De vraag vanuit de eindgebruikers en het beleid stimuleren de snelle ontwikkeling van de micro-LED-industrie.
Micro-LED De displaytechnologie is een ware krachtpatser. Meer dan 80% van de informatie die mensen via hun ogen binnenkrijgen, en de steeds hogere eisen die mensen stellen aan de beeldkwaliteit en -vormgeving van displays, stimuleren de continue ontwikkeling en verbetering van displaytechnologie. Kleurendisplaytechnologie heeft sinds haar ontwikkeling verschillende overgangstechnologieën doorgemaakt, zoals CRT, en wordt momenteel gedomineerd door LCD- en OLED-technologie. Qua prestaties heeft MicroLED, als de volgende generatie displaytechnologie, in vergelijking met de grootschalige productie van LCD- (liquid crystal display) en OLED-technologie (organic light-emitting diode display) een aanzienlijk prestatievoordeel op bijna elk technisch vlak: een lange levensduur, hoog contrast, hoge resolutie, snelle respons, een brede kijkhoek en rijke kleuren. Het wordt beschouwd als de ultieme oplossing voor displaytechnologie.
Ten eerste zijn kosten en prestaties de drijvende krachten achter de voortdurende ontwikkeling van de Micro LED-industrie.
Micro-LED is een nieuwe technologie voor LED-miniaturisatie en -matrixering, die verwijst naar de integratie van een micro-LED-array met hoge dichtheid op een chip. De technologie maakt zelfverlichting met één aansturing mogelijk door de LED-eenheid te miniaturiseren tot een formaat van minder dan 50 micron, wat ongeveer 100 keer kleiner is dan traditionele LED's en de pixelafstand verkleint van millimeter naar micron. Daarom is een Micro-LED in wezen een LED op micronniveau, en de LED-lichtemitterende diode is een halfgeleidercomponent die elektrische energie kan omzetten in zichtbaar licht.
Qua kosten: een epitaxiale saffieren plaat van 4 inch, gesneden in ongeveer 60.000 gewone LED-chips, is vergelijkbaar met een gewone LED-chip. Mini-LED Waar traditionele chips ongeveer 600.000 chips bevatten, zijn er meer dan 2,4 miljoen micro-LED-chips beschikbaar. Op dezelfde wafer is het aantal micro-LED's aanzienlijk toegenomen, terwijl de kosten per chip lager zijn. Dit is mede de reden voor het ontwikkelingspotentieel van micro-LED's vanuit kostenoogpunt.
Qua prestaties heeft Micro LED, vergeleken met de massaal geproduceerde LCD- en OLED-technologie, op bijna elk technisch vlak aanzienlijke voordelen, zoals een lange levensduur, hoog contrast, hoge resolutie, snelle respons, een bredere kijkhoek, rijke kleuren, ultrahoge helderheid en een lager energieverbruik. Enkele belangrijke voordelen zijn: (1) dun en licht: de afmetingen van een Micro LED zijn ongeveer 1/100 van die van een traditionele LED, ofwel ongeveer 1/10 van de breedte van een mensenhaar; (2) laag energieverbruik: Micro LED maakt gebruik van een zelflichtende structuur met subpixels in drie primaire kleuren. Het LCD-schermproces vereist achtergrondverlichting, polarisatie en vervolgens een kleurenfilter, wat leidt tot veel energieverlies. In vergelijking met LCD is het energieverbruik van Micro LED bij beeldschermtoepassingen slechts ongeveer 10% van dat van LCD. Micro LED gebruikt anorganische materialen voor de lichtuitstraling, wat resulteert in een hogere lichtopbrengst. OLED gebruikt organische materialen voor de lichtuitstraling, en het energieverbruik van beide is lager dan dat van OLED. Daarom is het stroomverbruik van Micro LED bij het weergeven van dezelfde afbeelding lager dan dat van OLED en veel lager dan dat van LCD; (3) Hoge helderheid: de Micro LED gebruikt galliumnitride (GaN), een anorganisch materiaal, in het lichtgevende deel en de helderheid kan theoretisch 105 cd/m² bereiken, veel hoger dan de 3000 cd/m² van LCD en 1500 cd/m² van OLED, en de levensduur van anorganische materialen is langer; (4) Hoge resolutie: bij de Micro LED-displaytechnologie is elke Micro LED een pixel die zelf kan oplichten en een enkele Micro LED bevindt zich op micronniveau, waardoor een zeer hoge resolutie kan worden bereikt. De pixeldichtheid van een Micro LED-display kan meer dan 1500 PPI bedragen, terwijl de PPI van LCD- en OLED-schermen respectievelijk ongeveer 800 PPI en 400 PPI is.
Samenvattend zullen kosten en prestaties de voortdurende ontwikkeling van de micro-LED-industrie bevorderen.
Ten tweede, toepassingsscenario's voor micro-LED's.
Micro-LED is de ultieme displaytechnologie van de toekomst. Als je de kosten en de volwassenheid van het productieproces even buiten beschouwing laat en alleen kijkt naar de prestaties en indicatoren, dan is Micro-LED ongetwijfeld de beste displaytechnologie. Alle prestatie-indicatoren van Micro-LED zijn beter dan die van andere displaytechnologieën. Qua toepassingsmogelijkheden is Micro-LED geschikt voor producten van alle formaten. Vanuit technisch en economisch oogpunt zal Micro-LED als eerste worden toegepast in kleine displays van minder dan 3 inch en grote displays van meer dan 100 inch.
Wat betreft kleine schermformaten onder de 3 inch, zal Micro LED de OLED-markt verdringen. Kleine schermen hebben een zeer korte kijkafstand, stellen hoge eisen aan de beeldkwaliteit en worden veel gebruikt in mobiele apparaten. Bovendien stellen ze hoge eisen aan het energieverbruik. Daarom is OLED, met zijn voordelen van een laag energieverbruik en een goede beeldkwaliteit, de gangbare technologie geworden voor kleine schermen. Het marktaandeel van OLED in dit segment zal echter in de toekomst worden uitgehold door Micro LED. Enerzijds is Micro LED superieur aan OLED op alle prestatie-indicatoren, zoals beeldkwaliteit en energieverbruik. Anderzijds zijn de kosten van Micro LED, vanwege het kleine schermformaat en het lage aantal pixels, relatief beheersbaar. Vanuit technologisch oogpunt is miniaturisatie van de chip met Micro LED al bereikt, maar er zijn nog steeds knelpunten bij grootschalige productie. De opbrengst is relatief beperkt. Momenteel onderzoeken diverse bedrijven technische verbeteringen om de kosten beheersbaar te houden.
Wat betreft schermen van 3 tot 99 inch, zal Micro LED het marktaandeel van LCD en OLED niet snel kunnen overnemen. Door de korte kijkafstand stelt Micro LED hogere eisen aan de chipgrootte en pixelafstand. Tegelijkertijd neemt het aantal pixels toe naarmate het scherm groter wordt. De toepassing van Micro LED in schermen van 3 tot 99 inch verhoogt daardoor de technische complexiteit en de productiekosten aanzienlijk. De technologische volwassenheid van Micro LED in dit segment moet nog verbeterd worden. Het meest cruciale punt is dat de kostenvoordelen van zowel kleine OLED- als grote LCD-schermen in dit formaatsegment onwrikbaar zijn. In de toekomst zal, met de voortdurende daling van de kosten van Micro LED en de voortdurende verbetering van de technologie, het verschil in kosten en productiecomplexiteit tussen Micro LED, LCD en OLED verder afnemen.
Wat betreft grote schermen van meer dan 100 inch, heeft Micro LED een voordeel. Op de markt voor schermen van meer dan 100 inch wordt LCD beperkt door de productieopbrengst en de snij-efficiëntie van grote panelen. Ook bij OLED is het lastig om de kosten te verlagen vanwege het verdampingsproces na de productie van grote panelen, wat resulteert in een lagere opbrengst. Daarom domineerden projectoren en LCD-schermen in het verleden de markt voor schermen van meer dan 100 inch. Door de aanzienlijke kostendaling van Micro LED zal de vervanging van traditionele schermproducten zoals projectoren en LCD-schermen echter worden versneld. Micro LED biedt namelijk vele voordelen, zoals een volledig scherm, rijke kleuren en een hoge helderheid.
Marktgrootte van de Micro LED-industrie
Momenteel worden Micro LED-chips al toegepast in beeldschermen zoals brillen en televisies, maar de meeste producten bevinden zich nog in de conceptfase vanwege prijsbeperkingen en hebben nog geen grootschalige marktintroductie bereikt. In de toekomst, met de doorbraak en geleidelijke volwassenwording van de kerntechnologie van Micro LED, zullen de commercialiserings- en industrialiseringskosten aanzienlijk dalen en de chipopbrengst verder verbeteren. Naar verwachting zal Micro LED een leidende rol spelen in de toepassing van zowel grote als kleine beeldschermen. Wat de leveringen betreft, voorspelt Omdia dat de wereldwijde leveringen van Micro LED-displays, beïnvloed door de vraag vanuit de markt voor smartwatches en high-end televisies, zullen stijgen van een verwaarloosbaar niveau in 2020 tot meer dan 16 miljoen stuks in 2027. Het marktpotentieel is dus groot. Volgens de prognose van Jibang Consulting zal de marktwaarde van Micro LED AR-brildisplaychips in 2026 naar verwachting oplopen tot maar liefst 41 miljoen dollar. In het scenario voor grote beeldschermen zal de omzet van Micro LED-chips voor grote schermen in 2022 $54 miljoen bedragen en naar verwachting stijgen tot $4,5 miljard in 2026, met een samengestelde jaarlijkse groei van 204%. Er is dus nog veel ruimte voor marktgroei.
Ten vierde worden de snelle ontwikkeling van de industrie gedreven door de vraag vanuit de terminal en het beleid.
(1) Veranderingen in de vraag van de terminal zijn de belangrijkste factoren die de ontwikkeling van de industrie stimuleren.
Sinds 2009 heeft de LED-chipindustrie drie cycli doorlopen, alle gedreven door nieuwe vraag naar LED-producten. De eerste fase, vóór 2013, werd gekenmerkt door de vraag naar LED's voor flatscreen-tv's en achtergrondverlichting voor mobiele telefoons, wat de ontwikkeling van de LED-industrie stimuleerde. De tweede fase, van 2013 tot 2014, werd ingeluid door het volledige verbod van de Europese Unie op witte geweven lampen, waardoor de vraag naar professionele LED-verlichting en landschapsverlichting toenam en de export van LED's vanuit kustgebieden steeg. De derde fase, van 2015 tot 2020, werd gekenmerkt door de snelle ontwikkeling van LED's met een kleine pixelafstand, die op grote schaal LCD- en DLP-schermen vervingen en veelvuldig werden gebruikt in commandocentra, beveiliging, ziektebestrijding, het bedrijfsleven, nachtelijk reizen en andere sectoren. Dit stimuleerde de ontwikkeling van de industrie. De vierde fase, na 2020, werd gekenmerkt door de toenemende vraag van de LED-displayindustrie naar high-definition displays en een laag energieverbruik, wat leidde tot een geleidelijke toename van het penetratiepercentage van micro-LED's. Als de ultieme displaytechnologie zal Micro LED, met zijn lagere kosten en technologische vooruitgang, het industrialisatieproces versnellen dankzij superieure prestaties zoals een lange levensduur, hoog contrast, hoge resolutie, rijke kleuren, ultrahoge helderheid en lager energieverbruik. Naar verwachting zal dit de industrie opnieuw in een opwaartse cyclus brengen.
(2) Sterke steun vanuit het nationale beleid zal de ontwikkeling van de industrie stimuleren.
Micro-LED heeft als de volgende generatie nieuwe displaytechnologie veel aandacht getrokken. De afgelopen jaren heeft de overheid een aantal ondersteunende maatregelen genomen, zoals het "14e Vijfjarenplan" uit 2021, waarin duidelijk staat dat de derde generatie halfgeleiders een belangrijk onderdeel vormt. Het plan omvat sleuteltechnologieën zoals elektrische voertuigen, big data-toepassingen, 5G-communicatie en Micro-LED-displays. Het Ministerie van Industrie en Informatietechnologie en vijf andere ministeries hebben het "Actieplan voor de Integratie van Virtual Reality en Industriële Toepassingen (2022-2026)" uitgebracht, dat zich richt op de bevordering van de upgrades van Micro-LED en andere microdisplaytechnologieën. Het Ministerie van Industrie en het Ministerie van Financiën hebben het "Actieplan voor Stabiele Groei van de Elektronische Informatieproductie-industrie 2023-2024" uitgebracht, waarin wordt voorgesteld om Mini-LED, Micro-LED en andere technologieën krachtig te ontwikkelen. Het Ministerie van Industrie en Informatietechnologie en zeven andere departementen hebben gezamenlijk de "Implementatierichtlijnen voor het bevorderen van toekomstige industriële innovatie en ontwikkeling" uitgevaardigd. Deze richtlijnen beogen een doorbraak te bewerkstelligen in micro-LED-, laser-, print- en andere displaytechnologieën en deze op grote schaal toe te passen. De publicatie en implementatie van deze beleidsmaatregelen en regelgeving tonen de positieve houding en vastberadenheid van de Chinese overheid ten aanzien van de ontwikkeling van de micro-LED-industrie, wat een gunstiger ontwikkelingsklimaat creëert voor deze sector. Naar verwachting zal micro-LED profiteren van de overheidssteun en een snelle ontwikkeling doormaken.
Vijf, de ontwikkeling van de Micro LED-industrie
(1) Ontwikkelingsstatus van de industrie
Het productieproces van micro-LED's is vergelijkbaar met de conventionele technische stappen en omvat hoofdzakelijk vier onderdelen: epitaxiale groei van LED-wafers, productie van micro-LED-chips, productie van driver-backplanes (TFT-drivers of micro-IC-drivers) en massatransfer. Allereerst wordt de LED-structuur ontworpen (dunne film, micro of array), waarna de micro-LED met behulp van geavanceerde technologie op de printplaat wordt overgebracht. Het substraat kan hard, zacht, transparant of ondoorzichtig zijn. Door middel van fysische depositie worden de beschermlaag en de bovenste elektrode aangebracht, waarna het substraat wordt verpakt en een eenvoudig micro-LED-display kan worden gerealiseerd. Door de miniaturisatie van de chip heeft de micro-LED-productietechnologie echter nieuwe technische indicatoren en eisen gesteld aan elke schakel in de bestaande industriële keten. Dit omvat de behoefte aan onderzoek en ontwikkeling van sleuteltechnologieën op diverse gebieden, zoals materialen, processen en apparatuur. De technologie van elke industriële schakel kan niet onafhankelijk worden ontwikkeld; het is een zeer complex technisch systeem. Nauwe samenwerking met de upstream- en downstream-onderdelen van de industriële keten, zoals panelen, chips, massatransfers en driver-IC's, is noodzakelijk. Momenteel moeten de vier belangrijkste technologieën – epitaxie & chipfabricage, massaoverdracht, full-color displays en display-aansturing – nog worden doorbroken.
(2) Overzicht van wereldwijde technologische innovatie
Vanuit het perspectief van de ontwikkelingsgeschiedenis van Micro LED, namen twee professoren van Texas Tech University in 2000 het voortouw met het concept van Micro LED, en sindsdien bevindt de technologie zich in een periode van wereldwijde technologische innovatie. Sinds 2017 is de innovatieactiviteit op het gebied van Micro LED-technologie aanzienlijk toegenomen en bevindt deze zich momenteel in een periode van explosieve groei. Momenteel heeft Micro LED een wereldwijde patentreserve van meer dan 40.000, waarvan meer dan 13.000 geldige patenten zijn. Het percentage aanvragen dat is onderzocht en gevalideerd ligt rond de 80%, wat aangeeft dat de potentiële patentbarrières in dit veld hoog zijn. Wat betreft de meest actieve innovatiegebieden voor Micro LED-technologie, bevinden de meest actieve innovatie zich in China, de Verenigde Staten en Zuid-Korea, en de regionale verdeling van patenten laat zien dat de meest actieve markten zich in China en de Verenigde Staten bevinden. Vanuit het perspectief van de belangrijkste innovatiebedrijven wereldwijd en in China, hebben de wereldwijd toonaangevende innovatiebedrijven in China, Zuid-Korea en de Verenigde Staten een voorsprong, met name in de sectoren beeldschermen en foto-elektronica. Van de 15 grootste bedrijven ter wereld is meer dan de helft afkomstig uit China. BOE en Huaxing Optoelectronics behoren tot de top 5. Naast de toonaangevende Chinese bedrijven staan ook de Zuid-Koreaanse bedrijven Samsung en LG wereldwijd aan de top wat betreft patenten. Uit de verdeling van het aantal patenten naar type R&D-instelling blijkt dat startups het grootste aandeel hebben, namelijk 29%. Wat betreft de patenttypen is het aantal patenten geconcentreerd rond de vier belangrijkste technologieën: epitaxie en chipstructuur, massaoverdracht, full-color displays en displaydrivers.
(3) De ontwikkeling van vier sleuteltechnologieën
Epitaxie en chipfabricage: Het productieproces van micro-LED's, van wafer tot chip, omvat stappen zoals epitaxie, stapsgewijs etsen, voorbereiding van de geleidende laag en voorbereiding van de elektroden. Wat betreft epitaxie- en chipstructuurtechnologie richt de huidige industrie zich bij kleinere micro-LED's vooral op golflengteuniformiteit, een laag aantal epitaxiale defecten en kwantumrendement: (1) Na miniaturisatie van de chip zijn er hoge eisen aan de golflengteconsistentie en het lage defectpercentage van de epitaxie. Traditionele LED's vereisen een golflengte van 6-12 nm, terwijl micro-LED's een afmeting van slechts 2 nm nodig hebben; (2) De chipgrootte wordt steeds kleiner, waardoor de opbrengst van de snijfragmenten afneemt; (3) Het rendement van micro-LED's neemt toe met een hogere stroomdichtheid en neemt vervolgens weer af na het bereiken van de piekwaarde. Naarmate de micro-LED kleiner wordt, verschuift het piekrendement naar een hogere stroomdichtheid en blijft het piekrendement afnemen.
Grote overdracht: Door het verschil in het groeiproces van de lichtgevende laag van de Micro-LED en het substraat van de driver, is het moeilijk om de display-array en de driver via het groeiproces te integreren. Daarom is het noodzakelijk om de geproduceerde Micro-LED-chips over te brengen naar de printplaat, wat een groot overdrachtsproces is. Neem bijvoorbeeld een 4K-tv: er moeten maar liefst 24 miljoen chips worden overgebracht (berekend in 4000 x 2000 x RGB drie kleuren). Zelfs bij een overdracht van 10.000 chips moet dit 2400 keer worden herhaald. Deze enorme overdracht brengt dus drie belangrijke problemen met zich mee: (1) Nauwkeurigheid van de overdracht: De nauwkeurigheid van het overbrengen van de Micro-LED naar de printplaat moet binnen ±0,5 μm liggen, en het overdrachtsapparaat moet een hoge uitlijningsnauwkeurigheid en nauwkeurigheid van het afzetpunt hebben. (2) Overdrachtsefficiëntie: Traditionele LED's produceren 2 stuks per seconde, Micro-LED's vereisen 20.000 stuks per seconde; (3) Overdrachtsrendement: Bij beeldschermen is de tolerantie voor pixelfouten zeer laag. Als je een volledig kleurendisplay van 1920*1080 met minder dan 5 pixels wilt creëren, moet het overdrachtsrendement 99,9999% bereiken.
Grote transfertechnologieën omvatten hoofdzakelijk moleculaire kracht (seal transfer), elektrostatische en magnetische transfer, lasertransfer en zelfassemblage (fluid assembly technology). Lasertransfer maakt het mogelijk om relatief kleine deeltjesgroottes te beheersen, heeft een snelle respons, een hoge transferefficiëntie en een hoge mate van selectiviteit. Lasertransfer zal naar verwachting de belangrijkste technologie voor grote transfer worden. Momenteel is er in China vooruitgang geboekt op het gebied van grote transfertechnologie en -apparatuur. Fabrikanten van grote lasers (002008), leading intelligence (300450) en Haimu star lasers hebben al succesvolle producten geleverd aan klanten, maar grootschalige massaproductie van laserapparatuur in China is nog een lange weg te gaan.
Kleurendisplay: Het realiseren van monochrome weergave met Micro-LED's is relatief eenvoudig, maar het realiseren van volledige kleuren is relatief complex. De drie kleuren RGB vereisen de overdracht van rode, groene en blauwe kleurkorrels. Als belangrijke technische indicator van Micro-LED-technologie is onderzoek naar kleurendisplays met Micro-LED's een belangrijk onderzoeksthema en tevens een uitdaging in de ontwikkeling van deze technologie. De belangrijkste methoden voor het realiseren van kleurendisplays met Micro-LED's omvatten de RGB-LED-methode, de UV-blauwe LED + lichtgevende methode en de lenssynthesemethode, die elk hun eigen nadelen hebben. De UV-blauwe LED + lichtgevende methode is, qua procesverloop en materiaalgebruik, eenvoudiger dan de andere methoden. Hierbij wordt voornamelijk een blauwe LED gebruikt ter vervanging van de achtergrondverlichting en een quantumdotfilm of fosfor als lichtgevend medium ter vervanging van de RGB-filters, om zo een kleurendisplay te realiseren.
Displaydriver: Het actieve driverontwerp met CMOS en TFT is de standaard geworden voor de ontwikkeling van MicroLED-technologie. MicroLED is een stroomgestuurde lichtemitterende diode, waarvan de aansturingsmodus doorgaans wordt onderverdeeld in passieve PM-aansturing (Passive Matrix) en actieve AM-aansturing (Active Matrix). Passieve aansturing heeft de volgende nadelen: (1) het is niet geschikt voor grootschalige productie en voldoet niet aan de eisen voor grote schermen; (2) de kolomscan-aansturing kan leiden tot ongelijkmatige pixelverlichting, met als gevolg een beperkte beeldkwaliteit en resolutie; (3) de pixelafstand neemt geleidelijk af, waardoor de passieve aansturing van traditionele printplaten niet aan de aansturingseisen voldoet en veel nadelen kent bij de toepassing van MicroLED. Daarom is het actieve driverontwerp met CMOS en TFT een waardevolle aanvulling voor de ontwikkeling van MicroLED-technologie. Zo richt de industrie zich in de CMOS-drivertechnologie, om de transferbondingtechnologie te verbeteren, momenteel op het onderzoeken van bondingtechnologieën voor MicroLED en CMOS-drivercircuits.
