Die Nachfrage und die politischen Rahmenbedingungen der Terminals treiben die rasante Entwicklung der Micro-LED-Industrie voran.
Mikro-LEDs Die Displaytechnologie ist ein wahrer Gigant. Über 80 % der menschlichen Information nehmen wir über die Augen auf, und die steigenden Ansprüche an Bildqualität und Darstellung treiben die kontinuierliche Weiterentwicklung der Displaytechnologie voran. Die Farbdisplaytechnologie hat seit ihrer Entwicklung Übergänge wie die CRT-Technologie durchlaufen und wird aktuell von LCD- und OLED-Technologie dominiert. Im Vergleich zur Massenproduktion von LCD- (Flüssigkristallanzeige) und OLED-Technologie (organische Leuchtdiodenanzeige) bietet Micro-LED als Displaytechnologie der nächsten Generation in nahezu jeder Hinsicht deutliche Leistungsvorteile: Lange Lebensdauer, hoher Kontrast, hohe Auflösung, schnelle Reaktionszeit, großer Betrachtungswinkel und satte Farben machen Micro-LED zur ultimativen Lösung der Displaytechnologie.
Erstens sind Kosten und Leistung die Triebkräfte für die weitere Entwicklung der Micro-LED-Industrie.
Micro-LEDs sind eine neue Technologie zur Miniaturisierung und Matrixbildung von LEDs. Sie bezeichnet die Integration eines hochdichten Mikro-LED-Arrays auf einem Chip. Durch die Miniaturisierung der LED-Einheit auf unter 50 Mikrometer – etwa 100-mal kleiner als herkömmliche LEDs – ermöglicht diese Technologie die punktuelle Selbstbeleuchtung und reduziert den Pixelabstand von Millimetern auf Mikrometer. Micro-LEDs sind somit im Wesentlichen LEDs im Mikrometerbereich. Eine Leuchtdiode (LED) ist ein Halbleiterbauelement, das elektrische Energie in sichtbares Licht umwandelt.
Hinsichtlich der Kosten: Eine 4 Zoll große Saphir-Epitaxieschicht, in gewöhnliche LED-Chips geschnitten, kostet etwa 60.000 Stück. Mini-LED Die Anzahl der Mikro-LEDs auf einem Wafer liegt bei etwa 600.000, während die Anzahl der Mikro-LEDs auf über 2,4 Millionen reduziert wird. Die Anzahl der Mikro-LEDs auf demselben Wafer hat sich deutlich erhöht, und die Kosten pro Chip sind gesunken. Dies ist einer der Gründe für das Entwicklungspotenzial von Mikro-LEDs aus Kostensicht.
Im Vergleich zu den in Massenproduktion hergestellten LCD- und OLED-Technologien bietet Micro-LED in nahezu allen technischen Dimensionen deutliche Leistungsvorteile. Dazu gehören eine lange Lebensdauer, hoher Kontrast, hohe Auflösung, schnelle Reaktionszeit, ein breiter Betrachtungswinkel, satte Farben, extrem hohe Helligkeit und ein geringerer Stromverbrauch. Zu diesen Vorteilen zählen: (1) Dünnes und leichtes Design: Micro-LEDs sind nur etwa 1/100 so groß wie herkömmliche LEDs oder etwa 1/10 so breit wie ein menschliches Haar. (2) Geringer Stromverbrauch: Micro-LEDs nutzen selbstleuchtende Subpixel mit drei Primärfarben. Im Gegensatz dazu benötigt die LCD-Technologie Hintergrundbeleuchtung, Polarisatoren und Farbfilter, was zu hohen Energieverlusten führt. Der Stromverbrauch von Micro-LEDs im Displaybetrieb liegt daher nur bei etwa 10 % des LCD-Verbrauchs. Micro-LEDs emittieren Licht aus anorganischen Materialien und weisen daher eine höhere Lichtausbeute auf. OLEDs hingegen nutzen organische Materialien. Der Stromverbrauch von Micro-LEDs ist jedoch geringer als der von OLEDs. Daher ist der Stromverbrauch von Micro-LEDs bei der Darstellung desselben Bildes geringer als bei OLEDs und deutlich geringer als bei LCDs. (3) Hohe Helligkeit: Micro-LEDs verwenden Galliumnitrid (GaN) als anorganisches Material im Leuchtteil. Ihre Helligkeit kann theoretisch 105 cd/m² erreichen, deutlich höher als die 3.000 cd/m² von LCDs und 1.500 cd/m² von OLEDs. Zudem ist die Lebensdauer anorganischer Materialien länger. (4) Hohe Auflösung: Bei der Micro-LED-Displaytechnologie ist jede Micro-LED ein selbstleuchtendes Pixel. Da eine einzelne Micro-LED im Mikrometerbereich liegt, wird eine sehr hohe Auflösung erreicht. Die Pixeldichte von Micro-LED-Displays kann über 1.500 PPI betragen, während LCD- und OLED-Bildschirme etwa 800 PPI bzw. 400 PPI erreichen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Kosten und Leistung die kontinuierliche Weiterentwicklung der Micro-LED-Industrie fördern werden.
Zweitens, Anwendungsszenarien für Micro-LEDs
Micro-LED ist die Displaytechnologie der Zukunft. Betrachtet man ausschließlich die Leistungs- und Kennwerte, ohne Kosten und Fertigungsreife zu berücksichtigen, ist Micro-LED zweifellos die führende Displaytechnologie. Alle Leistungsindikatoren von Micro-LED sind anderen Displaytechnologien überlegen. Hinsichtlich der Anwendungsszenarien eignet sich Micro-LED für Produkte jeder Größe. Technisch und wirtschaftlich gesehen wird Micro-LED als erste Technologie sowohl für kleine Displays unter 3 Zoll als auch für große Displays über 100 Zoll eingesetzt werden.
Im Bereich kleiner Displaygrößen unter 3 Zoll wird Micro-LED den OLED-Markt verdrängen. Kleine Displays erfordern aufgrund des geringen Betrachtungsabstands hohe Anforderungen an die Bildqualität und sind insbesondere bei mobilen Endgeräten weit verbreitet. Zudem stellen sie hohe Anforderungen an den Stromverbrauch. OLED hat sich daher mit seinen Vorteilen wie niedrigem Stromverbrauch und guter Bildqualität als Standardtechnologie für kleine Displays etabliert. Micro-LED wird jedoch zukünftig Marktanteile in diesem Bereich verlieren. Einerseits ist Micro-LED OLED in allen Leistungsindikatoren wie Bildqualität und Stromverbrauch überlegen. Andererseits sind die Kosten aufgrund der geringen Bildschirmgröße und der geringen Pixelanzahl vergleichsweise gut kontrollierbar. Aus technologischer Sicht hat Micro-LED bereits eine Miniaturisierung der Chips ermöglicht, jedoch bestehen noch Engpässe beim Massentransfer, und die Ausbeute ist relativ begrenzt. Derzeit suchen verschiedene Unternehmen nach technischen Verbesserungslösungen, um die Kosten kontrollierbar zu halten.
Im Bereich der 3- bis 99-Zoll-Displays wird es für Micro-LEDs schwierig sein, LCDs und OLEDs kurzfristig Marktanteile abzunehmen. Aufgrund des geringen Betrachtungsabstands sind die Anforderungen an Chipgröße und Pixelabstand höher, während gleichzeitig die Bildschirmgröße und die Pixelanzahl steigen. Daher hat der Einsatz von Micro-LEDs in 3- bis 99-Zoll-Displays die technische Komplexität und die Prozesskosten deutlich erhöht, und die Technologiereife von Micro-LEDs in diesem Segment muss noch verbessert werden. Entscheidend ist jedoch, dass in diesem Größenbereich – sowohl bei kleinen OLEDs als auch bei großen LCDs – die Kostenvorteile von Micro-LEDs weiterhin unangefochten sind. Mit der kontinuierlichen Kostensenkung und der ständigen Weiterentwicklung der Micro-LED-Technologie wird sich die Kluft zwischen Micro-LEDs und LCDs bzw. OLEDs hinsichtlich Kosten und Prozessaufwand zukünftig weiter verringern.
Bei Großbildschirmen mit über 100 Zoll bietet Micro-LED einen klaren Vorteil. Im Marktsegment über 100 Zoll stößt LCD aufgrund der Produktionsausbeute und der geringen Effizienz der Panel-Verarbeitung bei großen Formaten an seine Grenzen. Auch OLED lässt sich aufgrund des Aufdampfprozesses nach der Herstellung großer Panels und der damit verbundenen geringeren Ausbeute nur schwer kostengünstiger reduzieren. Daher dominierten in der Vergangenheit herkömmliche Projektoren und LCD-Leinwände den Markt für Displays über 100 Zoll. Mit dem deutlichen Kostenrückgang von Micro-LED wird sich deren Ablösung von traditionellen Display-Produkten wie Projektoren und LCD-Leinwänden jedoch beschleunigen. Micro-LED bietet zahlreiche Vorteile wie vollflächige Projektion, brillante Farben und hohe Helligkeit.
Drei Marktgrößen der Micro-LED-Industrie
Aktuell werden Micro-LED-Chips in Displayanwendungen wie Brillen und Fernsehern eingesetzt, die meisten Produkte befinden sich jedoch aufgrund von Preisbeschränkungen noch im Konzeptstadium und haben noch keine breite Markteinführung erreicht. Mit dem Durchbruch und der zunehmenden Reife der Schlüsseltechnologie von Micro-LED werden die Kommerzialisierungs- und Industrialisierungskosten zukünftig deutlich sinken und die Chipausbeute weiter verbessert. Micro-LED dürfte daher eine führende Rolle bei der Anwendung in großen und kleinen Displays einnehmen. Laut Prognosen von Omdia werden die weltweiten Auslieferungen von Micro-LED-Displays, beeinflusst durch die Nachfrage nach Smartwatches und High-End-Fernsehern, von einem vernachlässigbaren Niveau im Jahr 2020 auf über 16 Millionen Stück im Jahr 2027 steigen, was ein großes Marktpotenzial birgt. Jibang Consulting prognostiziert, dass der Produktionswert von Micro-LED-AR-Brillen-Displaychips im Jahr 2026 bis zu 41 Millionen US-Dollar erreichen wird. Im Bereich der großflächigen Displays wird der Produktionswert von Micro-LED-Großdisplay-Chips im Jahr 2022 54 Millionen US-Dollar erreichen und bis 2026 voraussichtlich auf 4,5 Milliarden US-Dollar steigen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 204 % entspricht. Es besteht also noch viel Raum für Marktwachstum.
Viertens treiben die Nachfrage im Terminalbereich und die Politik die rasante Entwicklung der Branche voran.
(1) Veränderungen der Terminalnachfrage sind die Hauptfaktoren, die die Entwicklung der Branche antreiben.
Seit 2009 hat die LED-Chip-Industrie drei Zyklen durchlaufen, die alle durch die steigende Nachfrage nach LED-Produkten getrieben wurden. In der ersten Phase vor 2013 stellten Flachbildfernseher und Handy-Hintergrundbeleuchtungen die Hauptnachfrage nach LEDs dar und trieben so die Entwicklung der LED-Industrie voran. Die zweite Phase von 2013 bis 2014: 2013 verbot die Europäische Union weiße LED-Lichterketten vollständig, wodurch die Nachfrage nach professioneller LED-Beleuchtung und Landschaftsbeleuchtung stieg und die LED-Exporte aus Küstenregionen zunahmen, was die Entwicklung der LED-Industrie weiter beflügelte. Die dritte Phase von 2015 bis 2020 war geprägt von der rasanten Entwicklung von LEDs mit kleinem Pixelabstand. Diese ersetzten in großem Umfang LCD- und DLP-Displays und fanden breite Anwendung in Regierungszentralen, im Sicherheitsbereich, bei der Seuchenbekämpfung, in der Wirtschaft, im Nachtverkehr und anderen Bereichen, was die Entwicklung der Branche weiter vorantrieb. Die vierte Phase nach 2020: Die Nachfrage der LED-Display-Industrie nach hochauflösenden Displays und geringem Stromverbrauch führte zu einer zunehmenden Verbreitung von Micro-LEDs. Als ultimative Displaytechnologie wird Micro-LED dank Kostensenkung und technologischem Fortschritt den Industrialisierungsprozess beschleunigen. Micro-LED zeichnet sich durch überlegene Leistungsmerkmale wie lange Lebensdauer, hohen Kontrast, hohe Auflösung, satte Farben, extrem hohe Helligkeit und geringeren Stromverbrauch aus und dürfte die Branche erneut in einen Aufschwung führen.
(2) Eine starke Unterstützung durch nationale Strategien wird die Entwicklung der Branche vorantreiben.
Als Displaytechnologie der nächsten Generation hat Micro-LED viel Aufmerksamkeit erregt. In den letzten Jahren hat der Staat eine Reihe förderlicher Maßnahmen ergriffen, darunter den „14. Fünfjahresplan“ von 2021, der die Halbleitertechnologie der dritten Generation als wichtigen Bestandteil festlegt und Schlüsseltechnologien wie Elektrofahrzeuge, Big-Data-Anwendungen, 5G-Kommunikation und Micro-LED-Displays umfasst. Das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie und fünf weitere Ministerien veröffentlichten den „Aktionsplan zur Integration von Virtual Reality und Industrieanwendungen (2022–2026)“, der die Weiterentwicklung von Micro-LED und anderen Mikrodisplay-Technologien zum Ziel hat. Das Industrieministerium und das Finanzministerium gaben den „Aktionsplan für stabiles Wachstum der Elektronik- und Informationsindustrie 2023–2024“ heraus, der die Entwicklung von Mini-LED, Micro-LED und anderen Technologien forciert. Das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie und sieben weitere Ministerien haben gemeinsam die „Durchführungsleitlinien zur Förderung zukünftiger industrieller Innovationen und Entwicklungen“ veröffentlicht. Diese Leitlinien zielen darauf ab, die Micro-LED-, Laser-, Druck- und andere Displaytechnologien grundlegend zu verändern und eine breite Anwendung zu ermöglichen. Die Veröffentlichung und Umsetzung dieser Richtlinien und Verordnungen unterstreicht die positive Haltung und Entschlossenheit der chinesischen Regierung, die Micro-LED-Industrie zu fördern und ein optimales Entwicklungsumfeld zu schaffen. Es wird erwartet, dass die Micro-LED-Industrie von der staatlichen Unterstützung profitiert und ein rasantes Wachstum erlebt.
Fünftens, die Entwicklung der Micro-LED-Industrie
(1) Branchenentwicklungsstand
Der Herstellungsprozess von Micro-LEDs ähnelt herkömmlichen technischen Schritten und umfasst im Wesentlichen das Epitaxie-Waferwachstum, die Micro-LED-Chip-Produktion, die Herstellung der Treiberplatine (TFT- oder Mikro-IC-Treiber) und die Massenübertragung. Zunächst wird die LED-Struktur als Dünnschicht-Mikro-Array entworfen und anschließend mithilfe verschiedener Technologien auf die Leiterplatte übertragen. Als Substrat können harte, weiche, transparente oder opake Substrate verwendet werden. Durch physikalische Abscheidung werden die Schutzschicht und die obere Elektrode aufgebracht. Anschließend wird das obere Substrat verkapselt und ein einfaches Micro-LED-Display fertiggestellt. Aufgrund der Miniaturisierung der Chips hat die Micro-LED-Fertigungstechnologie jedoch neue technische Indikatoren und Anforderungen für jedes Glied der bestehenden Wertschöpfungskette mit sich gebracht. Dies umfasst den Forschungs- und Entwicklungsbedarf von Schlüsseltechnologien in verschiedenen Bereichen wie Materialien, Prozessen und Anlagen. Die Technologien der einzelnen Industrieglieder können nicht unabhängig entwickelt werden; es handelt sich um ein sehr komplexes technisches System. Eine enge Zusammenarbeit mit den vor- und nachgelagerten Bereichen der Wertschöpfungskette, wie z. B. Panel-, Chip-, Massenübertragungs- und Treiber-IC-Herstellung, ist daher unerlässlich. Aktuell müssen die vier Schlüsseltechnologien Epitaxie & Chipherstellung, Massentransfer, Vollfarbdisplay und Displayansteuerung noch durchbrochen werden.
(2) Überblick über die globale technologische Innovation
Aus der Perspektive der Entwicklungsgeschichte von Micro-LEDs spielten zwei Professoren der Texas Tech University im Jahr 2000 eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung des Micro-LED-Konzepts. Seitdem befindet sich die Technologie in einer Phase globaler Innovationskraft. Seit 2017 hat die Innovationsaktivität im Bereich Micro-LEDs deutlich zugenommen und erlebt derzeit ein explosionsartiges Wachstum. Weltweit sind derzeit über 40.000 Patente für Micro-LEDs registriert, davon mehr als 13.000 gültige. Die Prüfungs- und Gültigkeitsquote liegt bei nahezu 80 %, was auf hohe Patentbarrieren in diesem Bereich hindeutet. Betrachtet man die Innovationszentren für Micro-LEDs, so sind China, die USA und Südkorea die aktivsten Regionen. Die regionale Patentverteilung zeigt, dass China und die USA die größten Märkte darstellen. Betrachtet man die wichtigsten Innovationsakteure weltweit und insbesondere in China, so haben die globalen Innovationsführer in China, Südkorea und den USA, vor allem im Bereich Displaypanels und Fotoelektronik, die Nase vorn. Unter den 15 weltweit führenden Unternehmen stellten chinesische Firmen mehr als die Hälfte. BOE und Huaxing Optoelectronics zählten zu den Top 5. Neben Chinas führenden Unternehmen gehörten auch die südkoreanischen Firmen Samsung und LG mit ihren Patentportfolios zu den weltweit führenden. Betrachtet man die Patentverteilung nach Art der Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, so stellen Start-ups mit 29 % den größten Anteil. Die Patente konzentrieren sich auf die vier Schlüsseltechnologien Epitaxie und Chipstruktur, Massentransfer, Vollfarbdisplays und Displaytreiber.
(3) Die Entwicklung von vier Schlüsseltechnologien
Epitaxie und Chipherstellung: Der Herstellungsprozess von Micro-LEDs vom Wafer zum Chip umfasst Schritte wie Epitaxie, Stufenätzung, Herstellung der leitfähigen Schicht und Elektrodenpräparation. Im Bereich der Epitaxie- und Chipstrukturtechnologie konzentriert sich die Industrie bei kleineren Micro-LEDs aktuell hauptsächlich auf Wellenlängenhomogenität, geringe Epitaxiefehler und Quanteneffizienz: (1) Mit der Miniaturisierung der Chips steigen die Anforderungen an die Wellenlängenkonsistenz und die Fehlerrate der Epitaxie. Während herkömmliche LEDs 6–12 nm benötigen, muss die Chipgröße von Micro-LEDs auf 2 nm reduziert werden. (2) Die Chipgröße wird immer kleiner, wodurch die Ausbeute beim Schneiden sinkt. (3) Die Effizienz von Micro-LEDs steigt mit zunehmender Stromdichte und sinkt nach Erreichen eines Maximalwerts wieder. Mit abnehmender Größe der Micro-LEDs verschiebt sich der maximale Wirkungsgrad zu höheren Stromdichten, wodurch die maximale Effizienz weiter abnimmt.
Große Transfermenge: Aufgrund der unterschiedlichen Wachstumsprozesse der Micro-LED-Leuchtschicht und des Treibersubstrats ist die Integration des Display-Arrays und des Treiberbauelements durch den Wachstumsprozess schwierig. Daher müssen die hergestellten Micro-LED-Partikel auf die Treiberplatine übertragen werden, was einen großen Transferprozess darstellt. Am Beispiel eines 4K-Fernsehers lässt sich die Anzahl der zu übertragenden Partikel auf bis zu 24 Millionen beziffern (berechnet in 4.000 x 2.000 x RGB-Farben). Selbst bei einem Transfer von 10.000 Partikeln sind 2.400 Wiederholungen erforderlich. Dieser umfangreiche Transfer ist daher mit drei Hauptproblemen verbunden: (1) Transfergenauigkeit: Die Genauigkeit der Übertragung der Micro-LEDs auf die Treiberplatine muss innerhalb von ±0,5 μm liegen. Das Transfergerät muss eine hohe Ausrichtungs- und Auflagegenauigkeit aufweisen. (2) Transfereffizienz: Herkömmliche LEDs benötigen 2 Stück/Sekunde, Micro-LEDs hingegen 20.000 Stück/Sekunde. (3) Übertragungsausbeute: Bei Displayprodukten ist die Toleranz gegenüber Pixelfehlern sehr gering. Wenn Sie weniger als 5 Pixel eines Vollfarbdisplays mit einer Auflösung von 1920 x 1080 Pixeln erzeugen möchten, muss die Übertragungsausbeute 99,9999 % erreichen.
Großtransfertechnologien umfassen im Wesentlichen Molekularkraft- (Siegeltransfer), elektrostatische, magnetische und Lasertransferverfahren sowie Selbstassemblierung (Flüssigkeitstransfertechnologie). Lasertransfer ermöglicht die präzise Kontrolle der Partikelgröße, schnelle Reaktionszeiten, hohe Transfereffizienz und Selektivität und wird sich voraussichtlich zur Standardtechnologie für Großtransfer entwickeln. Derzeit schreitet die Entwicklung von Großtransfertechnologien und -anlagen in China voran. Hersteller wie der Großlaser 002008, der führende intelligente Laser 300450 und der Haimu-Sternlaser haben bereits erfolgreich Anlagen an Kunden ausgeliefert. Die Massenproduktion von Laseranlagen in China steht jedoch noch am Anfang.
Vollfarbanzeige: Die Realisierung von Monochrom-Darstellungen mit Micro-LEDs ist vergleichsweise einfach, die Vollfarbdarstellung hingegen deutlich komplexer. Die RGB-Farben erfordern die Übertragung der einzelnen Farbpigmente (Rot, Grün und Blau). Als Schlüsseltechnologie der Micro-LED-Technologie hat sich die Forschung zur Vollfarbdarstellung zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt und einer zentralen Herausforderung in der Weiterentwicklung dieser Technologie entwickelt. Zu den gängigen Methoden der Farbdarstellung mit Micro-LEDs zählen die RGB-Dreifarben-LED-Methode, die UV-Blau-LED-Methode mit Leuchtmedium und die Linsensynthese – alle mit entsprechenden Nachteilen. Im Vergleich zu anderen Verfahren ist die UV-Blau-LED-Methode mit Leuchtmedium hinsichtlich Prozessablauf und Materialeinsatz einfacher. Hierbei wird die Hintergrundbeleuchtung durch eine blaue LED ersetzt, während Quantenpunktfolie oder Phosphor als Leuchtmedium die RGB-Filter ersetzen und so eine Vollfarbdarstellung ermöglichen.
Displaytreiber: Aktive Treiberdesigns, wie sie in CMOS- und TFT-Technologie zum Einsatz kommen, haben sich in der Micro-LED-Technologieentwicklung etabliert. Micro-LEDs sind stromgesteuerte Leuchtdioden, deren Ansteuerung im Allgemeinen in passive Matrix- (PM) und aktive Matrix- (AM) Treiber unterteilt wird. Passive Treiber haben folgende Nachteile: (1) Sie eignen sich nicht für die großflächige Fertigung und erfüllen nicht die Anforderungen großer Bildschirme. (2) Ihre spaltenweise Ansteuerung führt leicht zu ungleichmäßiger Pixelbeleuchtung, was die Bildqualität und Auflösung einschränkt. (3) Mit der zunehmenden Verkleinerung des Pixelabstands kann die passive Ansteuerung herkömmlicher Leiterplatten den Ansteuerungsbedarf nicht mehr decken und weist viele Nachteile für die Anwendung von Micro-LEDs auf. Daher sind aktive Treiberdesigns, wie sie in CMOS- und TFT-Technologie verwendet werden, ein wichtiger Bestandteil der Micro-LED-Technologieentwicklung. Beispielsweise konzentriert sich die Branche im Bereich der CMOS-Treibertechnologie auf die Erforschung der Bonding-Technologie für Micro-LEDs und CMOS-Treiberschaltungen, um die Transferbonding-Technologie zu optimieren.
