Terminali nõudlus ja poliitika soodustavad Micro LED-tööstuse kiiret arengut
Mikro-LED on ekraanitehnoloogia kuusnurkne sõdalane. Üle 80% inimese informatsioonist saadakse silmade kaudu ning inimeste kõrgemad nõudmised kuvapildi kvaliteedile ja kujule ajendavad ekraanitehnoloogia pidevat arendamist ja itereerimist. Värviekraanitehnoloogia on oma väljatöötamisest alates läbi teinud üleminekuid sellistele tehnoloogiatele nagu CRT ning praegu domineerivad LCD- ja OLED-tehnoloogia. Jõudluse osas on Micro LED-il kui järgmise põlvkonna ekraanitehnoloogial võrreldes LCD-tehnoloogia (vedelkristallkuvarid) ja OLED-tehnoloogia (orgaaniline valgusdioodkuvarid) laiaulatusliku tootmisega väga hea jõudluse eelis peaaegu igas tehnilises aspektis: pikk eluiga, kõrge kontrastsus, kõrge eraldusvõime, kiire reageerimiskiirus, laiem vaatenurk ja rikkalikud värvid. Seda peetakse ekraanitehnoloogia ülimaks lahenduseks.
Esiteks, mikro-LED-tööstuse arengut soodustavad kulud ja jõudlus.
Micro LED on uus LED-i miniaturiseerimise ja maatriksitehnoloogia, mis viitab suure tihedusega mikrosuuruses LED-massiivi integreerimisele kiibile. Tehnoloogia saavutab ühepunktilise isevalgustuse, miniaturiseerides LED-üksuse alla 50 mikroni tasemeni, mis on ~100 korda väiksem kui traditsioonilistel LED-idel ja vähendab pikslite sammu millimeetrist mikronini. Seega on Micro LED sisuliselt mikronitaseme LED ja LED-valgusdiood on tahkispooljuhtseade, mis suudab elektrienergiat nähtavaks valguseks muuta.
Kulude osas on 4-tolline safiir-epitaksiaalleht, millest lõigatakse umbes 60 000 tavalist LED-kiipi, lõigatud Mini LED kiipe umbes 600 000, mikro-LED-kiipe enam kui 2,4 miljoniks. Sama vahvli puhul on mikro-LED-ide arv märkimisväärselt suurenenud ja ühe kiibi maksumus on madalam, mis on ka üks mikro-LED-ide arengupotentsiaali põhjuseid kulude seisukohast.
Jõudluse osas on Micro LED-il võrreldes masstoodanguna toodetud LCD- ja OLED-tehnoloogiaga peaaegu igas tehnilises aspektis väga head jõudluse eelised, näiteks pikk eluiga, kõrge kontrastsus, kõrge eraldusvõime, kiire reageerimiskiirus, laiem vaatenurk, rikkalikud värvid, ülikõrge heledus ja madalam energiatarve. Nende hulgas on (1) õhuke ja kerge: Micro LED-i suurus on umbes 1/100 traditsioonilise LED-i suurusest ehk umbes 1/10 inimese juuksekarva laiusest; (2) madal energiatarve: Micro LED kasutab kolme põhivärvi alampiksli isevalgustavat struktuuri. LCD-ekraani protsess nõuab taustvalgustuse polariseerimist ja seejärel värvifiltreerimist. Kuvamisprotsessil on suur energiakadu. Võrreldes nende kahega on Micro LED-i ekraanirakenduses energiatarve umbes 10% LCD energiatarbimisest. Micro LED kasutab valguse kiirgamiseks anorgaanilisi materjale, millel on suurem valgusviljakus, ja OLED kasutab valguse kiirgamiseks orgaanilisi materjale ning mõlema valgusenergiatarve on madalam kui OLED-il. Seega on sama pildi kuvamisel mikro-LED-i energiatarve madalam kui OLED-il ja palju madalam kui LCD-l; (3) Suur heledus: mikro-LED kasutab valgusosas galliumnitriidi (GaN) anorgaanilist materjali ja selle heledus võib teoreetiliselt ulatuda 105 cd/m2-ni, mis on palju kõrgem kui LCD 3000 cd/m2 ja OLED 1500 cd/m2, ning anorgaaniliste materjalide kasutusiga on pikem; (4) Kõrge eraldusvõime: mikro-LED-ekraanitehnoloogias on iga mikro-LED isesüttiv piksel ja üks mikro-LED on mikroni tasemel, seega on võimalik saavutada väga kõrge eraldusvõime. Mikro-LED-ekraani pikslitihedus võib olla üle 1500 PPI, samas kui LCD- ja OLED-ekraanide PPI on umbes 800 PPI ja 400 PPI.
Kokkuvõttes soodustavad kulu ja jõudlus mikro-LED-tööstuse pidevat arengut.
Teiseks, mikro-LED-i rakendusstsenaariumid
Micro LED on tuleviku ülim ekraanitehnoloogia. Kui te ei arvesta kulusid ja protsessi küpsust, vaid vaatate ainult ekraani jõudlust ja näitajaid, on Micro LED kahtlemata ülim ekraanitehnoloogia. Micro LED-il on kõik jõudlusnäitajad paremad kui teistel ekraanitehnoloogiatel. Rakendusstsenaariumide osas sobib Micro LED igat tüüpi toodete jaoks. Tehnilise ja majandusliku teostatavuse seisukohast on Micro LED esimene, mida rakendatakse väikestel ekraanidel (alla 3 tolli) ja suurtel ekraanidel (üle 100 tolli).
Väikeste, alla 3-tolliste ekraanide osas kahjustab Micro LED OLED-turgu. Väikese suurusega ekraanid on tingitud väga lühikesest vaatamiskaugusest, kõrgetest ekraaniefektinõuetest ning väike ekraanisuurus on mobiilterminalides tavaline ja sellel on ka kõrged energiatarbenõuded. Seetõttu on OLED-ist saanud väikese suurusega ekraanide peavoolutehnoloogia, millel on madala energiatarbe ja hea ekraaniefekti eelised, kuid tulevikus kahjustab Micro LED OLED-i turuosa selles valdkonnas. Ühelt poolt on Micro LED OLED-ist parem kõigis ekraani jõudlusnäitajates, nagu ekraaniefekt ja energiatarve; teiselt poolt on väikese ekraanisuuruse ja väikese pikslite koguarvu tõttu Micro LED-i maksumus suhteliselt kontrollitav. Praegusest tehnoloogiast lähtuvalt on Micro LED suutnud saavutada kiibi miniaturiseerimise, kuid tohutu ülekande puhul on endiselt mõningaid kitsaskohti, saagikus on suhteliselt piiratud ja praegu uurivad mitmed ettevõtted tehnilisi täiustuslahendusi kontrollitavate kulude alusel.
3–99-tollise ekraani puhul on Micro LED-il raske LCD ja OLED turuosa lühikese ajaga õõnestada. Lühikese vaatamiskauguse tõttu on ekraanil kiibi suuruse ja sammu osas kõrgemad nõuded, samal ajal kui ekraani suurus ja pikslite koguarv suurenevad. Seega on 3–99-tollisele ekraanile rakendatud Micro LED tehniline keerukus ja protsessi maksumus märkimisväärselt suurenenud ning Micro LED-tehnoloogia küpsust selles vahemikus tuleb parandada. Ja kõige olulisem on see, et selles suuruspiirkonnas, olgu tegemist väikese OLED-i või suure LCD-ga, on selle kulueelised kindlalt vankumatud. Tulevikus väheneb Micro LED-i maksumuse pideva vähenemise ja tehnoloogia pideva täiustamisega veelgi Micro LED-i, LCD ja OLED-i maksumuse ja protsessi raskuse vahe.
Suurte, üle 100-tolliste ekraanide puhul on Micro LED-il eelis. Üle 100-tolliste ekraanide turul piirab LCD-paneelide tootmisvõimsust ja lõikamise efektiivsust ning OLED-paneelide puhul on aurustumisprotsessi tõttu pärast suuremate paneelide puhul keeruline kulusid vähendada ja saagikus on madalam. Seega oli varem ekraaniefektiks üldisem projektorid ja LCD-ekraanid, mis domineerisid üle 100-tolliste ekraanide turul. Micro LED-i hinna märkimisväärse langusega kiirendatakse aga traditsiooniliste ekraanitoodete, näiteks projektorite ja LCD-ekraanide asendamist, pakkudes palju eeliseid, nagu täisekraaniga ühendamine, rikkalikud värvid ja kõrge heledus.
Kolme mikro-LED-tööstuse turu suurus
Praegu on Micro LED-kiipe kasutatud ekraanistseenides, näiteks prillides ja telerites, kuid enamik tooteid on hinnapiirangute tõttu alles kontseptsiooni staadiumis ega ole veel saavutanud laiaulatuslikku turuletoomist. Tulevikus, tänu Micro LED-i põhitehnoloogia läbimurdele ja järkjärgulisele küpsusele, vähenevad turustamis- ja industrialiseerimiskulud oluliselt ning kiibi saagikus paraneb veelgi. Micro LED-il on oodata juhtpositsiooni nii suurte kui ka väikeste ekraanistsenaariumide rakendamisel. Tarne seisukohast, vastavalt Omdia prognoosiandmetele, mida mõjutavad nutikellade ja tipptasemel telerite turu nõudlus, kasvavad ülemaailmsed Micro LED-ekraanide tarned 2020. aasta tühiselt tasemelt 2027. aastaks enam kui 16 miljoni ühikuni ning turunõudluse potentsiaal on suur. Turumahust lähtuvalt eeldatakse Jibang Consultingu prognoosi kohaselt, et mikroekraanide rakenduste stsenaariumis on Micro LED AR-prillide ekraanikiibi toodangu väärtus 2026. aastal kuni 41 miljonit USA dollarit; Suuremõõtmeliste ekraanide stsenaariumi korral ulatub Micro LED-suurekraanikiipide toodangu väärtus 2022. aastal 54 miljoni dollarini ja eeldatavasti tõuseb see 2026. aastaks 4,5 miljardi dollarini, kusjuures liitkasvumäär on 204%, ja turu kasvuks on palju ruumi.
Neljandaks, terminali nõudlus ja poliitika soodustavad tööstuse kiiret arengut
(1) Terminali nõudluse muutused on peamised tegurid, mis mõjutavad valdkonna arengut
Alates 2009. aastast on LED-kiipide tööstus läbi elanud kolm tsüklit, mida kõiki ajendas uus nõudlus LED-toodete järele. Esimene etapp on enne 2013. aastat, mil lameekraaniga televiisorite ja mobiiltelefonide taustvalgustuse peamine nõudlus LED-toodete järele soodustas LED-tööstuse arengut. Teine etapp on aastatel 2013–2014, mil Euroopa Liit keelas 2013. aastal täielikult valged kootud valgustid, mis suurendas nõudlust professionaalse LED-valgustuse ja maastikuvalgustuse järele ning rannikualade LED-ekraanide ekspordi kasv soodustas LED-tööstuse arengut. Kolmas etapp on aastatel 2015–2020, mil toimub väikese sammuga LED-ekraanide kiire areng, suur hulk LCD- ja DLP-ekraanide asendusi, mida kasutatakse laialdaselt valitsuse juhtimiskeskustes, turvalisuses, haiguste tõrjes, äris, öises reisimises ja muudes valdkondades, soodustades seeläbi tööstuse arengut. Neljas etapp on pärast 2020. aastat, mil LED-ekraanitööstuse nõudlus kõrglahutusega ekraanide ja väikese energiatarbega ekraanide järele on järk-järgult suurendanud mikro-LED-ekraanide levikut. Ülima ekraanitehnoloogiana kiirendab Micro LED tänu kulude vähendamisele ja tehnoloogia arengule Micro LED-i industrialiseerimisprotsessi, pakkudes suurepäraseid omadusi, nagu pikk eluiga, kõrge kontrastsus, kõrge eraldusvõime, rikkalikud värvid, ülikõrge heledus ja madalam energiatarve, ning eeldatavasti suunab tööstusharu uuesti tõusutsüklisse.
(2) Riikliku poliitika tugev toetus soodustab valdkonna arengut
Järgmise põlvkonna kuvaritehnoloogiana on mikro-LED pälvinud palju tähelepanu. Viimastel aastatel on riik välja kuulutanud hulga toetavaid poliitikaid, näiteks 2021. aastal vastu võetud "14. viisaastakuplaan", milles on selgelt öeldud, et kolmanda põlvkonna pooljuht on oluline sisu, ning projekt hõlmab võtmetehnoloogiaid, nagu uued energiasõidukid, suurandmete rakendused, 5G-side ja mikro-LED-ekraan. Tööstus- ja infotehnoloogiaministeerium ning viis muud osakonda avaldasid "Virtuaalreaalsuse ja tööstusrakenduste integreerimise arendamise tegevuskava (2022–2026)", mis keskendub mikro-LED-i ja muude mikro-ekraanitehnoloogiate täiustamisele; tööstusministeerium ja rahandusministeerium avaldasid "Elektroonilise teabe tootmise tööstuse stabiilse kasvu tegevuskava aastateks 2023–2024", milles tehti ettepanek arendada jõuliselt mini-LED-i, mikro-LED-i ja muid tehnoloogiaid; tööstus- ja infotehnoloogiaministeerium ning seitse muud osakonda avaldasid ühiselt "Rakendamise arvamused tulevase tööstusliku innovatsiooni ja arengu edendamise kohta", milles tehti ettepanek läbi murda mikro-LED-i, laser-, printimis- ja muude kuvaritehnoloogiate laiaulatuslik rakendamine. Ülaltoodud poliitikate ja määruste avaldamine ja rakendamine näitab Hiina valitsuse positiivset suhtumist ja kindlat tahet arendada mikro-LED-tööstust, mis pakub mikro-LED-tööstuse arenguks paremat keskkonda. Eeldatakse, et mikro-LED saab kasu riigi poliitilisest toetusest ja soodustab kiiret arengut.
Viiendaks, mikro-LED-tööstuse areng
(1) Tööstusharu arengu staatus
Mikro-LED-ide tootmisprotsess sarnaneb tavapäraste tehniliste etappidega, hõlmates peamiselt LED-i epitaksiaalse vahvli kasvatamist, mikro-LED-kiibi tootmist, draiveri tagaplaadi (TFT-draiveri või mikro-IC-draiveri) tootmist ja nelja osa suurt ülekannet. Esiteks on LED-struktuuri disain õhuke kile, mikro- või massiiv ning seejärel kantakse mikro-LED-id suure hulga tehnoloogia abil trükkplaadile. Substraat võib olla kõva, pehme, läbipaistev ja läbipaistmatu substraat. Füüsilise sadestamise protsessi abil kaitsekihi ja ülemise elektroodi viimistlemiseks saab ülemise substraadi pakendada ja valmistada lihtsa mikro-LED-ekraani. Kiibi miniaturiseerimise tõttu on mikro-LED-ide tootmistehnoloogia aga esitanud uusi tehnilisi näitajaid ja nõudeid iga olemasoleva tööstusahela lüli jaoks, sealhulgas võtmetehnoloogiate uurimis- ja arendusvajadused erinevates valdkondades, nagu materjalid, protsessid ja seadmed. Iga tööstuslüli tehnoloogiat ei saa iseseisvalt arendada, see on väga keeruline tehniline süsteem. On vaja teha tihedat koostööd tööstusahela üles- ja allavoolu tasanditega, nagu paneelid, kiibid, massiivsed ülekanded ja draiveri integraallülid. Praegu on neli peamist tehnoloogiat – epitaksia ja kiibi tootmine, massiülekanne, täisvärviline ekraan ja ekraaniajam – veel lahti harutamata.
(2) Ülevaade globaalsest tehnoloogilisest innovatsioonist
Micro LED-i arenguloo seisukohast võtsid kaks Texas Tech University professorit 2000. aastal Micro LED-i kontseptsiooni väljatöötamise eestvedajaks ning nüüd on see jõudnud ülemaailmse tehnoloogilise innovatsiooni kõrgfaasi. Alates 2017. aastast on Micro LED-tehnoloogia innovatsioonitegevus märkimisväärselt suurenenud ja see on praegu plahvatusliku kasvu perioodil. Praegu on Micro LED-il ülemaailmne patendireserv üle 40 000, millest üle 13 000 on kehtivad patendid, ning kontrollimise ja kehtivuse suhtarvu summa on ligi 80%, mis näitab, et potentsiaalsed patendibarjäärid selles valdkonnas on kõrged. Micro LED-tehnoloogia innovatsiooni aktiivsema valdkonna seisukohast on tehnoloogilise innovatsiooni aktiivsem valdkond Hiina, Ameerika Ühendriigid ja Lõuna-Korea ning patentide paigutuse piirkond näitab, et aktiivsem turg on Hiinas ja Ameerika Ühendriikides. Maailma ja Hiina peamiste innovatsiooniüksuste seisukohast on Hiina, Lõuna-Korea ja Ameerika Ühendriikide maailma juhtivatel innovatsiooniüksustel rohkem eeliseid, peamiselt kuvapaneelide ja fotoelektriliste ettevõtete valdkonnas. Maailma 15 suurima ettevõtte hulgas moodustasid Hiina ettevõtted enam kui poole, BOE ja Huaxing Optoelectronics olid maailma 5 parima hulgas; Lisaks Hiina juhtivatele ettevõtetele on Lõuna-Korea Samsungi ja LG patendikujundus maailmas esirinnas. Teadus- ja arendusasutuste tüübi järgi patentide arvu jaotuse tulemuste põhjal on idufirmade osakaal kõrgeim, ulatudes 29%-ni. Patenditüüpide lõikes jaguneb patentide arv nelja põhitehnoloogia vahel: epitaksia ja kiibistruktuur, massiivne ülekanne, täisvärviline ekraan ja kuvadraiver.
(3) Nelja võtmetehnoloogia arendamine
Epitaksia ja kiibi tootmine: Mikro-LED-i tootmisprotsess kiibist kiibini hõlmab järgmisi samme: epitaksia, astmeline söövitamine, juhtiva kihi ettevalmistamine ja elektroodi ettevalmistamine. Epitaksia ja kiibi struktuuri tehnoloogia suunas on väiksemate mikro-LED-ide puhul praegune tööstusharu peamiselt mures lainepikkuse ühtluse, väikese epitaksia defektide ja kvantefektiivsuse pärast: (1) Pärast kiibi miniaturiseerimist on epitaksia lainepikkuse ühtluse ja väikese defektide määra osas kõrged nõuded. Traditsiooniline LED vajab 6–12 nm, mikro-LED-kiip aga 2 nm-ni. (2) Kiibi suurus muutub üha väiksemaks ja lõikefragmendi saagis väheneb. (3) Mikro-LED-i efektiivsus suureneb voolutiheduse suurenemisega ja väheneb voolutiheduse suurenemisega pärast tippväärtuse saavutamist. Mikro-LED-i suuruse vähenedes liigub tippefektiivsus suurema voolutiheduse suunas ja tippefektiivsus jätkab langust.
Suur ülekanne: Micro LED-valguskihi ja draiveri aluspinna kasvuprotsessi erinevuse tõttu on ekraani massiivi ja draiveriseadme integreerimine kasvuprotsessi kaudu keeruline, seega on vaja valmistatud Micro LED-terad ajami trükkplaadile üle kanda, mis on mahukas ülekandeprotsess. Näiteks 4K-teleri puhul on ülekantavaid terasid kuni 24 miljonit (arvutatud 4000 x 2000 x RGB kolme värvi järgi), isegi 10 000 ülekande korral tuleb seda korrata 2400 korda, seega seisab tohutu ülekande ees kolm peamist probleemi: (1) ülekande täpsus: Micro LED-i ajami trükkplaadile liigutamise täpsust tuleb kontrollida ±0,5 μm täpsusega ning ülekandeseadmel peab olema kõrge joondamise täpsus ja langemispunkti täpsus. (2) ülekande efektiivsus: traditsiooniline LED 2 tükki sekundis, Micro LED vajab 20 000 tükki sekundis; (3) Ülekande saagikus: Kuvaritoodete pikslivea tolerants on väga madal. Kui soovite luua vähem kui 5 pikslit täisvärvilisest 1920 * 1080 ekraanist, peab ülekande saagikus ulatuma 99,9999%-ni.
Suuremahuliste ülekannete tehnoloogia hõlmab peamiselt molekulaarjõudu (tihendiülekanne), elektrostaatilist ülekannet, magnetilist ülekannet, laserülekannet, isekomplekteerumist (vedeliku montaažitehnoloogia) jne. Laserülekandega saab kontrollida suhteliselt väikeseid suurusi, reageerida kiiresti, ülekande efektiivsus on kõrge ja selektiivsus on kõrge. Laserülekandest saab suuremahuliste ülekannete peavoolutehnoloogia. Praegu on kodumaiste suurte ülekannete tehnoloogia ja seadmete areng edenemas ning suurte laserite (002008), juhtivate luureandmete (300450), Haimu tähelaserite ja muude suurte ülekandeseadmete tootjad on edukalt klientidele tarninud, kuid kodumaiste laserseadmete masstootmine on veel kaugel kodumaistest seadmetest.
Täisvärviline ekraan: Micro LED-iga on mustvalge saavutamine suhteliselt lihtne, kuid täisvärvilise ekraani saavutamine on suhteliselt keeruline, kuna RGB kolmevärviline süsteem peab edastama punase, rohelise ja sinise kolmevärvilise tera. Micro LED-tehnoloogia peamise tehnilise näitajana on Micro LED-täisvärvilise tehnoloogia uurimine muutunud Micro LED-tehnoloogia arendamise uurimisvaldkonnaks ja raskuseks. Micro LED-i värvimise realiseerimismeetodid hõlmavad peamiselt RGB kolmevärvilise LED-meetodit, UV-sinise LED-i + luminestsentskeskkonna meetodit ja läätse sünteesimeetodit, millel kõigil on vastavad puudused. Võrdluseks, protsessivoo ja materjalide osas on UV-sinise LED-i + valgust kiirgava keskkonna meetod lihtsam kui teised skeemid, kasutades peamiselt sinist LED-i taustvalgustuse plaadi asendamiseks ja kvantpunktfilmi või fosforit valgust kiirgava keskkonnana RGB-filtrite asendamiseks, et luua täisvärviline ekraan.
Ekraanidraiver: CMOS-i ja TFT-i esindav aktiivse draiveri disainiskeem on muutunud mikro-LED-tehnoloogia arendamise peavooluks. Mikro-LED on vooluga juhitav valgust kiirgav seade ja selle juhtimisrežiim jaguneb üldiselt PM-i (passiivne maatriks) passiivajamiks ja AM-i (aktiivne maatriks) aktiivajamiks. Passiivse ajami tõttu: (1) see ei soodusta suurte pindade tootmist, ei vasta suure ekraaniga ajami nõuetele; (2) veergude skaneerimise ajami omadused, veergude pikslite valguse ebaühtlane teke, mille tulemuseks on piiratud kuvamispilt ja eraldusvõime; (3) pikslite samm väheneb järk-järgult, traditsioonilise trükkplaadi passiivne ajamirežiim ei suuda ajami nõudlust rahuldada ja sellel on mikro-LED-i rakendamisel palju puudusi, seetõttu saab CMOS-i ja TFT-i esindavast aktiivsest ajami disainiskeemist hea kaaslane mikro-LED-tehnoloogia arendamisel. Näiteks CMOS-draiveritehnoloogias keskendub praegune tööstusharu mikro-LED-i ja CMOS-draiveri vooluahela ühendustehnoloogia uurimisele, et läbimurret teha ülekandeliimimistehnoloogiast.
