A demanda do mercado consumidor e as políticas vigentes impulsionam o rápido desenvolvimento da indústria de micro LEDs.
Micro LED A tecnologia de displays é como um guerreiro hexagonal. Mais de 80% das informações que o ser humano recebe são obtidas através da visão, e as crescentes exigências humanas por qualidade e nitidez de imagem impulsionam o desenvolvimento e aprimoramento contínuos dessa tecnologia. A tecnologia de displays coloridos passou por transições tecnológicas, como a dos monitores CRT, desde o seu desenvolvimento, e atualmente é dominada pelas tecnologias LCD e OLED. Em termos de desempenho, o Micro LED, como tecnologia de display de próxima geração, comparado à produção em larga escala das tecnologias LCD (display de cristal líquido) e OLED (display de diodo emissor de luz orgânico), apresenta vantagens muito superiores em praticamente todas as dimensões técnicas: longa vida útil, alto contraste, alta resolução, resposta rápida, ângulo de visão mais amplo e cores vibrantes, sendo considerado a solução definitiva em tecnologia de displays.
Em primeiro lugar, o custo e o desempenho impulsionam o desenvolvimento contínuo da indústria de micro LEDs.
O Micro LED é uma nova tecnologia de miniaturização e matriz de LEDs, que consiste na integração de uma matriz de LEDs de alta densidade em microescala em um chip. Essa tecnologia permite a autoiluminação com acionamento de um único ponto, miniaturizando a unidade de LED para um nível inferior a 50 micrômetros, o que é cerca de 100 vezes menor que os LEDs tradicionais e reduz o espaçamento entre pixels de milímetros para micrômetros. Portanto, o Micro LED é essencialmente um LED em escala micrométrica, e o diodo emissor de luz (LED) é um dispositivo semicondutor de estado sólido capaz de converter energia elétrica em luz visível.
Em termos de custo, uma folha epitaxial de safira de 4 polegadas, cortada em cerca de 60.000 chips de LED comuns, é cortada em Mini LED Aproximadamente 600.000 chips foram produzidos, enquanto mais de 2,4 milhões de chips Micro LED foram cortados. No mesmo wafer, o número de Micro LEDs aumentou significativamente, e o custo de um único chip diminuiu, o que também contribui para o potencial de desenvolvimento do Micro LED do ponto de vista de custo.
Em termos de desempenho, comparado com as tecnologias LCD e OLED, já amplamente produzidas, o Micro LED apresenta vantagens muito superiores em praticamente todas as dimensões técnicas, como longa vida útil, alto contraste, alta resolução, resposta rápida, ângulo de visão mais amplo, cores vibrantes, brilho altíssimo e menor consumo de energia. Entre elas, destacam-se: (1) espessura e leveza: o tamanho do Micro LED é cerca de 1/100 do tamanho de um LED tradicional, ou cerca de 1/10 da espessura de um fio de cabelo humano; (2) baixo consumo de energia: o Micro LED utiliza uma estrutura autoluminescente de subpixels com três cores primárias, enquanto o processo de exibição do LCD requer a aplicação de luz de fundo, polarização e filtragem de cores, o que resulta em grande perda de energia. Em comparação, o consumo de energia do Micro LED em aplicações de exibição é cerca de 10% do consumo do LCD. O Micro LED utiliza materiais inorgânicos para emitir luz, o que lhe confere maior eficiência luminosa, enquanto o OLED utiliza materiais orgânicos, e o consumo de energia luminosa de ambos é menor que o do OLED. Portanto, na exibição da mesma imagem, o consumo de energia do Micro LED é menor que o do OLED e muito menor que o do LCD; (3) Alto brilho: o Micro LED utiliza nitreto de gálio (GaN), um material inorgânico na parte luminosa, e seu brilho pode teoricamente atingir 105 cd/m², muito superior aos 3.000 cd/m² do LCD e aos 1.500 cd/m² do OLED, além de a vida útil dos materiais inorgânicos ser mais longa; (4) Alta resolução: na tecnologia de tela Micro LED, cada Micro LED é um pixel que pode emitir luz própria, e um único Micro LED está na escala micrométrica, permitindo alcançar uma resolução muito alta. A densidade de pixels da tela Micro LED pode ser superior a 1.500 PPI, enquanto a densidade de pixels das telas LCD e OLED é de cerca de 800 PPI e 400 PPI, respectivamente.
Em resumo, custo e desempenho impulsionarão o desenvolvimento contínuo da indústria de Micro LEDs.
Em segundo lugar, cenários de aplicação de Micro LEDs.
Micro LED é a tecnologia de tela definitiva do futuro. Se desconsiderarmos o custo e a maturidade do processo, e analisarmos apenas o desempenho e os indicadores da tela, o Micro LED é, sem dúvida, a tecnologia de tela definitiva. Todos os indicadores de desempenho do Micro LED superam os de outras tecnologias de tela. Em termos de cenários de aplicação, o Micro LED é adequado para produtos de todos os tamanhos. Do ponto de vista da viabilidade técnica e econômica, o Micro LED será o primeiro a ser aplicado em telas de pequeno porte, abaixo de 3 polegadas, e em telas de grande porte, acima de 100 polegadas.
Em termos de telas pequenas com menos de 3 polegadas, o Micro LED irá impactar o mercado do OLED. Telas pequenas exigem alta qualidade de imagem devido à curta distância de visualização, sendo comuns em dispositivos móveis e com alto consumo de energia. Portanto, o OLED se tornou a tecnologia dominante para telas pequenas, com suas vantagens de baixo consumo de energia e boa qualidade de imagem, mas sua participação de mercado nesse segmento será reduzida pelo Micro LED no futuro. Por um lado, o Micro LED é superior ao OLED em todos os indicadores de desempenho, como qualidade de imagem e consumo de energia; por outro lado, devido ao tamanho reduzido da tela e ao pequeno número de pixels, o custo do Micro LED também é relativamente mais controlável. Do ponto de vista tecnológico atual, o Micro LED alcançou a miniaturização do chip, mas ainda enfrenta alguns gargalos na transferência para larga escala, com rendimento relativamente limitado. Atualmente, diversas empresas estão explorando soluções de aprimoramento técnico com base em custos controláveis.
Em termos de telas de 3 a 99 polegadas, o Micro LED tem dificuldade em conquistar a participação de mercado do LCD e do OLED em um curto período. Devido à curta distância de visualização, a tela exige maior tamanho e espaçamento entre os chips, enquanto o tamanho da tela aumenta e o número total de pixels também. Consequentemente, a aplicação do Micro LED em telas de 3 a 99 polegadas elevou significativamente a complexidade técnica e o custo do processo, sendo necessário aprimorar a maturidade da tecnologia Micro LED nessa faixa de tamanho. O ponto mais crítico é que, nesse segmento, tanto para OLEDs de pequeno porte quanto para LCDs de grande porte, suas vantagens de custo permanecem inabaláveis. No futuro, com a contínua redução do custo do Micro LED e o constante aprimoramento da tecnologia, a diferença entre o custo e a complexidade do processo do Micro LED em comparação com o LCD e o OLED deverá diminuir ainda mais.
Em termos de telas grandes com mais de 100 polegadas, o Micro LED leva vantagem. No mercado de telas acima de 100 polegadas, o LCD é limitado pelo rendimento de produção e pela eficiência de corte de painéis de grande porte, e o OLED também apresenta dificuldades para reduzir custos devido ao processo de evaporação após a fabricação em grandes formatos, resultando em menor rendimento. Por isso, no passado, projetores e telas de LCD com emenda ocupavam uma posição dominante no mercado de telas acima de 100 polegadas. No entanto, com a queda significativa no custo do Micro LED, a substituição de produtos tradicionais como projetores e telas de LCD com emenda será acelerada, oferecendo diversas vantagens como telas inteiras, cores vibrantes e alto brilho.
Tamanho do mercado da indústria de três micro LEDs
Atualmente, os chips Micro LED já foram comercializados em dispositivos como óculos e TVs, mas a maioria dos produtos ainda está em fase conceitual devido a restrições de preço e ainda não alcançou uma promoção em larga escala no mercado. No futuro, com o avanço e o amadurecimento gradual da tecnologia Micro LED, o custo de comercialização e industrialização será significativamente reduzido e o rendimento dos chips será ainda maior. Espera-se que o Micro LED assuma a liderança na aplicação em cenários de telas de grande e pequeno porte. Do ponto de vista das remessas, de acordo com os dados de previsão da Omdia, impulsionadas pela demanda do mercado de smartwatches e TVs de alta qualidade, as remessas globais de displays Micro LED saltarão de um nível insignificante em 2020 para mais de 16 milhões de unidades em 2027, e o potencial de demanda do mercado é enorme. Em relação ao tamanho do mercado, de acordo com a previsão da Jibang Consulting, no cenário de aplicação de microdisplays, espera-se que, em 2026, o valor de produção de chips de display Micro LED para óculos de realidade aumentada atinja US$ 41 milhões. No cenário de telas de grande formato, o valor de produção dos chips Micro LED para telas grandes atingirá US$ 54 milhões em 2022 e deverá subir para US$ 4,5 bilhões em 2026, com uma taxa de crescimento anual composta de 204%, havendo, portanto, muito espaço para crescimento do mercado.
Em quarto lugar, a demanda do mercado consumidor e as políticas públicas impulsionam o rápido desenvolvimento do setor.
(1) As alterações na procura terminal são os principais fatores que impulsionam o desenvolvimento da indústria.
Desde 2009, a indústria de chips de LED passou por três ciclos, todos impulsionados pela nova demanda por produtos de LED. O primeiro estágio, anterior a 2013, teve como principais demandas a TV de tela plana e a retroiluminação de celulares, impulsionando o desenvolvimento da indústria. O segundo estágio, de 2013 a 2014, viu a União Europeia proibir completamente as luzes brancas translúcidas, aumentando a demanda por iluminação profissional e paisagística em LED, além de impulsionar as exportações de LED para áreas costeiras. O terceiro estágio, de 2015 a 2020, foi marcado pelo rápido desenvolvimento de LEDs de passo reduzido, que substituíram em grande número os LCDs e DLPs, sendo amplamente utilizados em centros de comando governamentais, segurança, controle de doenças, comércio, viagens noturnas e outras áreas, impulsionando o desenvolvimento da indústria. O quarto estágio, após 2020, viu a demanda da indústria por displays de LED de alta definição e baixo consumo de energia aumentar gradualmente, resultando em uma maior penetração do Micro LED no mercado. Como a tecnologia de exibição definitiva, com redução de custos e progresso tecnológico, o Micro LED acelerará o processo de industrialização do Micro LED com desempenho superior, como longa vida útil, alto contraste, alta resolução, cores ricas, brilho ultra-alto e menor consumo de energia, e espera-se que impulsione o setor para um novo ciclo de crescimento.
(2) O forte apoio das políticas nacionais impulsionará o desenvolvimento da indústria.
Como a próxima geração de novas tecnologias de exibição, o Micro LED tem atraído muita atenção. Nos últimos anos, o governo promulgou uma série de políticas de apoio, como o "14º Plano Quinquenal" de 2021, que declara claramente que os semicondutores de terceira geração são um conteúdo importante, e o projeto abrange tecnologias-chave como veículos de nova energia, aplicações de big data, comunicações 5G e displays Micro LED. O Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação e outros cinco departamentos emitiram o "Plano de Ação para o Desenvolvimento da Integração de Realidade Virtual e Aplicações Industriais (2022-2026)", que se concentrará na promoção do Micro LED e de outras atualizações da tecnologia de microdisplays; o Ministério da Indústria e o Ministério das Finanças emitiram o "Plano de Ação para o Crescimento Estável da Indústria de Manufatura de Informação Eletrônica 2023-2024", propondo o desenvolvimento vigoroso de tecnologias como Mini LED, Micro LED e outras; O Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação e outros sete departamentos emitiram conjuntamente as "Diretrizes de Implementação para a Promoção da Inovação e Desenvolvimento Industrial Futuro", que propõem o avanço das tecnologias de Micro LED, laser, impressão e outras tecnologias de exibição, visando sua aplicação em larga escala. A publicação e implementação dessas políticas e regulamentações demonstram a atitude positiva e a firme determinação do governo chinês em desenvolver a indústria de Micro LED, proporcionando um ambiente mais favorável para o seu desenvolvimento. Espera-se que o setor de Micro LED se beneficie do apoio político do Estado e apresente um rápido crescimento.
Cinco, o desenvolvimento da indústria de Micro LEDs
(1) Situação do desenvolvimento da indústria
O processo de fabricação de Micro LEDs é semelhante às etapas técnicas convencionais, incluindo principalmente o crescimento epitaxial do wafer de LED, a produção do chip Micro LED, a produção do backplane do driver (driver TFT ou driver Micro IC) e a transferência em larga escala em quatro etapas. Primeiramente, o projeto da estrutura do LED é feito em filme fino, micro LED e matriz. Em seguida, o Micro LED é transferido para a placa de circuito impresso utilizando uma tecnologia complexa, com substratos que podem ser rígidos, flexíveis, transparentes ou opacos. Através do processo de deposição física, a camada protetora e o eletrodo superior são depositados, e o substrato superior é encapsulado, resultando em um display Micro LED simples. No entanto, devido à miniaturização do chip, a tecnologia de fabricação de Micro LEDs impôs novos indicadores e requisitos técnicos para cada elo da cadeia industrial existente, incluindo a necessidade de pesquisa e desenvolvimento de tecnologias-chave em diversas áreas, como materiais, processos e equipamentos. A tecnologia de cada elo industrial não pode ser desenvolvida de forma independente, constituindo um sistema técnico muito complexo. É necessária uma estreita cooperação com os elos a montante e a jusante da cadeia industrial, como painéis, chips, transferências em larga escala e circuitos integrados de driver. Atualmente, as quatro tecnologias-chave de epitaxia e fabricação de chips, transferência em massa, exibição em cores plenas e acionamento de telas ainda precisam ser superadas.
(2) Visão geral da inovação tecnológica global
Do ponto de vista da história do desenvolvimento do Micro LED, dois professores da Texas Tech University lideraram a proposta do conceito em 2000, e agora ele entrou em um período de grande inovação tecnológica global. Desde 2017, a atividade de inovação na tecnologia Micro LED aumentou significativamente, e atualmente vive um período de crescimento exponencial. Atualmente, o Micro LED possui uma reserva global de mais de 40.000 patentes, das quais mais de 13.000 são patentes válidas, e a soma da taxa de exame e validade se aproxima de 80%, indicando que as potenciais barreiras de patenteamento nessa área são elevadas. Considerando as áreas mais ativas de inovação em tecnologia Micro LED, observa-se que a China, os Estados Unidos e a Coreia do Sul são os principais polos de inovação, e a distribuição geográfica das patentes demonstra que os mercados mais ativos estão na China e nos Estados Unidos. Em relação às principais entidades de inovação no mundo e na China, as principais entidades de inovação globais estão localizadas na China, Coreia do Sul e Estados Unidos, principalmente nos setores de painéis de exibição e fotovoltaicos. Entre as 15 maiores empresas do mundo, as empresas chinesas representam mais da metade, com a BOE e a Huaxing Optoelectronics figurando entre as 5 maiores. Além das líderes chinesas, as sul-coreanas Samsung e LG também estão entre as maiores detentoras de patentes do mundo. Em relação à distribuição do número de patentes por tipo de instituição de P&D, as startups representam a maior parcela, atingindo 29%. Quanto aos tipos de patentes, o número se concentra em quatro tecnologias principais: epitaxia e estrutura de chips, transferência em massa, displays coloridos e drivers de display.
(3) O desenvolvimento de quatro tecnologias-chave
Epitaxia e fabricação de chips: O processo de fabricação de Micro LEDs, do wafer ao chip, passa por etapas como epitaxia, gravação em etapas, preparação da camada condutora e preparação do eletrodo. Na área de epitaxia e tecnologia de estrutura de chips, para Micro LEDs menores, a indústria atual se preocupa principalmente com a uniformidade do comprimento de onda, baixa taxa de defeitos na epitaxia e eficiência quântica: (1) Após a miniaturização do chip, há altas exigências quanto à consistência do comprimento de onda na epitaxia e baixa taxa de defeitos. Enquanto os LEDs tradicionais exigem 6-12 nm, os chips de Micro LED precisam ser reduzidos para 2 nm; (2) O tamanho do chip está ficando cada vez menor, e o rendimento de fragmentos cortados está diminuindo; (3) A eficiência do Micro LED aumenta com o aumento da densidade de corrente e diminui com o aumento da densidade de corrente após atingir o valor máximo. À medida que o tamanho do Micro LED diminui, o pico de eficiência se desloca para densidades de corrente mais altas e continua a diminuir.
Transferência em grande escala: Devido à diferença no processo de crescimento da camada luminosa do Micro LED e do substrato do driver, é difícil integrar a matriz de exibição e o dispositivo de driver durante o processo de crescimento. Portanto, é necessário transferir os grãos de Micro LED fabricados para a placa de circuito de acionamento, o que representa um processo de transferência em grande escala. Tomando como exemplo uma TV 4K, o número de grãos a serem transferidos chega a 24 milhões (calculado em 4.000 x 2.000 x RGB, três cores). Mesmo que a transferência seja de 10.000 grãos, ela precisa ser repetida 2.400 vezes. Assim, a transferência em grande escala enfrenta três problemas principais: (1) Precisão da transferência: A precisão da transferência do Micro LED para a placa de circuito de acionamento deve ser controlada dentro de ±0,5 μm, e o dispositivo de transferência deve ter alta precisão de alinhamento e precisão de ponto de inserção. (2) Eficiência da transferência: LEDs tradicionais transferem 2 peças/segundo, enquanto o Micro LED requer 20.000 peças/segundo; (3) Rendimento de transferência: Os produtos de exibição para tolerância a erros de pixel são muito baixos, se você quiser criar menos de 5 pixels de uma tela colorida de 1920*1080, o rendimento de transferência deve atingir 99,9999%.
A tecnologia de transferência em larga escala inclui principalmente força molecular (transferência por selagem), eletrostática, transferência magnética, transferência a laser, automontagem (tecnologia de montagem fluida) e outras. A transferência a laser em larga escala permite o controle de dimensões relativamente pequenas, possui resposta rápida, alta eficiência de transferência e alto grau de seletividade, tornando-se a principal tecnologia para esse fim. Atualmente, a tecnologia e os equipamentos de transferência em larga escala no mercado nacional estão em desenvolvimento. Fabricantes como o Laser de Grande Porte (002008), a Leading Intelligence (300450) e o Haimu Star Laser já entregaram com sucesso seus equipamentos a clientes, mas a produção em massa de equipamentos a laser em larga escala no mercado nacional ainda está longe de ser alcançada.
Exibição em cores plenas: A tecnologia Micro LED para obter imagens monocromáticas é relativamente simples, mas para obter cores plenas é relativamente complexo. O sistema RGB de três cores requer a conversão dos sinais vermelho, verde e azul. Como principal indicador técnico da tecnologia Micro LED, a pesquisa sobre a tecnologia de cores plenas em Micro LED tornou-se um ponto focal e um desafio no desenvolvimento dessa tecnologia. Os métodos de implementação da coloração em Micro LED incluem principalmente o método de LED RGB de três cores, o método de LED azul UV + meio luminescente e o método de síntese por lente, cada um com suas respectivas desvantagens. Em comparação, em termos de fluxo de processo e materiais, o método de LED azul UV + meio emissor de luz é mais simples do que os outros, utilizando principalmente LEDs azuis para substituir a placa de retroiluminação e filmes de pontos quânticos ou fósforo como meio emissor de luz para substituir os filtros RGB, a fim de obter uma exibição em cores plenas.
Driver de display: O esquema de projeto de driver ativo, representado por CMOS e TFT, tornou-se a principal tecnologia de desenvolvimento de Micro LEDs. O Micro LED é um dispositivo emissor de luz acionado por corrente, e seu modo de acionamento é geralmente dividido em acionamento passivo PM (Matriz Passiva) e acionamento ativo AM (Matriz Ativa). Devido ao acionamento passivo: (1) não ser adequado para produção em larga escala, não atendendo aos requisitos de acionamento para telas grandes; (2) apresentar características de varredura de coluna, podendo gerar iluminação irregular entre os pixels, resultando em imagens e resolução limitadas; (3) com a redução gradual do espaçamento entre pixels, o modo de acionamento passivo das placas de circuito impresso tradicionais não atende às demandas de acionamento e apresenta muitas desvantagens na aplicação de Micro LEDs. Portanto, o esquema de projeto de acionamento ativo, representado por CMOS e TFT, torna-se uma excelente alternativa para o desenvolvimento da tecnologia Micro LED. Por exemplo, na tecnologia de driver CMOS, buscando superar a tecnologia de transferência por ligação, a indústria atual concentra-se na exploração da tecnologia de ligação entre o circuito driver CMOS e o Micro LED.
