proces a technologie Micro LED v tomto rozsahu vyžaduje zlepšení. Nejdůležitější je, že v této oblasti velikostí, ať už se jedná o malé OLED nebo velké LCD, jsou její cenové výhody neotřesitelné. V budoucnu se s neustálým snižováním nákladů na Micro LED a neustálým zlepšováním technologie bude rozdíl mezi náklady a náročností procesu Micro LED, LCD a OLED dále zmenšovat.

Pokud jde o velké displeje s úhlopříčkou přes 100 palců, má Micro LED výhodu. Na trhu s displeji s úhlopříčkou přes 100 palců je LCD omezen výtěžností a účinností řezání velkoformátových panelů. U OLED je také obtížné dosáhnout snížení nákladů kvůli procesu odpařování po velkých displejích s nižším výtěžkem, takže v minulosti se efekt zobrazení spíše projevoval v projektorech a LCD obrazovkách, které zaujímaly dominantní postavení na trhu s displeji s úhlopříčkou přes 100 palců. S výrazným poklesem nákladů na Micro LED však urychlí nahrazení tradičních zobrazovacích produktů, jako jsou projektory a LCD obrazovky, s mnoha výhodami, jako je celoobrazovkové spojení, bohaté barvy a vysoký jas.

Tři velikosti trhu s mikro LED diodami

V současné době se čipy Micro LED vyrábějí v oblasti displejů, jako jsou brýle a televizory, ale většina produktů je stále ve fázi konceptu kvůli cenovým omezením a dosud nedosáhla velkého prodeje na trhu. V budoucnu, s průlomem a postupnou zralostí klíčové technologie Micro LED, se výrazně sníží náklady na komercializaci a industrializaci a dále se zvýší výtěžnost čipů. Očekává se, že Micro LED se ujme vedení v aplikacích scénářů velkých a malých displejů. Z hlediska dodávek se podle prognózních dat společnosti Omdia, ovlivněných poptávkou na trhu s chytrými hodinkami a špičkovými televizory, globální dodávky Micro LED displejů prudce zvýší ze zanedbatelné úrovně v roce 2020 na více než 16 milionů kusů v roce 2027, což má velký potenciál poptávky na trhu. Co se týče velikosti trhu, podle prognózy společnosti Jibang Consulting se v scénáři aplikací mikro displejů očekává, že v roce 2026 dosáhne výstupní hodnota čipu Micro LED AR brýlí až 41 milionů amerických dolarů. Ve scénáři velkoformátových displejů dosáhne výstupní hodnota mikro LED čipů pro velké displeje v roce 2022 54 milionů dolarů a očekává se, že v roce 2026 vzroste na 4,5 miliardy dolarů s průměrnou roční mírou růstu 204 %, což představuje velký prostor pro růst trhu.

Za čtvrté, terminálová poptávka a politika pohánějí rychlý rozvoj odvětví

(1) Změny v poptávce po terminálech jsou hlavními faktory ovlivňujícími rozvoj odvětví

Od roku 2009 prošel průmysl LED čipů třemi cykly, všechny poháněné novou poptávkou po LED produktech. První fáze je do roku 2013, kdy hlavní poptávka po LED diodách poháněla rozvoj průmyslu LED. Druhá fáze je v letech 2013 až 2014. V roce 2013 Evropská unie zcela zakázala bílé tkané osvětlení, což vedlo k nárůstu poptávky po profesionálním a krajinářském LED osvětlení a zároveň k nárůstu vývozu pobřežních LED diod, což podpořilo rozvoj průmyslu LED. Třetí fáze je od roku 2015 do roku 2020, kdy se rychle rozvíjely LED diody s malým roztečem, vzniklo velké množství náhradních LCD a DLP diod, které se široce používají ve vládních velitelských centrech, v oblasti bezpečnosti, kontroly nemocí, obchodu, nočního cestování a dalších oblastech, což podpořilo rozvoj průmyslu. Čtvrtá fáze je, že po roce 2020 poptávka po displejích s vysokým rozlišením a nízkou spotřebou energie v odvětví LED displejů postupně zvyšovala míru penetrace mikro LED diod. Jakožto špičková zobrazovací technologie, snižující náklady a technologickým pokrokem, urychlí Micro LED proces industrializace díky vynikajícímu výkonu, jako je dlouhá životnost, vysoký kontrast, vysoké rozlišení, bohaté barvy, ultravysoký jas a nízká spotřeba energie, a očekává se, že toto odvětví opět vstoupí do rostoucího cyklu.

(2) Silná podpora ze strany národních politik bude hnací silou rozvoje tohoto odvětví

Jakožto nová generace zobrazovacích technologií si Micro LED přitahuje velkou pozornost. V posledních letech stát vyhlásil řadu podpůrných politik, jako například „14. pětiletý plán“ z roku 2021, který jasně uvádí, že polovodiče třetí generace jsou důležitým obsahem a projekt zahrnuje klíčové technologie, jako jsou nová energetická vozidla, aplikace pro velká data, 5G komunikace a Micro LED displeje. Ministerstvo průmyslu a informačních technologií a dalších pět ministerstev vydalo „Akční plán rozvoje integrace virtuální reality a průmyslových aplikací (2022–2026)“, který se zaměří na podporu modernizace Micro LED a dalších technologií mikro displejů. Ministerstvo průmyslu a Ministerstvo financí vydalo „Akční plán stabilního růstu elektronického informační výrobního průmyslu 2023–2024“, v němž navrhlo energický rozvoj Mini LED, Micro LED a dalších technologií. Ministerstvo průmyslu a informačních technologií a dalších sedm ministerstev společně vydalo „Implementační stanoviska k podpoře budoucích průmyslových inovací a rozvoje“, v nichž navrhlo prorazit Micro LED, laserové, tiskařské a další zobrazovací technologie a dosáhnout jejich rozsáhlého využití. Zveřejnění a zavedení výše uvedených politik a předpisů ukazuje pozitivní přístup a pevné odhodlání čínské vlády rozvíjet odvětví mikro LED, což poskytuje lepší rozvojové prostředí pro jeho rozvoj. Očekává se, že mikro LED budou těžit z politické podpory státu a nastartují rychlý rozvoj.

Pět, rozvoj odvětví mikro LED

(1) Stav rozvoje odvětví

Výrobní proces mikro LED je podobný konvenčním technickým krokům a zahrnuje především růst epitaxních waferů LED, výrobu mikro LED čipů, výrobu zadní desky budiče (TFT ovladač nebo mikro IC ovladač) a přenos velkého množství čtyř dílů. Nejprve se struktura LED diod vytvoří z tenkého filmu, mikro pole a poté se mikro LED dioda pomocí velkého množství technologií přenese na desku plošných spojů. Substrát může být tvrdý, měkký, průhledný nebo neprůhledný. Použitím procesu fyzického nanášení k dokončení ochranné vrstvy a horní elektrody lze horní substrát zabalit a dokončit jednoduchý mikro LED displej. Vzhledem k miniaturizaci čipu však technologie výroby mikro LED přinesla nové technické ukazatele a požadavky pro každý článek stávajícího průmyslového řetězce, včetně potřeb výzkumu a vývoje klíčových technologií v různých oblastech, jako jsou materiály, procesy a zařízení. Technologie každého průmyslového článku nemůže být vyvíjena samostatně, je to velmi složitý technický systém. Je nutné úzce spolupracovat s předními a zadními členy průmyslového řetězce, jako jsou panely, čipy, přenos velkého množství a budicí integrované obvody. V současné době je stále třeba prolomit čtyři klíčové technologie: epitaxe a výroba čipů, masivní přenos, plnobarevný displej a pohon displeje.

(2) Přehled globálních technologických inovací

Z pohledu historie vývoje Micro LED se dva profesoři z Texas Tech University ujali v roce 2000 iniciativy a navrhli koncept Micro LED, která nyní vstoupila do vrcholného období globálních technologických inovací. Od roku 2017 se inovační aktivita v oblasti technologie Micro LED výrazně zvýšila a v současné době se nachází v období explozivního růstu. V současné době má Micro LED globální patentovou rezervu více než 40 000, z nichž více než 13 000 jsou platné patenty, a součet poměru zkoušek a platností se blíží 80 %, což naznačuje, že potenciální patentové bariéry v této oblasti jsou vysoké. Z pohledu aktivnější oblasti inovací v oblasti technologie Micro LED je aktivnější oblast technologických inovací v Číně, Spojené státy a Jižní Koreji a regionální uspořádání patentů ukazuje, že aktivnější trh je v Číně a Spojených státech. Z pohledu hlavních inovačních subjektů na světě a v Číně mají přední globální inovační subjekty v Číně, Jižní Koreji a Spojených státech více výhod, zejména v oblasti zobrazovacích panelů a fotoelektrických podniků. Mezi 15 největšími světovými podniky tvořily čínské podniky více než polovinu, BOE a Huaxing Optoelectronics se umístily v první pětce. Kromě předních čínských podniků se na přední místo v oblasti patentů umístily jihokorejské společnosti Samsung a LG. Z výsledků rozdělení počtu patentů podle typu výzkumných a vývojových institucí vykazují nejvyšší podíl startupy s 29 %. Z hlediska typů patentů je počet patentů rozdělen do čtyř klíčových technologií: epitaxe a čipová struktura, masivní přenos, plnobarevný displej a ovladač displeje.

(3) Vývoj čtyř klíčových technologií

Epitaxe a výroba čipů: Výrobní proces mikro LED diod od waferu po čip musí projít kroky, jako je epitaxe - postupné leptání - příprava vodivé vrstvy - příprava elektrody. V oblasti epitaxe a technologie čipových struktur se u menších mikro LED diod současný průmysl zaměřuje především na uniformitu vlnové délky, nízkou epitaxní defektnost a kvantovou účinnost: (1) Po miniaturizaci čipu existují vysoké požadavky na konzistenci epitaxní vlnové délky a nízkou míru defektnosti, tradiční LED diody vyžadují 6-12 nm, zatímco mikro LED čipy je nutné zmenšit na 2 nm; (2) Velikost čipu se zmenšuje a výtěžnost řezných fragmentů klesá; (3) Účinnost mikro LED diod se zvyšuje se zvyšující se hustotou proudu a po dosažení maximální hodnoty se snižuje se zvyšující se hustotou proudu. S klesající velikostí mikro LED diod se maximální účinnost posouvá směrem k vysoké hustotě proudu a maximální účinnost dále klesá.

Velký přenos: Vzhledem k rozdílnému procesu růstu světelné vrstvy Micro LED a substrátu budiče je obtížné integrovat zobrazovací pole a budicí zařízení během procesu růstu, takže je nutné přenést vyrobená zrna Micro LED na desku plošných spojů, což je rozsáhlý přenosový proces. Vezměme si jako příklad 4K televizor, počet zrn, která je třeba přenést, je až 24 milionů (vypočteno ve 4 000 x 2 000 x RGB tři barvy), i když je přenos 10 000, je třeba jej opakovat 2 400krát, takže obrovský přenos čelí třem hlavním problémům: (1) přesnost přenosu: přesnost pohybu Micro LED na desku plošných spojů musí být řízena v rozmezí ±0,5 μm a přenosové zařízení musí mít vysokou přesnost zarovnání a přesnost bodu dopadu. (2) Účinnost přenosu: tradiční LED 2 kusy/sekundu, Micro LED vyžaduje 20 000 kusů/sekundu; (3) Výtěžnost přenosu: Tolerance chyb pixelů u zobrazovacích produktů je velmi nízká. Pokud chcete vytvořit méně než 5 pixelů plnobarevného displeje s rozlišením 1920*1080, musí výtěžnost přenosu dosáhnout 99,9999 %.

Technologie velkých přenosů zahrnuje především molekulární síly (přenos těsnění), elektrostatický, magnetický přenos, laserový přenos, samomontáž (technologie fluidní montáže) a tak dále. Laserový přenos velkých přenosů dokáže řídit relativně malou velikost, má rychlou odezvu, vysokou účinnost přenosu a vysoký stupeň selektivity, takže se laserový přenos stane hlavní technologií pro velké přenosy. V současné době se domácí technologie a zařízení pro velké přenosy vyvíjejí a výrobci velkých laserů (002008), laserů Leading Intelligence (300450), hvězdných laserů Haimu a dalších zařízení pro velké přenosy úspěšně dodali zákazníkům, ale domácí laserová zařízení z velkovýroby jsou stále daleko.

Plně barevný displej: Dosažení monochromatického zobrazení pomocí mikro LED je relativně jednoduché, ale dosažení plných barev je relativně složité. Tři barvy RGB musí přenášet tři barevná zrna červené, zelené a modré. Jako klíčový technický ukazatel technologie mikro LED se výzkum technologie plných barev mikro LED stal výzkumným hotspotem a obtížným tématem při jejím vývoji. Mezi metody realizace kolorování mikro LED patří především metoda tříbarevných RGB LED, metoda UV modré LED + luminiscenční médium a metoda syntézy čoček, přičemž všechny mají odpovídající nedostatky. Pro srovnání, z hlediska procesního postupu a materiálů je metoda UV modré LED + světelné médium jednodušší než jiné schémata, zejména se jako náhrada podsvícení používá modrá LED a jako světelné médium se používá kvantová tečka nebo fosfor jako světelné médium místo RGB filtrů, čímž se dosáhne plnobarevného zobrazení.

Ovladač displeje: Schéma návrhu aktivního ovladače reprezentované CMOS a TFT se stalo hlavním proudem ve vývoji technologie Micro LED. Micro LED je proudově řízené zařízení emitující světlo a jeho režim řízení se obecně dělí na pasivní pohon PM (pasivní matice) a aktivní pohon AM (aktivní matice). Vzhledem k tomu, že pasivní pohon: (1) není vhodný pro velkoplošnou produkci, nemůže splnit požadavky na pohon velkoplošné obrazovky; (2) má charakteristiky pohonu sloupcového skenování, snadno vytváří nerovnoměrné světlo sloupcových pixelů, což má za následek omezený obraz a rozlišení displeje; (3) rozteč pixelů se postupně zmenšuje, pasivní režim řízení tradičních desek plošných spojů nemůže splnit požadavky na pohon a má mnoho nevýhod v aplikaci Micro LED, proto se schéma návrhu aktivního ovladače reprezentované CMOS a TFT stane dobrým společníkem pro rozvoj technologie Micro LED. Například v technologii ovladačů CMOS se současný průmysl zaměřuje na zkoumání technologie spojování Micro LED a obvodů ovladačů CMOS s cílem prolomit technologii transferového spojování.