La demanda terminal y las políticas impulsan el rápido desarrollo de la industria Micro LED

Micro LED La tecnología de visualización es la hexágono interior. Más del 80% de la información humana se obtiene a través de la vista, y las mayores exigencias humanas en cuanto a la calidad y la forma de la imagen impulsan el desarrollo continuo de la tecnología de visualización. La tecnología de visualización a color ha experimentado tecnologías de transición como CRT desde su desarrollo, y actualmente está dominada por las tecnologías LCD y OLED. En términos de rendimiento, el Micro LED, como la tecnología de visualización de próxima generación, en comparación con la producción a gran escala de la tecnología LCD (pantalla de cristal líquido) y la tecnología OLED (pantalla de diodos orgánicos emisores de luz), presenta una ventaja de rendimiento muy superior en casi todos los aspectos técnicos: larga vida útil, alto contraste, alta resolución, respuesta rápida, ángulo de visión más amplio y colores intensos. Se considera la solución definitiva en tecnología de visualización.

En primer lugar, el costo y el rendimiento impulsan el desarrollo continuo de la industria Micro LED.

Micro LED es una nueva tecnología de miniaturización y matriz de LED que consiste en la integración de una matriz de LED de tamaño micro de alta densidad en un chip. Esta tecnología logra la autoiluminación de un solo punto mediante la miniaturización de la unidad LED a un tamaño inferior a 50 micras, aproximadamente 100 veces menor que el de los LED tradicionales, y reduce la distancia entre píxeles de milímetros a micras. Por lo tanto, el Micro LED es esencialmente un LED de tamaño micrométrico, mientras que el diodo emisor de luz LED es un dispositivo semiconductor de estado sólido que puede convertir la energía eléctrica en luz visible.

En términos de costo, una lámina epitaxial de zafiro de 4 pulgadas, cortada en chips LED comunes, alrededor de 60,000, cortada en Mini LED Se fabricaron aproximadamente 600.000 chips, y la producción de chips Micro LED superó los 2,4 millones. En la misma oblea, la cantidad de Micro LED ha aumentado significativamente y el costo de un solo chip es menor, lo que también explica el potencial de desarrollo de los Micro LED desde el punto de vista económico.

En términos de rendimiento, en comparación con la tecnología LCD y la tecnología OLED que se han producido en masa, Micro LED tiene ventajas de rendimiento muy superiores en casi todas las dimensiones técnicas, como larga vida útil, alto contraste, alta resolución, respuesta rápida, efecto de ángulo de visión más amplio, color intenso, brillo ultra alto y menor consumo de energía. Entre ellos, (1) delgado y ligero: el tamaño del Micro LED es aproximadamente 1/100 del LED tradicional, o aproximadamente 1/10 del ancho de un cabello humano; (2) Bajo consumo de energía: Micro LED utiliza una estructura autoluminiscente de subpíxeles de tres colores primarios, el proceso de visualización LCD necesita usar retroiluminación para polarizar y luego para filtrar el color, el proceso de visualización tiene una gran pérdida de energía, en comparación con los dos, en la aplicación de visualización, el consumo de energía de Micro LED es aproximadamente el 10% del consumo de energía de LCD. Micro LED utiliza materiales inorgánicos para emitir luz, lo que tiene una mayor eficiencia luminosa, y OLED utiliza materiales orgánicos para emitir luz, y el consumo de energía luminosa de ambos es menor que el de OLED. Por lo tanto, en la visualización de la misma imagen, el consumo de energía de Micro LED es menor que OLED, y mucho menor que LCD; (3) Alto brillo: el Micro LED utiliza material inorgánico de nitruro de galio (GaN) en la parte luminosa, y su brillo puede alcanzar teóricamente 105 cd/m², mucho más alto que los 3000 cd/m² de LCD y 1500 cd/m² de OLED, y la vida útil de los materiales inorgánicos es más larga; (4) Alta resolución: bajo la tecnología de pantalla Micro LED, cada Micro LED es un píxel que puede autoiluminarse, y un solo Micro LED está a nivel de micras, por lo que puede alcanzar una resolución muy alta. La densidad de píxeles de la pantalla Micro LED puede ser más de 1500 PPP, mientras que el PPP de la pantalla LCD y OLED es de aproximadamente 800 PPP y 400 PPP.

En resumen, el costo y el rendimiento promoverán el desarrollo continuo de la industria Micro LED.

En segundo lugar, escenarios de aplicación de Micro LED

Micro LED es la tecnología de visualización definitiva del futuro. Si no consideramos el costo ni la madurez del proceso, y solo consideramos el rendimiento y los indicadores de la pantalla, Micro LED es, sin duda, la tecnología de visualización definitiva. Todos sus indicadores de rendimiento son superiores a los de otras tecnologías de visualización. En cuanto a los escenarios de aplicación, Micro LED es adecuado para productos de todos los tamaños. Desde la perspectiva de la viabilidad técnica y económica, Micro LED será el primero en aplicarse tanto en pantallas pequeñas de menos de 3 pulgadas como en pantallas grandes de más de 100 pulgadas.
En cuanto a pantallas pequeñas, inferiores a 3 pulgadas, la tecnología Micro LED erosionará el mercado de OLED. Debido a la corta distancia de visualización, los requisitos de rendimiento de visualización son altos, y son comunes en terminales móviles, además de tener altos requisitos de consumo energético. Por lo tanto, OLED se ha convertido en la tecnología dominante para pantallas pequeñas gracias a sus ventajas de bajo consumo y buen rendimiento de visualización. Sin embargo, la cuota de mercado de OLED en este campo se verá erosionada por la tecnología Micro LED en el futuro. Por un lado, Micro LED supera a OLED en todos los indicadores de rendimiento de pantalla, como el rendimiento de visualización y el consumo energético; por otro lado, debido al pequeño tamaño de pantalla y al reducido número total de píxeles, el coste de Micro LED también es relativamente controlable. Desde el punto de vista tecnológico actual, Micro LED ha logrado la miniaturización de chips, pero aún existen algunos cuellos de botella en la gran transferencia, y el rendimiento es relativamente limitado. Actualmente, varias empresas están explorando soluciones de mejora técnica basadas en costes controlables.

En el segmento de pantallas de 3 a 99 pulgadas, es difícil que la tecnología Micro LED destruya la cuota de mercado de las pantallas LCD y OLED en poco tiempo. Debido a la corta distancia de visualización, las pantallas tienen mayores requisitos de tamaño y paso de chip, a la vez que aumentan el tamaño de la pantalla y el número total de píxeles. Por lo tanto, la aplicación de Micro LED a pantallas de 3 a 99 pulgadas ha incrementado significativamente la dificultad técnica y el coste del proceso, y es necesario mejorar la madurez de la tecnología Micro LED en este rango. Y lo más importante es que en este segmento de tamaño, tanto en OLED de pequeño tamaño como en LCD de gran tamaño, sus ventajas en coste son inquebrantables. En el futuro, con la continua reducción del coste de Micro LED y la mejora continua de la tecnología, la brecha entre el coste y la dificultad del proceso de Micro LED, LCD y OLED se reducirá aún más.

En términos de pantallas grandes de más de 100 pulgadas, Micro LED tiene la ventaja. En el mercado de pantallas de más de 100 pulgadas, LCD estará limitado por el rendimiento de producción y la eficiencia de corte de los paneles de gran tamaño, y OLED también es difícil lograr una reducción en el costo debido al proceso de evaporación después de un gran tamaño, menor rendimiento, por lo que en el pasado, el efecto de visualización es más general, los proyectores y las pantallas de empalme LCD ocupan una posición dominante en el mercado de pantallas de más de 100 pulgadas. Sin embargo, con la disminución significativa en el costo de Micro LED, acelerará la sustitución de los productos de visualización tradicionales como los proyectores y el empalme LCD con muchas ventajas como empalme de pantalla completa, color intenso y alto brillo.

Tamaño del mercado de la industria de tres micro LED

En la actualidad, los chips Micro LED se han comercializado en el sector de las pantallas, como gafas y televisores, pero la mayoría de los productos aún se encuentran en fase de concepto debido a las restricciones de precio y aún no han logrado una promoción de mercado a gran escala. En el futuro, con el avance y la maduración gradual de la tecnología clave de Micro LED, el coste de comercialización e industrialización se reducirá considerablemente y el rendimiento del chip mejorará aún más. Se espera que Micro LED lidere la aplicación en escenarios de pantallas de gran y pequeño tamaño. En cuanto a los envíos, según los datos de pronóstico de Omdia, afectados por la demanda del mercado de relojes inteligentes y televisores de alta gama, los envíos globales de pantallas Micro LED se dispararán desde un nivel insignificante en 2020 a más de 16 millones de unidades en 2027, y el potencial de demanda del mercado es grande. En cuanto al tamaño del mercado, según el pronóstico de Jibang Consulting, en el escenario de aplicación de micropantallas, se espera que en 2026, el valor de producción de chips de pantalla Micro LED AR para gafas alcance los 41 millones de dólares estadounidenses. En el escenario de pantallas de gran tamaño, el valor de producción de los chips de pantalla grande Micro LED alcanzará los $ 54 millones en 2022 y se espera que aumente a $ 4.5 mil millones en 2026, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 204%, y hay mucho espacio para el crecimiento del mercado.

En cuarto lugar, la demanda terminal y las políticas impulsan el rápido desarrollo de la industria.

(1) Los cambios en la demanda terminal son los principales factores que impulsan el desarrollo de la industria

Desde 2009, la industria de chips LED ha experimentado tres ciclos, todos impulsados ​​por la nueva demanda de productos LED. La primera etapa es antes de 2013, la televisión de pantalla plana y la retroiluminación de teléfonos móviles como la principal demanda de LED para impulsar el desarrollo de la industria LED, la segunda etapa es 2013 a 2014, 2013, la Unión Europea prohibió por completo las luces tejidas blancas, la demanda de iluminación profesional LED y la iluminación del paisaje aumentan, las exportaciones de LED costeras aumentan para impulsar el desarrollo de la industria LED; La tercera etapa es de 2015 a 2020, el rápido desarrollo de LED de paso pequeño, una gran cantidad de LCD y DLP de reemplazo, ampliamente utilizado en centros de comando gubernamentales, seguridad, control de enfermedades, negocios, viajes nocturnos y otros campos, impulsando así el desarrollo de la industria; La cuarta etapa es que después de 2020, la demanda de la industria de la pantalla LED para la pantalla de alta definición y el bajo consumo de energía ha aumentado gradualmente la tasa de penetración de Micro LED. Como la última tecnología de visualización, con reducción de costos y progreso tecnológico, Micro LED acelerará el proceso de industrialización de Micro LED con un rendimiento superior como larga vida, alto contraste, alta resolución, color intenso, brillo ultra alto y menor consumo de energía, y se espera que impulse a la industria a entrar nuevamente en el ciclo ascendente.

(2) Un fuerte apoyo de las políticas nacionales impulsará el desarrollo de la industria

Como la nueva generación de nuevas tecnologías de visualización, la tecnología Micro LED ha atraído mucha atención. En los últimos años, el estado ha promulgado diversas políticas de apoyo, como el XIV Plan Quinquenal de 2021, que establece claramente la importancia de los semiconductores de tercera generación, y el proyecto abarca tecnologías clave como los vehículos de nueva energía, las aplicaciones de big data, las comunicaciones 5G y las pantallas Micro LED. El Ministerio de Industria y Tecnología de la Información, junto con otros cinco departamentos, publicó el Plan de Acción para el Desarrollo de la Integración de Aplicaciones Industriales y de Realidad Virtual (2022-2026), que se centrará en la promoción de las actualizaciones de la tecnología Micro LED y otras tecnologías de micropantallas. El Ministerio de Industria y el Ministerio de Finanzas publicaron el Plan de Acción para el Crecimiento Estable de la Industria de Fabricación de Información Electrónica 2023-2024, que propone impulsar el desarrollo de las tecnologías Mini LED, Micro LED y otras tecnologías. El Ministerio de Industria y Tecnología de la Información y otros siete departamentos emitieron conjuntamente las "Opiniones de Implementación para la Promoción de la Innovación y el Desarrollo Industrial Futuro", que proponen impulsar la aplicación a gran escala de las tecnologías de micro LED, láser, impresión y visualización. La publicación e implementación de estas políticas y regulaciones demuestra la actitud positiva y la firme determinación del gobierno chino para desarrollar la industria de micro LED, lo que crea un entorno propicio para su desarrollo. Se espera que la industria de micro LED se beneficie del apoyo político del estado y marque el comienzo de un rápido desarrollo.

Cinco, el desarrollo de la industria Micro LED

(1) Estado de desarrollo de la industria

El proceso de fabricación de micro LED es similar a los pasos técnicos convencionales, e incluye principalmente el crecimiento de obleas epitaxiales, la producción de chips, la producción de la placa base del controlador (controlador TFT o controlador de micro circuito integrado) y la transferencia de cuatro partes. Primero, se diseña la estructura del LED mediante una película delgada, una matriz de micro LED y, a continuación, se transfiere el micro LED a la placa de circuito utilizando una amplia gama de tecnologías. El sustrato puede ser duro, blando, transparente u opaco. Mediante el proceso de deposición física para completar la capa protectora y el electrodo superior, se puede empaquetar el sustrato superior y completar una pantalla micro LED simple. Sin embargo, debido a la miniaturización del chip, la tecnología de fabricación de micro LED ha planteado nuevos indicadores y requisitos técnicos para cada eslabón de la cadena industrial existente, incluyendo las necesidades de investigación y desarrollo de tecnologías clave en diversos campos, como materiales, procesos y equipos. La tecnología de cada eslabón industrial no puede desarrollarse de forma independiente, ya que se trata de un sistema técnico muy complejo. Es necesaria una estrecha colaboración con las etapas iniciales y finales de la cadena industrial, como paneles, chips, transferencias masivas y controladores de circuitos integrados. En la actualidad, las cuatro tecnologías clave de epitaxia y fabricación de chips, transferencia masiva, pantalla a todo color y controlador de pantalla aún necesitan ser superadas.

(2) Panorama de la innovación tecnológica global

Desde la perspectiva del desarrollo de Micro LED, dos profesores de la Universidad Tecnológica de Texas fueron pioneros en proponer el concepto en el año 2000, y ahora se encuentra en un período de gran auge de la innovación tecnológica global. Desde 2017, la actividad innovadora en la tecnología Micro LED ha aumentado significativamente y se encuentra actualmente en un período de crecimiento explosivo. Actualmente, Micro LED cuenta con una reserva global de patentes de más de 40.000, de las cuales más de 13.000 son patentes válidas, y la tasa total de examen y validez se acerca al 80%, lo que indica que las posibles barreras de patentes en este campo son altas. Desde la perspectiva del área más activa de innovación en tecnología Micro LED, la más activa se encuentra en China, Estados Unidos y Corea del Sur, y la región de distribución de patentes muestra que el mercado más activo se encuentra en China y Estados Unidos. Desde la perspectiva de las principales entidades de innovación del mundo y de China, las entidades líderes mundiales en innovación en China, Corea del Sur y Estados Unidos tienen más ventajas, principalmente en las empresas de paneles de visualización y fotovoltaicos. Entre las 15 empresas más importantes del mundo, las empresas chinas representaron más de la mitad, y BOE y Huaxing Optoelectronics se ubicaron entre las 5 mejores del mundo. Además de las empresas líderes chinas, las surcoreanas Samsung y LG se encuentran a la vanguardia mundial en cuanto a patentes. Según la distribución del número de patentes por tipo de institución de I+D, las empresas emergentes ocupan el primer lugar, con un 29 %. En cuanto a los tipos de patentes, el número se distribuye en torno a cuatro tecnologías clave: epitaxia y estructura de chip, transferencia masiva, pantalla a todo color y controlador de pantalla.

(3) El desarrollo de cuatro tecnologías clave

Epitaxia y fabricación de chips: El proceso de fabricación de Micro LED desde la oblea hasta el chip necesita pasar por pasos como epitaxia - grabado por pasos - preparación de la capa conductora - preparación del electrodo. En la dirección de la tecnología de epitaxia y estructura del chip, para Micro LED más pequeños, la industria actual se preocupa principalmente por la uniformidad de la longitud de onda, el bajo defecto de epitaxia y los problemas de eficiencia cuántica: (1) Después de que el chip se miniaturiza, existen altos requisitos para la consistencia de la longitud de onda de epitaxia y la baja tasa de defectos, el LED tradicional requiere 6-12 nm, el chip Micro LED debe reducirse a 2 nm; (2) El tamaño del chip es cada vez más pequeño, y el rendimiento del fragmento de corte está disminuyendo; (3) La eficiencia del Micro LED aumentará con el aumento de la densidad de corriente y disminuirá con el aumento de la densidad de corriente después de alcanzar el valor pico. A medida que disminuye el tamaño del Micro LED, la eficiencia máxima se mueve hacia la dirección de alta densidad de corriente, y la eficiencia máxima continúa disminuyendo.

Transferencia grande: Debido a la diferencia en el proceso de crecimiento de la capa luminosa Micro LED y el sustrato del controlador, es difícil integrar la matriz de visualización y el dispositivo controlador a través del proceso de crecimiento, por lo que es necesario transferir los granos Micro LED hechos a la placa de circuito de accionamiento, que es un proceso de transferencia grande. Tomando un televisor 4K como ejemplo, los granos que necesitan ser transferidos son tan altos como 24 millones (calculados en 4,000 x 2,000 x RGB tres colores), incluso si una transferencia de 10,000, necesita repetirse 2,400 veces, por lo que la gran transferencia enfrenta tres problemas principales: (1) precisión de transferencia: La precisión de mover el Micro LED a la placa de circuito de accionamiento debe controlarse dentro de ±0.5μm, y el dispositivo de transferencia debe tener alta precisión de alineación y precisión de punto de caída. (2) Eficiencia de transferencia: LED tradicional 2 piezas / segundo, Micro LED requiere 20,000 piezas / segundo; (3) Rendimiento de transferencia: Los productos de visualización tienen una tolerancia de error de píxeles muy baja; si desea crear una pantalla a todo color de 1920 x 1080 con menos de 5 píxeles, el rendimiento de transferencia debe alcanzar el 99,9999 %.

La tecnología de transferencia a gran escala incluye principalmente fuerza molecular (transferencia de sellado), electrostática, magnética, láser y autoensamblaje (tecnología de ensamblaje de fluidos), entre otras. La transferencia láser a gran escala permite controlar tamaños relativamente pequeños, tiene una respuesta rápida, una alta eficiencia de transferencia y un alto grado de selectividad. La transferencia láser se convertirá en la tecnología dominante en este campo. Actualmente, la tecnología y los equipos nacionales de transferencia a gran escala han avanzado, y fabricantes como el láser de gran escala (002008), la inteligencia líder (300450), el láser estrella Haimu y otros equipos de transferencia a gran escala han sido entregados con éxito a los clientes. Sin embargo, la producción en masa de equipos láser nacionales aún está lejos de alcanzar su máximo potencial.

Pantalla a todo color: El micro LED para lograr monocromo es relativamente simple, pero para lograr a todo color es relativamente complejo, el RGB de tres colores necesita transferir granos de tres colores rojo, verde y azul. Como indicador técnico clave de la tecnología Micro LED, la investigación de la tecnología Micro LED a todo color se ha convertido en un foco de investigación y dificultad en el desarrollo de la tecnología Micro LED. Los métodos de realización de la coloración Micro LED incluyen principalmente el método RGB de tres colores, el método de LED azul UV + medio luminiscente y el método de síntesis de lentes, todos los cuales presentan deficiencias correspondientes. En comparación, en términos de flujo de proceso y materiales, el método de LED azul UV + medio emisor de luz es más simple que otros esquemas, utilizando principalmente LED azul para reemplazar la placa de retroiluminación, utilizando película de puntos cuánticos o fósforo como medio emisor de luz para reemplazar los filtros RGB, para completar la pantalla a todo color.

Controlador de pantalla: El diseño de controlador activo, representado por CMOS y TFT, se ha convertido en la corriente principal del desarrollo de la tecnología Micro LED. Micro LED es un dispositivo emisor de luz impulsado por corriente, y su modo de accionamiento generalmente se divide en accionamiento pasivo PM (Matriz Pasiva) y accionamiento activo AM (Matriz Activa). Debido a que el accionamiento pasivo: (1) no es propicio para la producción de áreas grandes, no puede cumplir con los requisitos del accionamiento de pantalla grande; (2) Las características del accionamiento de escaneo de columna, fácil de producir luz de píxel de columna desigual, resultando en una imagen de visualización y resolución limitadas; (3) El paso de píxel se está reduciendo gradualmente, el modo de accionamiento pasivo de la placa PCB tradicional no puede satisfacer la demanda de accionamiento, y presenta muchas desventajas en la aplicación de Micro LED, por lo tanto, el diseño de accionamiento activo representado por CMOS y TFT se convertirá en un buen compañero para el desarrollo de la tecnología Micro LED. Por ejemplo, en la tecnología de controladores CMOS, para romper con la tecnología de unión por transferencia, la industria actual se centra en explorar la tecnología de unión de Micro LED y circuitos de controladores CMOS.