La demande et les politiques en vigueur stimulent le développement rapide de l'industrie des micro-LED.
Micro LED La technologie d'affichage Micro LED est en pleine expansion. Plus de 80 % des informations que nous percevons sont traitées visuellement, et les exigences croissantes en matière de qualité et de forme d'image stimulent le développement et l'amélioration continus des technologies d'affichage. Depuis son apparition, l'affichage couleur a connu des transitions technologiques, comme les écrans cathodiques (CRT), et est aujourd'hui dominé par les technologies LCD et OLED. En termes de performances, la technologie Micro LED, nouvelle génération d'écrans, surpasse largement les technologies LCD (écrans à cristaux liquides) et OLED (écrans à diodes électroluminescentes organiques) produites à grande échelle. Elle offre des performances nettement supérieures dans presque tous les domaines techniques : longue durée de vie, contraste élevé, haute résolution, temps de réponse rapide, angles de vision plus larges et couleurs riches. Elle est considérée comme la solution d'affichage ultime.
Tout d'abord, le coût et la performance sont les principaux moteurs du développement continu de l'industrie des micro-LED.
La micro-LED est une technologie de miniaturisation et de matrice de LED récente, qui consiste à intégrer un réseau de LED haute densité de taille micrométrique sur une puce. Cette technologie permet un auto-allumage par simple excitation grâce à la miniaturisation de la LED à moins de 50 microns, soit environ 100 fois plus petite que les LED traditionnelles, et réduit l'espacement des pixels du millimètre au micron. Ainsi, la micro-LED est essentiellement une LED à l'échelle micrométrique. Une diode électroluminescente (DEL) est un composant semi-conducteur à l'état solide capable de convertir l'énergie électrique en lumière visible.
En termes de coût, une feuille épitaxiale de saphir de 4 pouces, découpée en puces LED ordinaires, coûte environ 60 000 unités. Mini LED Environ 600 000 puces sont utilisées, dont plus de 2,4 millions de puces Micro LED. Sur une même plaquette, le nombre de Micro LED a considérablement augmenté, tandis que le coût unitaire a diminué, ce qui explique en partie le potentiel de développement des Micro LED, notamment du point de vue des coûts.
En termes de performances, comparée aux technologies LCD et OLED produites en masse, la Micro LED présente des avantages considérables dans presque tous les domaines techniques : longue durée de vie, contraste élevé, haute résolution, temps de réponse rapide, angle de vision plus large, couleurs riches, luminosité ultra-élevée et faible consommation d'énergie. Parmi ses principaux atouts : (1) finesse et légèreté : la taille d'une Micro LED est environ 100 fois plus petite que celle d'une LED traditionnelle, soit environ 10 fois plus fine qu'un cheveu ; (2) faible consommation d'énergie : la Micro LED utilise une structure auto-luminescente à trois couleurs primaires sous-pixels, tandis que le processus d'affichage LCD nécessite un rétroéclairage, un polariseur puis un filtre de couleur, ce qui engendre d'importantes pertes d'énergie. En comparaison, la consommation d'énergie d'une Micro LED pour l'affichage est environ 10 % inférieure à celle d'un LCD. La Micro LED utilise des matériaux inorganiques pour émettre de la lumière, ce qui lui confère une efficacité lumineuse supérieure, contrairement à l'OLED qui utilise des matériaux organiques. La consommation d'énergie lumineuse des deux technologies est inférieure à celle de l'OLED. Par conséquent, pour l'affichage d'une même image, la consommation d'énergie des Micro LED est inférieure à celle des OLED et bien inférieure à celle des LCD ; (3) Haute luminosité : les Micro LED utilisent du nitrure de gallium (GaN), un matériau inorganique, dans leur partie lumineuse. Leur luminosité peut théoriquement atteindre 105 cd/m², bien supérieure aux 3 000 cd/m² des LCD et aux 1 500 cd/m² des OLED. De plus, la durée de vie des matériaux inorganiques est plus longue ; (4) Haute résolution : grâce à la technologie d'affichage Micro LED, chaque Micro LED constitue un pixel auto-éclairé. Chaque Micro LED étant de l'ordre du micron, on peut atteindre une très haute résolution. La densité de pixels d'un écran Micro LED peut dépasser 1 500 ppp, tandis que celle des écrans LCD et OLED est d'environ 800 ppp et 400 ppp respectivement.
En résumé, le coût et la performance favoriseront le développement continu de l'industrie des micro-LED.
Deuxièmement, scénarios d'application des micro-LED
La technologie Micro LED représente l'avenir de l'affichage. Si l'on fait abstraction du coût et de la maturité du processus de fabrication, et que l'on considère uniquement les performances et les indicateurs d'affichage, la Micro LED s'impose incontestablement comme la technologie d'affichage ultime. Ses performances surpassent celles des autres technologies d'affichage sur tous les plans. En termes d'applications, la Micro LED convient à toutes les tailles de produits. Du point de vue de sa faisabilité technique et économique, elle sera la première à être utilisée pour les petits écrans de moins de 3 pouces et les grands écrans de plus de 100 pouces.
En ce qui concerne les petits écrans de moins de 3 pouces, la technologie Micro LED va grignoter des parts de marché à l'OLED. Les petits écrans, du fait de leur faible distance de visionnage, exigent une qualité d'affichage élevée et sont courants dans les terminaux mobiles, avec des besoins importants en énergie. Par conséquent, l'OLED est devenu la technologie dominante pour les petits écrans grâce à sa faible consommation et à son bon rendu. Cependant, la part de marché de l'OLED dans ce domaine sera grignotée par la Micro LED à l'avenir. D'une part, la Micro LED surpasse l'OLED sur tous les indicateurs de performance d'affichage, tels que la qualité d'affichage et la consommation d'énergie. D'autre part, grâce à la petite taille de l'écran et au faible nombre de pixels, son coût est relativement maîtrisable. Actuellement, la Micro LED a permis la miniaturisation des puces, mais des obstacles persistent quant à son déploiement à grande échelle et son rendement reste relativement limité. De nombreuses entreprises explorent donc des solutions d'amélioration technique tout en maîtrisant les coûts.
Concernant les écrans de 3 à 99 pouces, il est difficile pour la technologie Micro LED de concurrencer rapidement les écrans LCD et OLED. Du fait de la faible distance de vision, les exigences en matière de taille et d'espacement des puces sont plus élevées, tandis que la taille de l'écran et le nombre total de pixels augmentent. Par conséquent, l'application de la technologie Micro LED aux écrans de 3 à 99 pouces a considérablement accru la complexité technique et le coût de fabrication, et la maturité de cette technologie dans cette gamme de tailles doit encore être améliorée. Surtout, dans ce segment, qu'il s'agisse des petits écrans OLED ou des grands écrans LCD, les avantages concurrentiels en termes de coûts restent incontestables. À l'avenir, grâce à la réduction continue du coût de la technologie Micro LED et à l'amélioration constante de cette dernière, l'écart de coût et de complexité de fabrication entre la Micro LED et les écrans LCD et OLED se réduira encore.
En matière d'écrans de plus de 100 pouces, la technologie Micro LED présente un avantage certain. Sur ce marché, le LCD est limité par le rendement de production et l'efficacité de découpe des panneaux grand format, tandis que l'OLED peine à réduire ses coûts en raison du processus d'évaporation nécessaire après la fabrication de panneaux de grande taille, ce qui réduit considérablement le rendement. Par conséquent, les projecteurs classiques et les écrans LCD composites ont longtemps dominé le marché des écrans de plus de 100 pouces. Cependant, la baisse significative du coût du Micro LED devrait accélérer le remplacement des solutions d'affichage traditionnelles, telles que les projecteurs et les écrans LCD composites, grâce à ses nombreux atouts comme l'affichage plein écran, une gamme de couleurs étendue et une luminosité élevée.
Taille du marché de l'industrie des micro-LED
À l'heure actuelle, les puces Micro LED sont commercialisées dans des applications d'affichage telles que les lunettes et les téléviseurs, mais la plupart des produits restent au stade de concept en raison des contraintes de prix et n'ont pas encore bénéficié d'une commercialisation à grande échelle. À l'avenir, grâce aux avancées et à la maturation progressive de la technologie clé des Micro LED, les coûts de commercialisation et d'industrialisation diminueront considérablement et le rendement des puces s'améliorera. Les Micro LED devraient ainsi devenir la technologie de prédilection pour les écrans de grande et de petite taille. Du point de vue des livraisons, selon les prévisions d'Omdia, portées par la demande des montres connectées et des téléviseurs haut de gamme, les livraisons mondiales d'écrans Micro LED devraient passer d'un niveau négligeable en 2020 à plus de 16 millions d'unités en 2027, ce qui témoigne d'un fort potentiel de marché. Concernant la taille du marché, selon les prévisions de Jibang Consulting, le chiffre d'affaires des puces d'affichage Micro LED pour lunettes AR devrait atteindre 41 millions de dollars américains en 2026. Dans le secteur des écrans grand format, la valeur de production des puces Micro LED pour grands écrans atteindra 54 millions de dollars en 2022 et devrait passer à 4,5 milliards de dollars en 2026, avec un taux de croissance annuel composé de 204 %, ce qui laisse entrevoir un fort potentiel de croissance du marché.
Quatrièmement, la demande et les politiques en vigueur dans les terminaux sont les moteurs du développement rapide de l'industrie.
(1) Les variations de la demande terminale sont les principaux facteurs qui stimulent le développement de l'industrie
Depuis 2009, l'industrie des puces LED a connu trois cycles, tous impulsés par une nouvelle demande de produits LED. Le premier cycle, avant 2013, était principalement marqué par la demande croissante de téléviseurs à écran plat et de rétroéclairage de téléphones portables, moteurs du développement de l'industrie. Le deuxième cycle, de 2013 à 2014, a vu l'interdiction totale des lampes fluorescentes blanches par l'Union européenne en 2013, entraînant une hausse de la demande en éclairage professionnel et paysager LED et une augmentation des exportations de LED côtières, contribuant ainsi à la croissance du secteur. Le troisième cycle, de 2015 à 2020, a été caractérisé par le développement rapide des LED à petit pas, qui ont largement remplacé les écrans LCD et DLP et se sont largement répandues dans les centres de commandement gouvernementaux, la sécurité, la lutte contre les maladies infectieuses, le commerce, les transports nocturnes, etc., stimulant ainsi la croissance de l'industrie. Le quatrième cycle, après 2020, a vu la demande croissante d'écrans haute définition et basse consommation du secteur de l'affichage LED, favorisant l'essor des micro-LED. En tant que technologie d'affichage ultime, grâce à la réduction des coûts et aux progrès technologiques, la Micro LED accélérera le processus d'industrialisation des Micro LED avec des performances supérieures telles qu'une longue durée de vie, un contraste élevé, une haute résolution, des couleurs riches, une luminosité ultra-élevée et une consommation d'énergie réduite, et devrait permettre à l'industrie d'entrer à nouveau dans un cycle de croissance.
(2) Un soutien fort des politiques nationales stimulera le développement de l'industrie
En tant que technologie d'affichage de nouvelle génération, la Micro LED a suscité un vif intérêt. Ces dernières années, l'État a promulgué plusieurs politiques de soutien, telles que le « 14e Plan quinquennal » de 2021, qui souligne l'importance des semi-conducteurs de troisième génération et couvre des technologies clés comme les véhicules à énergies nouvelles, les applications du Big Data, la 5G et l'affichage Micro LED. Le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information, en collaboration avec cinq autres ministères, a publié le « Plan d'action pour le développement intégré de la réalité virtuelle et des applications industrielles (2022-2026) », axé sur la promotion de la Micro LED et d'autres technologies de micro-affichage. Le ministère de l'Industrie et le ministère des Finances ont publié le « Plan d'action pour la croissance stable de l'industrie de la fabrication d'informations électroniques 2023-2024 », proposant un développement dynamique des Mini LED, Micro LED et autres technologies. Enfin, le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information, en collaboration avec sept autres ministères, a publié les « Orientations pour la mise en œuvre de la promotion de l'innovation et du développement industriels futurs », préconisant une avancée majeure dans les technologies d'affichage Micro LED, laser, impression et autres, afin d'atteindre une application à grande échelle. La publication et la mise en œuvre des politiques et réglementations susmentionnées témoignent de l'attitude positive et de la ferme détermination du gouvernement chinois à développer l'industrie des micro-LED, créant ainsi un environnement propice à son développement. Les micro-LED devraient bénéficier du soutien politique de l'État et connaître une croissance rapide.
Cinquièmement, le développement de l'industrie des micro-LED
(1) État du développement industriel
Le processus de fabrication des micro-LED est similaire aux étapes techniques conventionnelles et comprend principalement la croissance épitaxiale des LED sur plaquettes, la production des puces micro-LED, la production du circuit de commande (circuit de commande TFT ou circuit intégré micro) et le transfert à grande échelle de quatre composants. Tout d'abord, la structure de la LED est conçue en couches minces, micro-LED et en matrice. Ensuite, la micro-LED est transférée sur le circuit imprimé grâce à une technologie complexe. Le substrat peut être rigide, souple, transparent ou opaque. La couche protectrice et l'électrode supérieure sont ensuite déposées par dépôt physique. Le substrat supérieur est alors encapsulé, permettant ainsi de réaliser un écran micro-LED simple. Cependant, la miniaturisation des puces a imposé de nouvelles exigences techniques à chaque maillon de la chaîne industrielle existante. Ces exigences incluent des besoins en recherche et développement de technologies clés dans divers domaines tels que les matériaux, les procédés et les équipements. Chaque maillon de la chaîne ne peut être développé indépendamment ; il s'agit d'un système technique très complexe qui nécessite une étroite collaboration avec les acteurs en amont et en aval, tels que les fabricants de panneaux, de puces, les services de transfert à grande échelle et les circuits intégrés de commande. À l'heure actuelle, les quatre technologies clés que sont l'épitaxie et la fabrication de puces, le transfert massif, l'affichage en couleur et le pilotage d'affichage restent à développer.
(2) Aperçu de l'innovation technologique mondiale
Du point de vue de l'historique du développement des micro-LED, deux professeurs de l'Université Texas Tech ont été les pionniers en proposant le concept de micro-LED en 2000, et cette technologie connaît aujourd'hui une forte croissance technologique mondiale. Depuis 2017, l'activité d'innovation dans le domaine des micro-LED a connu une augmentation significative, et le secteur est actuellement en pleine expansion. À l'heure actuelle, les micro-LED disposent d'une réserve mondiale de plus de 40 000 brevets, dont plus de 13 000 sont valides. Le taux d'examen et de validation avoisine les 80 %, ce qui indique un fort potentiel de protection des brevets dans ce domaine. En termes d'innovation technologique, les régions les plus dynamiques en matière de micro-LED sont la Chine, les États-Unis et la Corée du Sud. L'analyse de la répartition géographique des brevets montre que la Chine et les États-Unis sont les marchés les plus actifs. Enfin, en ce qui concerne les principaux acteurs de l'innovation au niveau mondial, la Chine, la Corée du Sud et les États-Unis sont les leaders mondiaux, notamment dans les secteurs des écrans et de la photoélectronique. Parmi les 15 premières entreprises mondiales, plus de la moitié sont chinoises. BOE et Huaxing Optoelectronics figurent dans le top 5. Outre les entreprises chinoises de premier plan, les sud-coréennes Samsung et LG se classent parmi les leaders mondiaux en matière de brevets. La répartition du nombre de brevets par type d'organisme de R&D montre que les start-ups sont les plus représentées, avec 29 %. Quant aux types de brevets, ils se concentrent sur quatre technologies clés : l'épitaxie et la structure des puces, le transfert massif, l'affichage couleur et les pilotes d'affichage.
(3) Le développement de quatre technologies clés
Épitaxie et fabrication de puces : Le processus de fabrication des micro-LED, de la plaquette à la puce, comprend plusieurs étapes : épitaxie, gravure par étapes, préparation de la couche conductrice et préparation des électrodes. Concernant les technologies d’épitaxie et de structuration des puces, pour les micro-LED de plus petite taille, l’industrie se concentre actuellement sur l’uniformité de la longueur d’onde, la réduction des défauts d’épitaxie et l’amélioration du rendement quantique : (1) La miniaturisation des puces exige une grande constance de la longueur d’onde d’épitaxie et un faible taux de défauts. Alors que les LED traditionnelles nécessitent une taille de 6 à 12 nm, les puces micro-LED doivent atteindre 2 nm ; (2) La taille des puces diminuant sans cesse, le rendement de découpe est en baisse ; (3) Le rendement des micro-LED augmente avec la densité de courant, puis diminue après avoir atteint une valeur maximale. À mesure que la taille des micro-LED diminue, le pic de rendement se déplace vers les hautes densités de courant, et le rendement maximal continue de diminuer.
Transfert à grande échelle : En raison de la différence de procédé de croissance entre la couche lumineuse des micro-LED et le substrat du circuit de commande, l’intégration de la matrice d’affichage et du dispositif de commande par ce procédé est complexe. Il est donc nécessaire de transférer les micro-LED sur le circuit imprimé de commande, une opération de transfert à grande échelle. Prenons l’exemple d’un téléviseur 4K : jusqu’à 24 millions de micro-LED doivent être transférées (calculées sur la base de 4 000 x 2 000 x RGB). Même un transfert de 10 000 micro-LED nécessite 2 400 répétitions. Ce transfert massif pose donc trois problèmes majeurs : (1) Précision du transfert : La précision du transfert des micro-LED sur le circuit imprimé de commande doit être de ±0,5 µm, et le dispositif de transfert doit présenter une grande précision d’alignement et de dépôt. (2) Efficacité du transfert : Alors que les LED traditionnelles atteignent 2 micro-LED par seconde, il en faut 20 000 par seconde. (3) Rendement de transfert : Les produits d'affichage pour lesquels la tolérance aux erreurs de pixels est très faible, si vous souhaitez créer moins de 5 pixels d'un affichage couleur 1920*1080, le rendement de transfert doit atteindre 99,9999 %.
Les technologies de transfert à grande échelle comprennent principalement le transfert par force moléculaire (transfert par scellement), le transfert électrostatique, le transfert magnétique, le transfert laser, l'auto-assemblage (technologie d'assemblage par fluide), etc. Le transfert laser à grande échelle permet un contrôle précis de la taille des objets, une réponse rapide, un rendement élevé et une sélectivité importante. Il est appelé à devenir la technologie dominante pour les transferts à grande échelle. Actuellement, en Chine, les technologies et équipements de transfert à grande échelle progressent. Des fabricants tels que Large Laser (002008), Leading Intelligence (300450) et Haimu Star Laser ont déjà livré avec succès des équipements à leurs clients. Cependant, la production en série à grande échelle d'équipements laser en Chine reste encore un long chemin à parcourir.
Affichage couleur : L'obtention d'un affichage monochrome avec les micro-LED est relativement simple, mais l'obtention d'un affichage couleur est plus complexe. Les trois couleurs RVB nécessitent le transfert des trois pigments (rouge, vert et bleu). En tant qu'élément technique clé de la technologie micro-LED, la recherche sur l'affichage couleur est devenue un sujet de recherche majeur et un défi pour le développement de cette technologie. Les principales méthodes de mise en œuvre de la colorisation des micro-LED comprennent la méthode des LED RVB tricolores, la méthode des LED bleues UV associées à un milieu luminescent et la méthode de synthèse de lentilles, chacune présentant des inconvénients. En comparaison, en termes de processus et de matériaux, la méthode des LED bleues UV associées à un milieu luminescent est plus simple que les autres. Elle consiste principalement à utiliser une LED bleue à la place de la plaque de rétroéclairage et un film de points quantiques ou un phosphore comme milieu luminescent à la place des filtres RVB, pour obtenir un affichage couleur.
Pilote d'affichage : L'architecture de pilotage actif, représentée par les technologies CMOS et TFT, est devenue la norme pour le développement de la technologie Micro LED. Une Micro LED est un dispositif électroluminescent piloté par courant, dont le mode de pilotage se divise généralement en pilotage passif PM (matrice passive) et pilotage actif AM (matrice active). Le pilotage passif présente les inconvénients suivants : (1) il ne se prête pas à la production sur de grandes surfaces et ne répond pas aux exigences des grands écrans ; (2) son balayage par colonnes peut engendrer une illumination irrégulière des pixels, limitant ainsi la qualité et la résolution de l'image ; (3) la réduction progressive du pas de pixel rend le pilotage passif des circuits imprimés traditionnels insuffisant et lui confère de nombreux inconvénients pour les applications Micro LED. Par conséquent, l'architecture de pilotage actif, représentée par les technologies CMOS et TFT, s'avère un atout majeur pour le développement de la technologie Micro LED. Par exemple, dans le domaine des pilotes CMOS, afin de dépasser les limites du transfert de charge, l'industrie se concentre actuellement sur l'exploration des techniques de liaison entre les circuits intégrés des pilotes CMOS et les micro-LED.
