Popyt końcowy i polityka napędzają szybki rozwój branży mikrodiod LED
Mikro dioda LED Technologia wyświetlania to heksagonalny wojownik. Ponad 80% informacji dociera do ludzkiego oka, a coraz wyższe wymagania dotyczące jakości i kształtu wyświetlanego obrazu napędzają ciągły rozwój i iterację technologii wyświetlania. Technologia wyświetlania kolorów przeszła transformację w technologiach takich jak CRT od momentu jej rozwoju i jest obecnie zdominowana przez technologię LCD i OLED. Pod względem wydajności, Micro LED, jako technologia wyświetlania nowej generacji, w porównaniu z produkowanymi na dużą skalę technologiami LCD (wyświetlacze ciekłokrystaliczne) i OLED (wyświetlacze z organicznych diod elektroluminescencyjnych), oferuje znacznie lepszą wydajność w niemal każdym aspekcie technicznym: długą żywotność, wysoki kontrast, wysoką rozdzielczość, szybką reakcję, szerszy kąt widzenia i bogate kolory – to wszystko jest uważane za najlepsze rozwiązanie w technologii wyświetlania.
Po pierwsze, koszty i wydajność napędzają dalszy rozwój branży mikrodiod LED
Micro LED to nowa technologia miniaturyzacji i matrycowania diod LED, która polega na integracji mikro-matrycy diod LED o wysokiej gęstości na chipie. Technologia ta zapewnia samoczynne oświetlenie z jednego punktu poprzez miniaturyzację jednostki LED do poziomu poniżej 50 mikronów, czyli około 100 razy mniejszego niż w tradycyjnych diodach LED, a także zmniejsza odstęp pikseli z milimetra do mikrona. Zatem Micro LED to zasadniczo dioda LED o rozmiarze mikronów, a dioda elektroluminescencyjna LED to półprzewodnikowy element półprzewodnikowy, który może przekształcać energię elektryczną w światło widzialne.
Jeśli chodzi o koszty, 4-calowa płytka epitaksjalna szafirowa, pocięta na zwykłe chipy LED w ilości około 60 000 sztuk, pocięta na Mini dioda LED Chipów wyprodukowano około 600 000, a chipów Micro LED wycięto w ponad 2,4 miliona. W przypadku tego samego wafla liczba mikrodiod została znacznie zwiększona, a koszt pojedynczego chipa jest niższy, co jest jednym z powodów potencjału rozwoju mikrodiod z punktu widzenia kosztów.
Jeśli chodzi o wydajność, w porównaniu z technologią LCD i OLED, które były produkowane masowo, Micro LED ma znacznie lepsze zalety wydajnościowe w niemal każdym wymiarze technicznym, takie jak długa żywotność, wysoki kontrast, wysoka rozdzielczość, szybka reakcja, szerszy kąt widzenia, bogate kolory, ultrawysoka jasność i niższe zużycie energii. Wśród nich (1) cienka i lekka: rozmiar Micro LED wynosi około 1/100 rozmiaru tradycyjnej diody LED lub około 1/10 szerokości ludzkiego włosa; (2) Niskie zużycie energii: Micro LED wykorzystuje trzy podstawowe kolorowe subpiksele samoświecące struktury, proces wyświetlania LCD wymaga użycia podświetlenia do polaryzatora, a następnie do filtrowania kolorów, proces wyświetlania ma dużą stratę energii, w porównaniu z tymi dwoma, w zastosowaniu wyświetlacza, zużycie energii Micro LED wynosi około 10% zużycia energii LCD. Micro LED wykorzystuje materiały nieorganiczne do emisji światła, które ma wyższą wydajność świetlną, a OLED wykorzystuje materiały organiczne do emisji światła, a zużycie energii świetlnej obu jest niższe niż OLED. Dlatego przy wyświetlaniu tego samego obrazu, zużycie energii Micro LED jest niższe niż OLED i znacznie niższe niż LCD; (3) Wysoka jasność: Micro LED wykorzystuje nieorganiczny materiał azotku galu (GaN) w części świecącej, a jego jasność może teoretycznie osiągnąć 105 cd/m2, znacznie więcej niż 3000 cd/m2 LCD i 1500 cd/m2 OLED, a żywotność materiałów nieorganicznych jest dłuższa; (4) Wysoka rozdzielczość: w technologii wyświetlania Micro LED każda Micro LED jest pikselem, który może sam się zaświecić, a pojedyncza Micro LED ma rozmiar mikrona, więc może osiągnąć bardzo wysoką rozdzielczość. Gęstość pikseli wyświetlacza Micro LED może wynosić ponad 1500 PPI, podczas gdy PPI ekranu LCD i OLED wynosi około 800 PPI i 400 PPI.
Podsumowując, koszty i wydajność będą sprzyjać ciągłemu rozwojowi branży mikrodiod LED.
Po drugie, scenariusze zastosowań mikrodiod LED
Micro LED to najnowocześniejsza technologia wyświetlaczy przyszłości. Jeśli nie weźmiemy pod uwagę kosztów i dojrzałości procesu, a jedynie wydajności i wskaźników wyświetlacza, Micro LED to bez wątpienia najnowocześniejsza technologia wyświetlaczy. Wszystkie wskaźniki wydajności Micro LED przewyższają inne technologie wyświetlaczy. Pod względem scenariuszy zastosowań, Micro LED nadaje się do zastosowań w produktach o dowolnej wielkości. Z punktu widzenia wykonalności technicznej i ekonomicznej, Micro LED będzie pierwszym rozwiązaniem zastosowanym w małych wyświetlaczach poniżej 3 cali oraz dużych wyświetlaczach powyżej 100 cali.
Jeśli chodzi o małe wyświetlacze poniżej 3 cali, technologia Micro LED zepchnie rynek OLED. Wyświetlacze o małych rozmiarach są powszechne w terminalach mobilnych, a ponadto charakteryzują się wysokimi wymaganiami dotyczącymi poboru mocy. Dlatego OLED stał się główną technologią wyświetlaczy o małych rozmiarach, dzięki swoim zaletom niskiego poboru mocy i dobrej jakości obrazu. Jednak udział OLED w rynku w tym obszarze zostanie w przyszłości zniwelowany przez technologię Micro LED. Z jednej strony, Micro LED przewyższa OLED pod względem wszystkich wskaźników wydajności, takich jak efekt wyświetlania i pobór mocy. Z drugiej strony, ze względu na mały rozmiar ekranu i niewielką liczbę pikseli, koszt technologii Micro LED jest stosunkowo łatwy do kontrolowania. Z punktu widzenia obecnej technologii, Micro LED udało się zminiaturizować chipy, ale nadal istnieją pewne wąskie gardła w tym ogromnym transferze. Wydajność jest stosunkowo ograniczona. Obecnie różne firmy poszukują rozwiązań technicznych, które pozwalają na kontrolę kosztów.
Jeśli chodzi o wyświetlacze 3-99 cali, Micro LED ma trudności z szybkim odejściem od udziału w rynku LCD i OLED. Ze względu na bliską odległość oglądania, wyświetlacz ma wyższe wymagania co do rozmiaru chipa i odstępu między punktami, a jednocześnie rozmiar ekranu staje się większy, a całkowita liczba pikseli również wzrasta. Dlatego zastosowanie Micro LED w wyświetlaczach 3-99 cali znacznie zwiększyło trudności techniczne i koszty procesu, a dojrzałość technologii Micro LED w tym zakresie wymaga poprawy. A co najważniejsze, ten obszar rozmiarów, czy to mały rozmiar OLED, czy duży rozmiar LCD, jego przewaga kosztowa jest niezachwiana. W przyszłości, dzięki ciągłemu obniżaniu kosztów Micro LED i ciągłemu ulepszaniu technologii, różnica między kosztami i trudnością procesu Micro LED a LCD i OLED zostanie jeszcze bardziej zmniejszona.
W przypadku dużych wyświetlaczy o przekątnej powyżej 100 cali, technologia Micro LED ma przewagę. Na rynku wyświetlaczy o przekątnej powyżej 100 cali, LCD będzie ograniczony wydajnością produkcji i wydajnością cięcia paneli wielkoformatowych, a OLED będzie trudny do obniżenia kosztów ze względu na proces parowania po zakończeniu produkcji, co przekłada się na niższą wydajność. W przeszłości, efekt wyświetlania był bardziej powszechny – projektory i ekrany LCD z funkcją łączenia zajmowały dominującą pozycję na rynku wyświetlaczy o przekątnej powyżej 100 cali. Jednak wraz ze znacznym spadkiem kosztów technologii Micro LED, przyspieszy to wypieranie tradycyjnych produktów wyświetlaczy, takich jak projektory i LCD z funkcją łączenia, oferując wiele zalet, takich jak łączenie pełnoekranowe, bogate kolory i wysoka jasność.
Wielkość rynku mikrodiod LED
Obecnie chipy Micro LED są produkowane w takich obszarach jak okulary i telewizory, ale większość produktów jest wciąż w fazie koncepcyjnej ze względu na ograniczenia cenowe i nie osiągnęła jeszcze promocji rynkowej na dużą skalę. W przyszłości, wraz z przełomem i stopniową dojrzałością kluczowej technologii Micro LED, koszty komercjalizacji i industrializacji zostaną znacznie zmniejszone, a wydajność chipów ulegnie dalszej poprawie. Oczekuje się, że Micro LED obejmie prowadzenie w zastosowaniach scenariuszy wyświetlania dużych i małych rozmiarów. Z punktu widzenia dostaw, według danych prognoz Omdia, na które wpływ ma popyt na rynku inteligentnych zegarków i telewizorów z wyższej półki, globalne dostawy wyświetlaczy Micro LED wzrosną z nieznacznego poziomu w 2020 r. do ponad 16 milionów sztuk w 2027 r., a potencjał popytu rynkowego jest duży. Z punktu widzenia wielkości rynku, według prognozy Jibang Consulting, w scenariuszu zastosowań mikrowyświetlaczy oczekuje się, że w 2026 r. wartość wyjściowa chipów wyświetlaczy Micro LED do okularów AR wyniesie aż 41 milionów dolarów amerykańskich; W przypadku wyświetlaczy wielkogabarytowych wartość produkcyjna dużych wyświetlaczy Micro LED osiągnie 54 miliony dolarów w 2022 r. i według przewidywań wzrośnie do 4,5 miliarda dolarów w 2026 r. przy średniorocznej stopie wzrostu wynoszącej 204%. Istnieje zatem duże pole do wzrostu rynku.
Po czwarte, popyt końcowy i polityka napędzają szybki rozwój branży
(1) Zmiany w popycie końcowym są głównymi czynnikami napędzającymi rozwój branży
Od 2009 roku branża chipów LED przeszła trzy cykle, napędzane przez nowe zapotrzebowanie na produkty LED. Pierwszy etap przypada na okres przed 2013 rokiem, kiedy to głównym popytem na diody LED napędzał rozwój branży LED. Drugi etap przypada na lata 2013-2014. W 2013 roku Unia Europejska całkowicie zakazała stosowania białych lamp tkanych, co spowodowało wzrost popytu na profesjonalne oświetlenie LED i oświetlenie krajobrazu oraz wzrost eksportu diod LED z obszarów przybrzeżnych, co napędzało rozwój branży LED. Trzeci etap przypada na lata 2015-2020, kiedy nastąpił gwałtowny rozwój diod LED o małym rozstawie pikseli, a także duża liczba zamienników wyświetlaczy LCD i DLP, szeroko stosowanych w rządowych centrach dowodzenia, systemach bezpieczeństwa, kontroli chorób, biznesie, nocnych podróżach i innych dziedzinach, co napędzało rozwój branży. Czwarty etap przypada na lata 2020, kiedy popyt na wyświetlacze LED o wysokiej rozdzielczości i niskim zużyciu energii stopniowo zwiększył wskaźnik penetracji mikrodiod LED. Jako najnowocześniejsza technologia wyświetlania, charakteryzująca się redukcją kosztów i postępem technologicznym, Micro LED przyspieszy proces industrializacji Micro LED, zapewniając lepszą wydajność, taką jak długa żywotność, wysoki kontrast, wysoka rozdzielczość, bogate kolory, bardzo wysoka jasność i niższe zużycie energii. Oczekuje się, że dzięki temu branża ponownie wejdzie w cykl wzrostowy.
(2) Silne wsparcie ze strony polityk krajowych będzie motorem rozwoju branży
Jako kolejna generacja nowej technologii wyświetlania, Micro LED przyciągnęło wiele uwagi. W ostatnich latach państwo wprowadziło szereg polityk wspierających, takich jak „14. Plan Pięcioletni” z 2021 r., który jasno stwierdza, że półprzewodniki trzeciej generacji są ważnym elementem, a projekt obejmuje kluczowe technologie, takie jak nowe pojazdy energetyczne, aplikacje Big Data, komunikacja 5G i wyświetlacze Micro LED. Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych oraz pięć innych departamentów opublikowało „Plan działań na rzecz integracji rozwoju rzeczywistości wirtualnej i zastosowań przemysłowych (2022–2026)”, który skupi się na promowaniu technologii Micro LED i innych ulepszeń technologii mikrowyświetlaczy; Ministerstwo Przemysłu i Ministerstwo Finansów opublikowały „Plan działań na rzecz stabilnego wzrostu przemysłu elektronicznego przetwarzania informacji na lata 2023–2024”, w którym zaproponowano dynamiczny rozwój technologii Mini LED, Micro LED i innych. Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych oraz siedem innych departamentów wspólnie wydało „Opinie wdrożeniowe dotyczące promowania przyszłych innowacji i rozwoju przemysłowego”, w których zaproponowano przełom w technologiach mikrodiod LED, laserowych, druku i innych wyświetlaczy oraz ich zastosowanie na szeroką skalę. Opublikowanie i wdrożenie powyższych polityk i przepisów świadczy o pozytywnym nastawieniu i silnej determinacji chińskiego rządu w rozwoju branży mikrodiod LED, co stwarza lepsze warunki rozwoju dla tego sektora. Oczekuje się, że mikrodiody LED skorzystają ze wsparcia politycznego państwa i zapoczątkują szybki rozwój.
Pięć, rozwój przemysłu mikrodiod LED
(1) Stan rozwoju przemysłu
Proces produkcji diod Micro LED jest podobny do konwencjonalnych etapów technicznych, obejmujących głównie wytwarzanie płytek epitaksjalnych LED, produkcję chipów Micro LED, produkcję płyty montażowej sterownika (sterownika TFT lub sterownika Micro IC) oraz transfer dużych czterech części. Najpierw projektowana jest struktura diody LED w postaci cienkiej warstwy, Micro-Array, a następnie Micro LED jest przenoszony na płytkę drukowaną z wykorzystaniem zaawansowanych technologii. Podłoże może być twarde, miękkie, przezroczyste lub nieprzezroczyste. Dzięki procesowi fizycznego osadzania w celu wykonania warstwy ochronnej i górnej elektrody, górne podłoże może zostać zamknięte, co pozwala na stworzenie prostego wyświetlacza Micro LED. Jednak ze względu na miniaturyzację chipa, technologia produkcji Micro LED wprowadziła nowe wskaźniki techniczne i wymagania dla każdego ogniwa istniejącego łańcucha przemysłowego, w tym potrzeby badawczo-rozwojowe kluczowych technologii w różnych dziedzinach, takich jak materiały, procesy i sprzęt. Technologia każdego ogniwa przemysłowego nie może być rozwijana niezależnie, ponieważ jest to bardzo złożony system techniczny. Konieczna jest ścisła współpraca z urządzeniami nadrzędnymi i podrzędnymi łańcucha przemysłowego, takimi jak panele, chipy, transfery masowe i układy scalone sterowników. Obecnie cztery najważniejsze technologie: epitaksja i produkcja układów scalonych, transfer masowy, wyświetlacze pełnokolorowe i sterowanie wyświetlaczami wciąż czekają na udoskonalenie.
(2) Przegląd globalnej innowacji technologicznej
Z perspektywy historii rozwoju technologii Micro LED, dwóch profesorów z Texas Tech University objęło inicjatywę, proponując koncepcję Micro LED w 2000 roku, a obecnie technologia ta wkroczyła w okres globalnej innowacyjności technologicznej. Od 2017 roku aktywność innowacyjna technologii Micro LED znacznie wzrosła i obecnie znajduje się ona w okresie dynamicznego rozwoju. Obecnie Micro LED posiada globalną rezerwę patentową wynoszącą ponad 40 000, z czego ponad 13 000 to patenty ważne, a suma współczynników weryfikacji i ważności wynosi blisko 80%, co wskazuje na wysokie potencjalne bariery patentowe w tej dziedzinie. Z perspektywy bardziej aktywnego obszaru innowacji w technologii Micro LED, najbardziej aktywnym obszarem innowacji technologicznych są Chiny, Stany Zjednoczone i Korea Południowa, a region układu patentowego pokazuje, że najbardziej aktywnym rynkiem są Chiny i Stany Zjednoczone. Z perspektywy głównych podmiotów innowacyjnych na świecie i w Chinach, globalni liderzy innowacji w Chinach, Korei Południowej i Stanach Zjednoczonych mają większą przewagę, głównie w przedsiębiorstwach produkujących panele wyświetlaczy i fotoelektryki. Wśród 15 największych przedsiębiorstw świata, ponad połowę stanowiły przedsiębiorstwa chińskie, a BOE i Huaxing Optoelectronics znalazły się w pierwszej piątce. Oprócz wiodących przedsiębiorstw chińskich, południowokoreańskie firmy Samsung i LG zajmują czołowe miejsca w rankingu patentów. W zestawieniu rozkładu liczby patentów według rodzaju instytucji badawczo-rozwojowych, najwięcej, bo aż 29%, zajmują startupy. Z punktu widzenia typów patentów, liczba patentów rozkłada się na cztery kluczowe technologie: epitaksję i strukturę chipów, transfer masywnego, wyświetlacze pełnokolorowe i sterowniki wyświetlaczy.
(3) Rozwój czterech kluczowych technologii
Epitaksja i produkcja chipów: Proces produkcji Micro LED, od płytki do chipa, musi przejść przez etapy takie jak epitaksja - trawienie krokowe - przygotowanie warstwy przewodzącej - przygotowanie elektrody. W kierunku technologii epitaksji i struktury chipów, w przypadku mniejszych Micro LED, obecny przemysł koncentruje się głównie na jednorodności długości fali, niskim poziomie defektów epitaksjalnych i problemach wydajności kwantowej: (1) Po miniaturyzacji chipa występują wysokie wymagania dotyczące spójności długości fali epitaksjalnej i niskiego wskaźnika defektów, tradycyjna dioda LED wymaga 6-12 nm, chip Micro LED musi zostać zredukowany do 2 nm; (2) Rozmiar chipa jest coraz mniejszy, a wydajność fragmentów tnących maleje; (3) Wydajność Micro LED będzie rosła wraz ze wzrostem gęstości prądu i spadała wraz ze wzrostem gęstości prądu po osiągnięciu wartości szczytowej. Wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru Micro LED, szczytowa wydajność przesuwa się w kierunku wysokiej gęstości prądu, a szczytowa wydajność nadal spada.
Duży transfer: Ze względu na różnicę w procesie wzrostu warstwy świetlnej Micro LED i podłoża sterownika, trudno jest zintegrować matrycę wyświetlacza i urządzenie sterownika poprzez proces wzrostu, więc konieczne jest przeniesienie wytworzonych ziaren Micro LED na płytkę drukowaną napędu, co jest dużym procesem transferu. Biorąc za przykład telewizor 4K, ziarna, które należy przenieść, to aż 24 miliony (obliczone w 4000 x 2000 x RGB trzy kolory), nawet jeśli transfer wynosi 10 000, musi zostać powtórzony 2400 razy, więc ogromny transfer napotyka trzy główne problemy: (1) dokładność transferu: Dokładność przenoszenia Micro LED na płytkę drukowaną napędu musi być kontrolowana w zakresie ±0,5 μm, a urządzenie transferowe musi mieć wysoką dokładność wyrównania i dokładność punktu zrzutu. (2) Wydajność transferu: tradycyjna dioda LED 2 sztuki/sekundę, Micro LED wymaga 20 000 sztuk/sekundę; (3) Wydajność transferu: Tolerancja błędów pikseli w produktach wyświetlających jest bardzo niska. Jeśli chcesz uzyskać wyświetlacz pełnokolorowy 1920*1080 o liczbie pikseli mniejszej niż 5, wydajność transferu musi wynosić 99,9999%.
Technologia transferu dużych cząstek obejmuje głównie siły molekularne (transfer uszczelnień), transfer elektrostatyczny, transfer magnetyczny, transfer laserowy, samoorganizację (technologia montażu płynnego) i tak dalej. Transfer laserowy dużych cząstek pozwala kontrolować rozmiar stosunkowo małych cząstek, charakteryzuje się szybką reakcją, wysoką wydajnością transferu i wysokim stopniem selektywności. Transfer laserowy stanie się wkrótce główną technologią transferu dużych cząstek. Obecnie krajowy postęp w technologii i sprzęcie do transferu dużych cząstek, producenci dużych laserów (002008), wiodących technologii (300450), laserów Haimu Star i innych urządzeń do transferu dużych cząstek, z powodzeniem dostarczają je klientom, jednak krajowy sprzęt laserowy do masowej produkcji jest wciąż daleko.
Pełnokolorowy wyświetlacz: Mikro LED, aby osiągnąć monochromatyczność, jest stosunkowo proste, ale uzyskanie pełnego koloru jest stosunkowo złożone, trzy kolory RGB muszą przenieść trzy ziarna kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego. Jako kluczowy wskaźnik techniczny technologii Micro LED, badania nad technologią pełnokolorową Micro LED stały się gorącym punktem badań i trudnością w rozwoju technologii Micro LED. Metody realizacji koloryzacji Micro LED obejmują głównie metodę trójkolorowych diod LED RGB, metodę luminescencyjnego medium UV blue LED+ oraz metodę syntezy soczewek, z których wszystkie mają odpowiednie wady. Dla porównania, pod względem przepływu procesu i materiałów, metoda UV blue LED+ medium emitującego światło jest prostsza niż inne schematy, głównie wykorzystując niebieskie diody LED do zastąpienia płytki podświetlającej, wykorzystując film kropek kwantowych lub luminofor jako medium emitujące światło do zastąpienia filtrów RGB, aby ukończyć pełnokolorowy wyświetlacz.
Sterownik wyświetlacza: Schemat projektu aktywnego sterownika reprezentowany przez CMOS i TFT stał się głównym nurtem rozwoju technologii mikrodiod LED. Mikrodiody LED to zasilane prądem urządzenie emitujące światło, a jego tryb sterowania jest ogólnie podzielony na pasywny napęd PM (Passive Matrix) i aktywny napęd AM (Active Matrix). Ze względu na pasywny napęd: (1) nie sprzyja on produkcji wielkopowierzchniowej i nie spełnia wymagań sterowania dużymi ekranami; (2) Charakterystyka sterowania skanującego kolumny, łatwe wytwarzanie nierównomiernego oświetlenia pikseli w kolumnach, co ogranicza obraz i rozdzielczość wyświetlania; (3) Stopień piksela stopniowo się zmniejsza, pasywny tryb sterowania tradycyjnej płytki PCB nie spełnia wymagań sterowania i ma wiele wad w zastosowaniu mikrodiod LED, dlatego aktywny schemat projektu sterowania reprezentowany przez CMOS i TFT stanie się dobrym towarzyszem rozwoju technologii mikrodiod LED. Na przykład w technologii sterowników CMOS, aby przełamać technologię łączenia transferowego, obecny przemysł koncentruje się na badaniu technologii łączenia mikrodiod LED i obwodów sterownika CMOS.
