Спрос на терминалы и проводимая политика стимулируют стремительное развитие индустрии микросветодиодов.
Микросветодиод Технология отображения — это шестиугольный воин. Более 80% информации человек получает через глаза, и растущие требования человека к качеству и форме изображения на дисплее стимулируют непрерывное развитие и совершенствование технологий отображения. Технология цветных дисплеев с момента своего появления претерпела переход от таких технологий, как ЭЛТ, и в настоящее время доминируют технологии LCD и OLED. С точки зрения производительности, Micro LED, как технология отображения следующего поколения, по сравнению с крупномасштабным производством технологий LCD (жидкокристаллические дисплеи) и OLED (органические светодиодные дисплеи), обладает значительными преимуществами практически по всем техническим параметрам: длительный срок службы, высокая контрастность, возможность достижения высокого разрешения, быстрое время отклика, эффект более широкого угла обзора, насыщенность цветов, что делает её идеальным решением в области технологий отображения.
Во-первых, стоимость и производительность являются движущими силами дальнейшего развития индустрии микросветодиодов.
Micro LED — это новая технология миниатюризации и матричного светодиодного освещения, подразумевающая интеграцию массива микроразмерных светодиодов высокой плотности на одном чипе. Технология обеспечивает самозажигание с одноточечным управлением за счет миниатюризации светодиодного блока до уровня менее 50 микрон, что примерно в 100 раз меньше, чем у традиционных светодиодов, и уменьшает шаг пикселя с миллиметра до микрона. Таким образом, Micro LED по сути является светодиодом микронного уровня, а светодиод — это твердотельный полупроводниковый прибор, способный преобразовывать электрическую энергию в видимый свет.
С точки зрения стоимости, из 4-дюймового сапфирового эпитаксиального листа, нарезанного на примерно 60 000 обычных светодиодных чипов, можно получить... Мини-светодиод Количество чипов Micro LED составляет около 600 000, а количество чипов Micro LED — более 2,4 миллиона. На одной и той же кремниевой пластине количество чипов Micro LED значительно увеличилось, а стоимость одного чипа снизилась, что также является одной из причин потенциала развития Micro LED с точки зрения стоимости.
С точки зрения производительности, по сравнению с серийно выпускаемыми технологиями LCD и OLED, Micro LED обладает значительными преимуществами практически по всем техническим параметрам, таким как длительный срок службы, высокая контрастность, высокое разрешение, быстрая реакция, более широкий угол обзора, насыщенные цвета, сверхвысокая яркость и низкое энергопотребление. Среди них: (1) тонкость и легкость: размер Micro LED составляет примерно 1/100 от размера традиционного светодиода или примерно 1/10 ширины человеческого волоса; (2) низкое энергопотребление: Micro LED использует самосветящуюся структуру с субпикселями трех основных цветов, в то время как в процессе отображения на LCD используется подсветка через поляризатор, а затем через цветовой фильтр, что приводит к значительным потерям энергии. По сравнению с OLED, в приложениях для отображения энергопотребление Micro LED составляет около 10% от энергопотребления LCD. Micro LED использует неорганические материалы для излучения света, что обеспечивает более высокую светоотдачу, в то время как OLED использует органические материалы для излучения света, и светоотдача обоих устройств ниже, чем у OLED. Таким образом, при отображении одного и того же изображения энергопотребление Micro LED ниже, чем у OLED, и значительно ниже, чем у LCD; (3) Высокая яркость: в светящейся части Micro LED используется неорганический материал нитрида галлия (GaN), и его яркость теоретически может достигать 105 кд/м2, что значительно выше, чем 3000 кд/м2 у LCD и 1500 кд/м2 у OLED, а срок службы неорганических материалов дольше; (4) Высокое разрешение: в технологии Micro LED каждый Micro LED представляет собой пиксель, способный к самосвечению, и отдельный Micro LED имеет микронный уровень, что позволяет достичь очень высокого разрешения. Плотность пикселей дисплея Micro LED может превышать 1500 PPI, в то время как PPI экранов LCD и OLED составляет около 800 PPI и 400 PPI соответственно.
В заключение можно сказать, что соотношение цены и производительности будет способствовать дальнейшему развитию индустрии микросветодиодов.
Во-вторых, сценарии применения микросветодиодов.
Micro LED — это передовая технология отображения будущего. Если не учитывать стоимость и зрелость технологического процесса, а смотреть только на характеристики и показатели дисплея, то Micro LED, несомненно, является передовой технологией отображения, поскольку по всем параметрам она превосходит другие технологии. С точки зрения сценариев применения, Micro LED подходит для продукции любых размеров. С точки зрения технической осуществимости и экономической целесообразности, Micro LED станет первой технологией, которая будет применяться для дисплеев малого размера (менее 3 дюймов) и больших дисплеев (более 100 дюймов).
В сегменте дисплеев малого размера (менее 3 дюймов) технология Micro LED вытеснит OLED с рынка. Малый размер дисплеев обусловлен очень малым расстоянием просмотра, высокими требованиями к качеству изображения, а также распространенностью таких дисплеев в мобильных устройствах и высокими требованиями к энергопотреблению. Поэтому OLED стала основной технологией для дисплеев малого размера благодаря своим преимуществам — низкому энергопотреблению и хорошему качеству изображения. Однако в будущем Micro LED будет сокращать рыночную долю OLED в этой области. С одной стороны, Micro LED превосходит OLED по всем показателям производительности, таким как качество изображения и энергопотребление; с другой стороны, благодаря малому размеру экрана и малому общему количеству пикселей, стоимость Micro LED также относительно контролируема. С точки зрения современных технологий, Micro LED удалось добиться миниатюризации чипов, но все еще существуют некоторые узкие места в больших объемах производства, а выход годных изделий относительно ограничен. В настоящее время различные компании ищут решения для улучшения технологий на основе контролируемых затрат.
Что касается дисплеев размером от 3 до 99 дюймов, Micro LED вряд ли сможет в короткие сроки вытеснить с рынка LCD и OLED. Из-за малого расстояния просмотра к размерам и шагу пикселей дисплея предъявляются более высокие требования, а размер экрана увеличивается, и общее количество пикселей также возрастает. Поэтому применение Micro LED в дисплеях размером от 3 до 99 дюймов значительно усложняет и увеличивает стоимость процесса, и зрелость технологии Micro LED в этом диапазоне нуждается в улучшении. Наиболее важным является то, что в этом диапазоне размеров, будь то малогабаритные OLED или крупногабаритные LCD, преимущества в стоимости остаются неоспоримыми. В будущем, с непрерывным снижением стоимости Micro LED и постоянным совершенствованием технологии, разрыв между стоимостью и сложностью процесса Micro LED и LCD и OLED будет еще больше сокращаться.
Что касается больших дисплеев с диагональю более 100 дюймов, Micro LED имеет преимущество. На рынке дисплеев с диагональю более 100 дюймов возможности LCD ограничены производительностью и эффективностью резки панелей большого размера, а OLED также с трудом поддается снижению стоимости из-за процесса напыления после изготовления больших панелей и низкого выхода годной продукции. Поэтому в прошлом доминирующее положение на рынке дисплеев с диагональю более 100 дюймов занимали в основном проекторы и ЖК-экраны, полученные методом склейки. Однако со значительным снижением стоимости Micro LED произойдет ускоренная замена традиционных дисплейных продуктов, таких как проекторы и ЖК-экраны, обладающие множеством преимуществ, таких как полноэкранная склейка, насыщенная цветопередача и высокая яркость.
Размер рынка трех микросветодиодной индустрии
В настоящее время чипы Micro LED используются в таких областях, как дисплеи, например, в очках и телевизорах, но большинство продуктов все еще находятся на стадии концепции из-за ценовых ограничений и еще не получили широкого распространения на рынке. В будущем, с прорывом и постепенным совершенствованием ключевой технологии Micro LED, значительное снижение затрат на коммерциализацию и производство, а также дальнейшее повышение выхода годных чипов, ожидается, что Micro LED займет лидирующие позиции в сценариях применения дисплеев больших и малых размеров. С точки зрения поставок, согласно прогнозам Omdia, под влиянием спроса на умные часы и телевизоры высокого класса, мировые поставки дисплеев Micro LED вырастут с незначительного уровня в 2020 году до более чем 16 миллионов штук в 2027 году, и потенциал рыночного спроса велик. Что касается размера рынка, согласно прогнозу Jibang Consulting, в сценарии применения микродисплеев ожидается, что к 2026 году стоимость производства чипов Micro LED для AR-очков достигнет 41 миллиона долларов США. В сегменте дисплеев больших размеров объем производства микросветодиодных чипов для больших экранов достигнет 54 миллионов долларов в 2022 году и, как ожидается, вырастет до 4,5 миллиардов долларов к 2026 году, при среднегодовом темпе роста в 204%, что свидетельствует о значительном потенциале для дальнейшего роста рынка.
В-четвертых, быстрый рост отрасли обусловлен конечным спросом и государственной политикой.
(1) Изменения конечного спроса являются основными факторами, определяющими развитие отрасли.
С 2009 года индустрия светодиодных чипов прошла три цикла, каждый из которых был обусловлен новым спросом на светодиодную продукцию. Первый этап – до 2013 года, когда основной спрос на светодиоды был сосредоточен на плоских телевизорах и подсветке мобильных телефонов, что стимулировало развитие светодиодной индустрии; второй этап – с 2013 по 2014 год, когда Европейский союз полностью запретил белые тканые светильники, вырос спрос на профессиональное светодиодное освещение и ландшафтное освещение, увеличился экспорт светодиодов для прибрежных районов, что также способствовало развитию светодиодной индустрии; третий этап – с 2015 по 2020 год, когда произошло быстрое развитие светодиодов с малым шагом пикселя, большое количество которых заменило ЖК- и DLP-дисплеи, широко используемые в правительственных центрах управления, системах безопасности, борьбе с болезнями, бизнесе, ночных путешествиях и других областях, что также стимулировало развитие отрасли; четвертый этап – после 2020 года, когда спрос в индустрии светодиодных дисплеев на дисплеи высокой четкости и с низким энергопотреблением постепенно увеличил долю Micro LED. Будучи передовой технологией отображения, отличающейся снижением стоимости и технологическим прогрессом, Micro LED ускорит процесс индустриализации, предлагая превосходные характеристики, такие как длительный срок службы, высокая контрастность, высокое разрешение, насыщенная цветопередача, сверхвысокая яркость и низкое энергопотребление, и, как ожидается, даст толчок развитию отрасли.
(2) Активная поддержка со стороны национальной политики будет способствовать развитию отрасли.
Технология Micro LED, как следующее поколение дисплеев, привлекает к себе большое внимание. В последние годы государство приняло ряд мер поддержки, таких как «14-й пятилетний план» 2021 года, в котором четко указано, что полупроводники третьего поколения являются важным компонентом, а проект охватывает ключевые технологии, такие как электромобили, приложения для обработки больших данных, связь 5G и дисплеи Micro LED. Министерство промышленности и информационных технологий и еще пять ведомств выпустили «План действий по интеграции виртуальной реальности и отраслевых приложений (2022-2026)», который будет направлен на продвижение Micro LED и других технологий микродисплеев; Министерство промышленности и Министерство финансов выпустили «План действий по стабильному росту электронной информационной промышленности на 2023-2024 годы», предлагающий активно развивать технологии Mini LED, Micro LED и другие. Министерство промышленности и информационных технологий и семь других ведомств совместно выпустили «Рекомендации по содействию развитию и внедрению инноваций в промышленности будущего», в которых предлагается совершить прорыв в области микросветодиодов, лазерных технологий, печати и других технологий отображения информации и добиться их широкомасштабного применения. Выпуск и реализация вышеупомянутых политик и нормативных актов демонстрируют позитивное отношение и твердую решимость китайского правительства развивать индустрию микросветодиодов, что создает благоприятные условия для ее развития. Ожидается, что микросветодиоды получат выгоду от государственной поддержки и будут способствовать их быстрому развитию.
Пять, развитие индустрии микросветодиодов
(1) Состояние развития отрасли
Процесс производства Micro LED аналогичен традиционным техническим этапам и включает в себя, главным образом, выращивание эпитаксиальных пластин светодиодов, производство микросветодиодных чипов, производство подложек драйверов (драйверов TFT или микрочипов), а также крупномасштабную передачу четырех компонентов. Сначала разрабатывается структура светодиода в виде тонкой пленки, микрочипа или массива, а затем микросветодиод переносится на печатную плату с использованием крупномасштабной технологии, при этом подложка может быть твердой, мягкой, прозрачной или непрозрачной; с помощью процесса физического осаждения создается защитный слой и верхний электрод, после чего верхняя подложка может быть упакована, и таким образом можно создать простой микросветодиодный дисплей. Однако из-за миниатюризации чипов технология производства Micro LED предъявляет новые технические требования к каждому звену существующей производственной цепочки, включая потребности в исследованиях и разработках ключевых технологий в различных областях, таких как материалы, процессы и оборудование, и технология каждого звена не может быть разработана независимо, это очень сложная техническая система. Необходимо тесное сотрудничество с вышестоящими и нижестоящими звеньями производственной цепочки, такими как панели, чипы, крупномасштабная передача и микрочипы драйверов. В настоящее время четыре ключевые технологии — эпитаксия и производство микросхем, массовая передача данных, полноцветные дисплеи и управление дисплеями — все еще нуждаются в прорыве.
(2) Обзор глобальных технологических инноваций
С точки зрения истории развития технологии Micro LED, два профессора Техасского технологического университета в 2000 году первыми предложили концепцию Micro LED, и сейчас эта технология переживает период бурного развития в глобальном масштабе. С 2017 года инновационная активность в области технологии Micro LED значительно возросла и в настоящее время переживает период взрывного роста. В настоящее время Micro LED имеет более 40 000 патентов в мире, из которых более 13 000 являются действующими, а суммарное соотношение экспертиз и действующих патентов составляет около 80%, что указывает на высокие потенциальные патентные барьеры в этой области. С точки зрения наиболее активных областей инноваций в технологии Micro LED, наиболее активные технологические инновации наблюдаются в Китае, США и Южной Корее, а география патентования показывает, что наиболее активный рынок находится в Китае и США. С точки зрения крупнейших инновационных компаний мира и Китая, ведущие мировые инновационные компании в Китае, Южной Корее и США обладают большими преимуществами, в основном в сфере производства дисплейных панелей и фотоэлектрических устройств. Среди 15 крупнейших мировых предприятий более половины приходится на китайские компании, BOE и Huaxing Optoelectronics входят в пятерку лучших в мире; помимо ведущих китайских предприятий, южнокорейские Samsung и LG занимают лидирующие позиции в мире по количеству патентов. По результатам распределения количества патентов по типам научно-исследовательских учреждений, наибольшую долю занимают стартапы, достигнув 29%. С точки зрения типов патентов, их количество распределено вокруг четырех ключевых технологий: эпитаксия и структура чипа, массовая передача данных, полноцветные дисплеи и драйверы дисплеев.
(3) Разработка четырех ключевых технологий
Эпитаксия и производство чипов: Процесс производства микросветодиодов от пластины до чипа включает в себя такие этапы, как эпитаксия, ступенчатое травление, подготовка проводящего слоя и подготовка электродов. В направлении технологии эпитаксии и структуры чипа, для более компактных микросветодиодов, современная промышленность в основном обеспокоена вопросами однородности длины волны, низкого уровня дефектов эпитаксии и квантовой эффективности: (1) После миниатюризации чипа предъявляются высокие требования к однородности длины волны эпитаксии и низкому уровню дефектов; для традиционных светодиодов требуется размер 6-12 нм, а для микросветодиодов необходимо уменьшить размер до 2 нм; (2) Размер чипа постоянно уменьшается, а выход фрагментов уменьшается; (3) Эффективность микросветодиодов увеличивается с увеличением плотности тока и уменьшается с увеличением плотности тока после достижения пикового значения. По мере уменьшения размера микросветодиода пиковая эффективность смещается в сторону высокой плотности тока, а затем продолжает снижаться.
Крупномасштабный перенос: Из-за различий в процессе роста светящегося слоя Micro LED и подложки драйвера, интеграция матрицы дисплея и устройства драйвера затруднена в процессе роста, поэтому необходимо переносить изготовленные зерна Micro LED на плату управления, что представляет собой крупномасштабный процесс переноса. В качестве примера возьмем 4K-телевизор: количество зерен, которые необходимо перенести, достигает 24 миллионов (расчеты произведены на 4000 x 2000 x RGB три цвета), и даже при переносе 10 000 зерен необходимо повторить 2400 раз. Таким образом, крупномасштабный перенос сталкивается с тремя основными проблемами: (1) точность переноса: Точность перемещения Micro LED на плату управления должна контролироваться в пределах ±0,5 мкм, а устройство переноса должно обладать высокой точностью выравнивания и точностью точки установки. (2) Эффективность переноса: для традиционных светодиодов требуется 2 штуки в секунду, для Micro LED — 20 000 штук в секунду; (3) Выход годных изделий: Допустимая погрешность пикселей у дисплейных продуктов очень низкая. Если вы хотите создать полноцветный дисплей 1920*1080 с разрешением менее 5 пикселей, выход годных изделий должен достигать 99,9999%.
Технология крупномасштабной передачи включает в себя в основном молекулярные силы (герметичная передача), электростатическую, магнитную передачу, лазерную передачу, самосборку (технология жидкостной сборки) и т. д. Лазерная крупномасштабная передача позволяет контролировать относительно небольшие размеры, обеспечивает быстрое реагирование, высокую эффективность передачи и обладает высокой степенью селективности, поэтому лазерная передача в будущем станет основной технологией крупномасштабной передачи. В настоящее время в стране достигнут прогресс в области технологий и оборудования для крупномасштабной передачи, производители крупномасштабных лазеров (002008), ведущих интеллектуальных лазеров (300450), лазеров Haimu Star и другого оборудования успешно отгружены и поставлены заказчикам, однако до массового производства отечественного лазерного оборудования еще далеко.
Полноцветный дисплей: для создания монохромного изображения с помощью Micro LED это относительно просто, но для достижения полноцветного изображения это гораздо сложнее, поскольку для трехцветного RGB-дисплея необходимо преобразовать трехцветные зерна красного, зеленого и синего цветов. Как ключевой технический показатель технологии Micro LED, исследование полноцветной технологии Micro LED стало актуальной и сложной задачей в развитии этой технологии. Основные методы реализации цветного изображения с помощью Micro LED включают в себя метод трехцветных RGB-светодиодов, метод УФ-синих светодиодов с люминесцентной средой и метод синтеза линз, каждый из которых имеет свои недостатки. В сравнении с другими методами, метод УФ-синих светодиодов с люминесцентной средой проще, поскольку в основном используется синий светодиод вместо подсветки, а в качестве люминесцентной среды вместо RGB-фильтров используется пленка с квантовыми точками или люминофор, что позволяет получить полноцветное изображение.
Драйвер дисплея: Схема активного драйвера, представленная CMOS и TFT, стала основным направлением развития технологии Micro LED. Micro LED — это светоизлучающее устройство, управляемое током, и его режимы управления обычно делятся на пассивный режим PM (Passive Matrix) и активный режим AM (Active Matrix). Из-за пассивного управления: (1) оно не подходит для производства больших площадей и не может удовлетворить требованиям управления большими экранами; (2) характеристики управления с построчным сканированием, легко приводят к неравномерному освещению пикселей, что ограничивает изображение и разрешение; (3) шаг пикселей постепенно уменьшается, пассивный режим управления на традиционных печатных платах не может удовлетворить требованиям управления и имеет множество недостатков в применении Micro LED. Поэтому схема активного управления, представленная CMOS и TFT, станет хорошим дополнением к развитию технологии Micro LED. Например, в технологии драйверов CMOS, чтобы преодолеть технологию трансферного соединения, современная индустрия сосредоточена на исследовании технологии соединения схем драйверов Micro LED и CMOS.
