La domanda terminale e le politiche guidano il rapido sviluppo del settore dei micro LED
Micro Led La tecnologia di visualizzazione è un guerriero esagonale. Oltre l'80% delle informazioni umane viene ottenuto attraverso gli occhi e le crescenti esigenze umane in termini di qualità e forma delle immagini visualizzate guidano il continuo sviluppo e l'iterazione della tecnologia di visualizzazione. La tecnologia di visualizzazione a colori ha sperimentato tecnologie di transizione come i CRT sin dal suo sviluppo ed è attualmente dominata dalle tecnologie LCD e OLED. In termini di prestazioni, il Micro LED, come tecnologia di visualizzazione di nuova generazione, rispetto alla produzione su larga scala di tecnologie LCD (display a cristalli liquidi) e OLED (display a diodo organico a emissione di luce), offre un vantaggio prestazionale molto superiore in quasi ogni dimensione tecnica: lunga durata, elevato contrasto, possibilità di raggiungere un'alta risoluzione, risposta rapida, angolo di visione più ampio, colori intensi, è considerata la soluzione definitiva per la tecnologia di visualizzazione.
In primo luogo, il costo e le prestazioni guidano il continuo sviluppo dell'industria dei micro LED
Micro LED è una nuova tecnologia di miniaturizzazione e matrice LED, che si riferisce all'integrazione di una matrice di LED microscopici ad alta densità su un chip. La tecnologia consente l'autoilluminazione a singolo punto miniaturizzando l'unità LED a un livello inferiore a 50 micron, ovvero circa 100 volte più piccola dei LED tradizionali, e riducendo il pixel pitch da millimetri a micron. Pertanto, il Micro LED è essenzialmente un LED di livello micron, e il diodo a emissione luminosa LED è un dispositivo semiconduttore a stato solido in grado di convertire l'energia elettrica in luce visibile.
In termini di costo, un foglio epitassiale di zaffiro da 4 pollici, tagliato in normali chip LED circa 60.000, tagliato in Mini Led Circa 600.000 chip, di cui oltre 2,4 milioni di chip Micro LED. A parità di wafer, il numero di Micro LED è aumentato significativamente e il costo di un singolo chip è diminuito, il che è anche uno dei motivi del potenziale di sviluppo dei Micro LED dal punto di vista dei costi.
In termini di prestazioni, rispetto alla tecnologia LCD e alla tecnologia OLED prodotte in serie, il Micro LED offre vantaggi prestazionali molto superiori in quasi tutti gli aspetti tecnici, come lunga durata, elevato contrasto, alta risoluzione, risposta rapida, angolo di visione più ampio, colori intensi, luminosità ultraelevata e consumo energetico inferiore. Tra questi, (1) sottile e leggero: le dimensioni del Micro LED sono circa 1/100 del LED tradizionale, ovvero circa 1/10 della larghezza di un capello umano; (2) basso consumo energetico: il Micro LED utilizza una struttura autoluminosa a subpixel a tre colori primari. Il processo di visualizzazione LCD richiede l'uso della retroilluminazione per polarizzare e quindi per filtrare il colore, il processo di visualizzazione comporta una notevole perdita di energia rispetto ai due. Nell'applicazione di visualizzazione del Micro LED, il consumo energetico è di circa il 10% del consumo energetico di un LCD. Il Micro LED utilizza materiali inorganici per emettere luce, con una maggiore efficienza luminosa, mentre l'OLED utilizza materiali organici per emettere luce, e il consumo energetico luminoso di entrambi è inferiore a quello dell'OLED. Pertanto, nella visualizzazione della stessa immagine, il consumo energetico del Micro LED è inferiore a quello dell'OLED e molto inferiore a quello dell'LCD; (3) Alta luminosità: il Micro LED utilizza materiale inorganico al nitruro di gallio (GaN) nella parte luminosa e la sua luminosità può teoricamente raggiungere 105 cd/m2, molto superiore ai 3.000 cd/m2 dell'LCD e ai 1.500 cd/m2 dell'OLED, e la durata dei materiali inorganici è maggiore; (4) Alta risoluzione: con la tecnologia di visualizzazione Micro LED, ogni Micro LED è un pixel che può autoilluminarsi e un singolo Micro LED è a livello di micron, quindi può raggiungere una risoluzione molto elevata. La densità di pixel del display Micro LED può essere superiore a 1.500 PPI, mentre il PPI dello schermo LCD e OLED è di circa 800 PPI e 400 PPI.
In sintesi, costi e prestazioni favoriranno lo sviluppo continuo del settore dei micro LED.
In secondo luogo, scenari applicativi dei micro LED
Il Micro LED è la tecnologia di visualizzazione definitiva del futuro. Se si considerano solo le prestazioni e i dati indicatori del display, senza considerare i costi e la maturità del processo, il Micro LED è senza dubbio la tecnologia di visualizzazione definitiva. Tutti gli indicatori di prestazione del Micro LED sono migliori rispetto ad altre tecnologie di visualizzazione. In termini di scenari applicativi, il Micro LED è adatto a prodotti di tutte le dimensioni. Dal punto di vista della fattibilità tecnica ed economica, il Micro LED sarà il primo ad essere applicato a display di piccole dimensioni inferiori a 3 pollici e a display di grandi dimensioni superiori a 100 pollici.
Per quanto riguarda i display di piccole dimensioni inferiori a 3 pollici, i Micro LED eroderanno il mercato degli OLED. I display di piccole dimensioni, a causa della distanza di visione molto ravvicinata, dei requisiti di visualizzazione elevati e della dimensione ridotta, sono comuni nei terminali mobili, oltre a presentare elevati requisiti di consumo energetico. Pertanto, gli OLED sono diventati la tecnologia principale per i display di piccole dimensioni, con i loro vantaggi di basso consumo energetico e buona qualità di visualizzazione, ma la quota di mercato degli OLED in questo campo sarà erosa dai Micro LED in futuro. Da un lato, i Micro LED sono superiori agli OLED in tutti gli indicatori di prestazioni dei display, come la qualità di visualizzazione e il consumo energetico; dall'altro, grazie alle dimensioni ridotte dello schermo e al ridotto numero totale di pixel, anche il costo dei Micro LED è relativamente controllabile. Dal punto di vista tecnologico attuale, i Micro LED sono stati in grado di raggiungere la miniaturizzazione dei chip, ma ci sono ancora alcuni colli di bottiglia nel trasferimento di grandi dimensioni, la resa è relativamente limitata e attualmente diverse aziende stanno esplorando soluzioni di miglioramento tecnico basate su costi controllabili.
Per quanto riguarda i display da 3-99 pollici, è difficile che i Micro LED erodano la quota di mercato di LCD e OLED in breve tempo. A causa della distanza di visione ravvicinata, i display richiedono dimensioni e passo dei chip più elevati, mentre le dimensioni dello schermo aumentano e anche il numero totale di pixel aumenta. Pertanto, l'applicazione dei Micro LED ai display da 3-99 pollici ha aumentato significativamente la difficoltà tecnica e i costi del processo, e la maturità della tecnologia Micro LED in questa fascia di prezzo deve essere migliorata. E l'aspetto più critico è che in questa fascia di prezzo, sia che si tratti di OLED di piccole dimensioni o di LCD di grandi dimensioni, i vantaggi in termini di costi sono decisamente incrollabili. In futuro, con la continua riduzione dei costi dei Micro LED e il continuo miglioramento della tecnologia, il divario tra costi e difficoltà di processo di Micro LED, LCD e OLED si ridurrà ulteriormente.
Per quanto riguarda i display di grandi dimensioni superiori a 100 pollici, i Micro LED presentano un vantaggio. Nel mercato dei display di dimensioni superiori a 100 pollici, gli LCD saranno limitati dalla resa produttiva e dall'efficienza di taglio dei pannelli di grandi dimensioni, e anche gli OLED hanno difficoltà a ridurre i costi a causa del processo di evaporazione dopo la produzione di grandi dimensioni, con una resa inferiore. In passato, l'effetto display era più generale, proiettori e schermi LCD con giunzione occupavano una posizione dominante nel mercato dei display di dimensioni superiori a 100 pollici. Tuttavia, con il significativo calo dei costi dei Micro LED, si accelererà la sostituzione dei display tradizionali come proiettori e LCD con giunzione, con numerosi vantaggi come la giunzione a schermo intero, colori intensi e un'elevata luminosità.
Tre dimensioni del mercato del settore Micro LED
Attualmente, i chip Micro LED sono stati prodotti in scenari di visualizzazione come occhiali e TV, ma la maggior parte dei prodotti è ancora in fase di progettazione a causa di restrizioni di prezzo e non ha ancora ottenuto una promozione di mercato su larga scala. In futuro, con l'innovazione e la graduale maturità della tecnologia chiave dei Micro LED, la notevole riduzione dei costi di commercializzazione e industrializzazione e l'ulteriore miglioramento della resa dei chip, si prevede che i Micro LED assumeranno un ruolo guida nell'applicazione di scenari di visualizzazione di grandi e piccole dimensioni. Dal punto di vista delle spedizioni, secondo i dati previsionali di Omdia, influenzati dalla domanda del mercato degli smartwatch e dei TV di fascia alta, le spedizioni globali di display Micro LED passeranno da un livello trascurabile nel 2020 a oltre 16 milioni di pezzi nel 2027, con un potenziale di domanda di mercato elevato. Per quanto riguarda le dimensioni del mercato, secondo le previsioni di Jibang Consulting, nello scenario applicativo dei micro display, si prevede che nel 2026 il valore di produzione dei chip per display Micro LED per occhiali AR raggiungerà i 41 milioni di dollari USA; Nello scenario dei display di grandi dimensioni, il valore di produzione dei chip Micro LED per display di grandi dimensioni raggiungerà i 54 milioni di dollari nel 2022 e si prevede che salirà a 4,5 miliardi di dollari nel 2026, con un tasso di crescita annuo composto del 204%; c'è molto spazio per la crescita del mercato.
In quarto luogo, la domanda terminale e la politica guidano il rapido sviluppo del settore
(1) I cambiamenti nella domanda terminale sono i principali fattori che guidano lo sviluppo del settore
Dal 2009, l'industria dei chip LED ha attraversato tre cicli, tutti trainati dalla nuova domanda di prodotti LED. La prima fase, prima del 2013, ha visto la retroilluminazione di TV a schermo piatto e telefoni cellulari come principale domanda di LED, trainando lo sviluppo dell'industria LED; la seconda fase, dal 2013 al 2014, ha visto l'Unione Europea vietare completamente le luci a trama bianca, con conseguente aumento della domanda di illuminazione professionale a LED e illuminazione paesaggistica, e un aumento delle esportazioni di LED costieri, trainando lo sviluppo dell'industria LED; la terza fase, dal 2015 al 2020, ha visto il rapido sviluppo di LED a passo ridotto, un gran numero di LCD e DLP sostitutivi, ampiamente utilizzati nei centri di comando governativi, nella sicurezza, nel controllo delle malattie, negli affari, nei viaggi notturni e in altri settori, trainando così lo sviluppo del settore; la quarta fase, dopo il 2020, ha visto la domanda di display a LED ad alta definizione e a basso consumo energetico aumentare gradualmente il tasso di penetrazione dei Micro LED. In quanto tecnologia di visualizzazione all'avanguardia, con riduzione dei costi e progresso tecnologico, Micro LED accelererà il processo di industrializzazione dei Micro LED con prestazioni superiori quali lunga durata, contrasto elevato, alta risoluzione, colori intensi, luminosità ultra elevata e consumo energetico ridotto, e si prevede che spingerà il settore a entrare nuovamente nel ciclo di crescita.
(2) Un forte sostegno da parte delle politiche nazionali guiderà lo sviluppo del settore
In quanto nuova generazione di tecnologie di visualizzazione, i Micro LED hanno attirato molta attenzione. Negli ultimi anni, lo Stato ha promulgato una serie di politiche di supporto, come il "14° Piano Quinquennale" del 2021, che afferma chiaramente l'importanza dei semiconduttori di terza generazione e il progetto copre tecnologie chiave come i veicoli a nuova energia, le applicazioni Big Data, le comunicazioni 5G e i display Micro LED. Il Ministero dell'Industria e dell'Informazione Tecnologica e altri cinque dipartimenti hanno pubblicato il "Piano d'azione per lo sviluppo dell'integrazione tra realtà virtuale e applicazioni industriali (2022-2026)", che si concentrerà sulla promozione degli aggiornamenti dei Micro LED e di altre tecnologie di visualizzazione micro; il Ministero dell'Industria e il Ministero delle Finanze hanno pubblicato il "Piano d'azione per la crescita stabile dell'industria manifatturiera dell'informazione elettronica 2023-2024", che propone di sviluppare vigorosamente i Mini LED, i Micro LED e altre tecnologie; Il Ministero dell'Industria e dell'Informazione Tecnologica e altri sette dipartimenti hanno pubblicato congiuntamente i "Pareri di attuazione sulla promozione dell'innovazione e dello sviluppo industriale futuri", proponendo di introdurre tecnologie Micro LED, laser, stampa e altri display e di raggiungere un'applicazione su larga scala. La pubblicazione e l'attuazione delle suddette politiche e normative dimostrano l'atteggiamento positivo e la ferma determinazione del governo cinese nello sviluppo del settore Micro LED, che fornisce un ambiente di sviluppo migliore per il settore Micro LED. Si prevede che il settore Micro LED trarrà beneficio dal sostegno politico dello Stato e inaugurerà un rapido sviluppo.
Cinque, lo sviluppo dell'industria dei micro LED
(1) Stato di sviluppo del settore
Il processo di produzione dei Micro LED è simile alle fasi tecniche convenzionali, che includono principalmente la crescita epitassiale del wafer LED, la produzione del chip Micro LED, la produzione del backplane del driver (driver TFT o driver Micro IC) e il trasferimento di quattro componenti. Innanzitutto, la struttura del LED è a film sottile, Micro, array, quindi il Micro LED viene trasferito sul circuito stampato utilizzando un'ampia gamma di tecnologie; il substrato può essere rigido, morbido, trasparente o opaco; utilizzando il processo di deposizione fisica per completare lo strato protettivo e l'elettrodo superiore, il substrato superiore può essere confezionato e si può realizzare un semplice display Micro LED. Tuttavia, a causa della miniaturizzazione del chip, la tecnologia di produzione dei Micro LED ha introdotto nuovi indicatori e requisiti tecnici per ogni anello della catena industriale esistente, comprese le esigenze di ricerca e sviluppo di tecnologie chiave in vari campi come materiali, processi e attrezzature, e la tecnologia di ogni anello industriale non può essere sviluppata in modo indipendente, trattandosi di un sistema tecnico molto complesso. È necessaria una stretta collaborazione con i componenti a monte e a valle della catena industriale, come pannelli, chip, trasferimenti massivi e circuiti integrati per driver. Attualmente, le quattro tecnologie chiave dell'epitassia e della produzione di chip, del trasferimento di massa, della visualizzazione a colori e del display drive devono ancora essere sviluppate.
(2) Panoramica dell'innovazione tecnologica globale
Dal punto di vista dello sviluppo storico dei Micro LED, due professori della Texas Tech University hanno proposto il concetto di Micro LED nel 2000, e ora è entrato in un periodo di grande innovazione tecnologica globale. Dal 2017, l'attività di innovazione della tecnologia Micro LED è aumentata significativamente e attualmente sta vivendo un periodo di crescita esplosiva. Attualmente, i Micro LED hanno una riserva brevettuale globale di oltre 40.000 brevetti, di cui oltre 13.000 sono brevetti validi, e la somma del rapporto di esame e validità è vicina all'80%, a indicare che le potenziali barriere brevettuali in questo campo sono elevate. Dal punto di vista dell'area più attiva dell'innovazione tecnologica dei Micro LED, le aree più attive dell'innovazione tecnologica sono Cina, Stati Uniti e Corea del Sud, e la regione di distribuzione dei brevetti mostra che il mercato più attivo è Cina e Stati Uniti. Dal punto di vista delle principali entità di innovazione nel mondo e in Cina, le entità di innovazione leader a livello mondiale in Cina, Corea del Sud e Stati Uniti hanno maggiori vantaggi, principalmente nei settori dei pannelli display e delle aziende fotoelettriche. Tra le prime 15 aziende al mondo, le imprese cinesi rappresentano oltre la metà del totale; BOE e Huaxing Optoelectronics si sono classificate tra le prime 5 al mondo; oltre alle aziende leader cinesi, le sudcoreane Samsung e LG si collocano ai vertici mondiali per quanto riguarda la distribuzione dei brevetti. Per quanto riguarda la distribuzione del numero di brevetti per tipologia di istituti di ricerca e sviluppo, le start-up sono le più rappresentative, raggiungendo il 29%. Dal punto di vista della tipologia di brevetti, il numero di brevetti è distribuito sulle quattro tecnologie chiave: epitassia e struttura del chip, trasferimento massivo, display a colori e driver di visualizzazione.
(3) Lo sviluppo di quattro tecnologie chiave
Epitassia e produzione di chip: il processo di produzione di Micro LED, dal wafer al chip, deve passare attraverso fasi quali epitassia, incisione a gradini, preparazione dello strato conduttivo e preparazione dell'elettrodo. Per quanto riguarda la tecnologia dell'epitassia e della struttura del chip, per i Micro LED più piccoli, l'industria attuale è principalmente interessata all'uniformità della lunghezza d'onda, al basso tasso di difetti epitassia e all'efficienza quantistica: (1) Dopo la miniaturizzazione del chip, ci sono elevati requisiti di coerenza della lunghezza d'onda epitassia e basso tasso di difetti, i LED tradizionali richiedono 6-12 nm, mentre il chip Micro LED deve essere ridotto a 2 nm; (2) Le dimensioni del chip stanno diventando sempre più piccole e la resa dei frammenti di taglio sta diminuendo; (3) L'efficienza del Micro LED aumenta con l'aumento della densità di corrente e diminuisce con l'aumento della densità di corrente dopo aver raggiunto il valore di picco. Con la diminuzione delle dimensioni del Micro LED, l'efficienza di picco si sposta verso un'elevata densità di corrente e continua a diminuire.
Trasferimento di grandi dimensioni: a causa della differenza nel processo di crescita dello strato luminoso del Micro LED e del substrato del driver, è difficile integrare la matrice di display e il dispositivo driver durante il processo di crescita, quindi è necessario trasferire i granuli del Micro LED realizzati alla scheda del circuito di pilotaggio, che è un processo di trasferimento di grandi dimensioni. Prendendo come esempio un televisore 4K, i granuli che devono essere trasferiti sono fino a 24 milioni (calcolati in 4.000 x 2.000 x RGB a tre colori), anche se un trasferimento di 10.000, deve essere ripetuto 2.400 volte, quindi un trasferimento di grandi dimensioni presenta tre problemi principali: (1) precisione di trasferimento: la precisione di spostamento del Micro LED sulla scheda del circuito di pilotaggio deve essere controllata entro ±0,5 μm e il dispositivo di trasferimento deve avere un'elevata precisione di allineamento e precisione del punto di caduta. (2) Efficienza di trasferimento: LED tradizionale 2 pezzi/secondo, Micro LED richiede 20.000 pezzi/secondo; (3) Resa di trasferimento: la tolleranza agli errori dei pixel nei prodotti di visualizzazione è molto bassa, se si desidera creare meno di 5 pixel del display a colori 1920*1080, la resa di trasferimento deve raggiungere il 99,9999%.
La tecnologia di trasferimento su larga scala include principalmente la forza molecolare (trasferimento di tenuta), il trasferimento elettrostatico e magnetico, il trasferimento laser, l'autoassemblaggio (tecnologia di assemblaggio di fluidi) e così via. Il trasferimento laser su larga scala può controllare le dimensioni di oggetti relativamente piccoli, ha una risposta rapida, un'elevata efficienza di trasferimento e un elevato grado di selettività. Il trasferimento laser diventerà la tecnologia principale per il trasferimento su larga scala. Attualmente, grazie al progresso della tecnologia e delle apparecchiature di trasferimento su larga scala a livello nazionale, i produttori di laser di grandi dimensioni (002008), di sistemi di intelligenza artificiale leader (300450), laser a stella Haimu e altre apparecchiature di trasferimento su larga scala sono stati spediti e consegnati con successo ai clienti, ma la produzione di massa su larga scala delle apparecchiature laser nazionali è ancora lontana.
Display a colori: ottenere la monocromia con i Micro LED è relativamente semplice, ma ottenere il colore completo è relativamente complesso: i tre colori RGB devono trasferire i tre grani di colore rosso, verde e blu. In quanto indice tecnico chiave della tecnologia Micro LED, la ricerca sulla tecnologia a colori dei Micro LED è diventata un punto caldo e difficile da raggiungere nello sviluppo della tecnologia Micro LED. I metodi di realizzazione della colorazione dei Micro LED includono principalmente il metodo LED RGB a tre colori, il metodo LED blu UV + mezzo luminescente e il metodo di sintesi delle lenti, tutti con le relative carenze. In confronto, in termini di flusso di processo e materiali, il metodo LED blu UV + mezzo luminescente è più semplice di altri schemi, utilizzando principalmente LED blu per sostituire la piastra di retroilluminazione, utilizzando una pellicola a punti quantici o fosforo come mezzo luminescente per sostituire i filtri RGB, per completare il display a colori.
Driver di visualizzazione: lo schema di progettazione del driver attivo rappresentato da CMOS e TFT è diventato il mainstream dello sviluppo della tecnologia Micro LED. Il Micro LED è un dispositivo di emissione luminosa azionato da corrente e la sua modalità di pilotaggio è generalmente suddivisa in pilotaggio passivo PM (matrice passiva) e pilotaggio attivo AM (matrice attiva). A causa delle seguenti caratteristiche del pilotaggio passivo: (1) non è adatto alla produzione su larga scala e non può soddisfare i requisiti del pilotaggio su schermi di grandi dimensioni; (2) le caratteristiche del pilotaggio a scansione a colonna, che causano una luce pixel a colonna non uniforme, con conseguente immagine e risoluzione limitate; (3) il passo dei pixel si sta gradualmente riducendo, la modalità di pilotaggio passivo delle schede PCB tradizionali non può soddisfare la richiesta di pilotaggio e presenta numerosi svantaggi nell'applicazione del Micro LED, pertanto lo schema di progettazione del pilotaggio attivo rappresentato da CMOS e TFT diventerà un buon compagno per lo sviluppo della tecnologia Micro LED. Ad esempio, nella tecnologia dei driver CMOS, al fine di superare la tecnologia del transfer bonding, l'industria attuale si concentra sull'esplorazione della tecnologia di bonding del circuito di pilotaggio Micro LED e CMOS.
