Dopyt po termináloch a politiky poháňajú rýchly rozvoj odvetvia mikro LED diód
Mikro LED je šesťuholníkový bojovník v oblasti zobrazovacej technológie. Viac ako 80 % informácií človek získava očami a vyššie ľudské požiadavky na kvalitu a tvar obrazu poháňajú neustály vývoj a iteráciu zobrazovacej technológie. Technológia farebných displejov prešla od svojho vývoja prechodnými technológiami, ako je CRT, a v súčasnosti jej dominujú LCD a OLED technológie. Pokiaľ ide o výkon, Micro LED ako zobrazovacia technológia novej generácie v porovnaní s veľkovýrobou LCD technológie (displej z tekutých kryštálov) a OLED technológie (displej z organických svetelných diód) má Micro LED veľmi lepšiu výkonnostnú výhodu takmer vo všetkých technických rozmeroch: dlhá životnosť, vysoký kontrast, vysoké rozlíšenie, rýchla odozva, širší pozorovací uhol, sýte farby a považuje sa za dokonalé riešenie v oblasti zobrazovacej technológie.
Po prvé, odvetvie mikro LED sa naďalej rozvíja z hľadiska nákladov a výkonu
Micro LED je nová technológia miniaturizácie a matice LED, ktorá sa vzťahuje na integráciu mikro LED poľa s vysokou hustotou na čipe. Technológia dosahuje samosvietenie v jednom bode miniaturizáciou LED jednotky na úroveň menšiu ako 50 mikrónov, čo je približne 100-krát menej ako u tradičných LED diód a znižuje rozstup pixelov z milimetra na mikrón. Preto je Micro LED v podstate LED dióda s mikronovou úrovňou a LED dióda je polovodičové zariadenie v pevnom skupenstve, ktoré dokáže premieňať elektrickú energiu na viditeľné svetlo.
Pokiaľ ide o cenu, 4-palcový zafírový epitaxný plech, narezaný na bežné LED čipy, stojí približne 60 000 kusov, narezaných na Mini LED čipov približne 600 000, čo znížilo počet mikro LED čipov na viac ako 2,4 milióna. V rovnakom waferi sa výrazne zvýšil počet mikro LED a cena jedného čipu je nižšia, čo je tiež jeden z dôvodov rozvojového potenciálu mikro LED z hľadiska nákladov.
Pokiaľ ide o výkon, v porovnaní s masovo vyrábanými LCD a OLED technológiami má Micro LED oveľa lepšie výhody takmer vo všetkých technických rozmeroch, ako je dlhá životnosť, vysoký kontrast, vysoké rozlíšenie, rýchla odozva, širší pozorovací uhol, sýte farby, ultra vysoký jas a nízka spotreba energie. Medzi ne patria: (1) tenký a ľahký: veľkosť Micro LED je približne 1/100 tradičnej LED, čo je približne 1/10 šírky ľudského vlasu; (2) nízka spotreba energie: Micro LED využíva trojfarebnú subpixelovú samosvietivú štruktúru. LCD displej vyžaduje podsvietenie ako polarizátor a následne farebný filter, čo má za následok veľké energetické straty. V porovnaní s týmito dvoma displejmi spotreba energie Micro LED predstavuje približne 10 % spotreby energie LCD displeja. Micro LED využíva na vyžarovanie svetla anorganické materiály, čo má vyššiu svetelnú účinnosť, zatiaľ čo OLED využíva organické materiály, čo má nižšiu svetelnú energiu ako OLED. Preto je pri zobrazení rovnakého obrazu spotreba energie Micro LED nižšia ako OLED a oveľa nižšia ako LCD; (3) Vysoký jas: Micro LED používa v svetelnej časti anorganický materiál nitrid gália (GaN) a jeho jas môže teoreticky dosiahnuť 105 cd/m2, čo je oveľa viac ako 3 000 cd/m2 LCD a 1 500 cd/m2 OLED, a životnosť anorganických materiálov je dlhšia; (4) Vysoké rozlíšenie: v rámci technológie Micro LED displeja je každá Micro LED pixel, ktorý sa dokáže samosvietiť, a jedna Micro LED je na mikrónovej úrovni, takže môže dosiahnuť veľmi vysoké rozlíšenie. Hustota pixelov Micro LED displeja môže byť viac ako 1 500 PPI, zatiaľ čo PPI LCD a OLED obrazoviek je približne 800 PPI a 400 PPI.
Stručne povedané, náklady a výkon podporia neustály rozvoj odvetvia mikro LED.
Po druhé, scenáre použitia mikro LED diód
Micro LED je dokonalá zobrazovacia technológia budúcnosti. Ak nezohľadňujeme náklady a vyspelosť procesu, ale pozrieme sa iba na výkon a indikátory displeja, Micro LED je nepochybne dokonalou zobrazovacou technológiou. Všetky indikátory výkonu Micro LED sú lepšie ako iné zobrazovacie technológie. Z hľadiska aplikačných scenárov je Micro LED vhodná pre všetky veľkosti produktových aplikácií. Z hľadiska technickej a ekonomickej uskutočniteľnosti sa Micro LED ako prvá použije na malé displeje pod 3 palce a veľké displeje nad 100 palcov.
Pokiaľ ide o malé displeje pod 3 palce, Micro LED naruší trh s OLED. Malé displeje majú vysoké požiadavky na efekt zobrazenia, pretože pozorovacia vzdialenosť je veľmi krátka a požiadavky na efekt zobrazenia sú vysoké. Malé displeje sú bežné v mobilných termináloch a majú aj vysoké požiadavky na spotrebu energie. Preto sa OLED stali hlavnou technológiou pre malé displeje s výhodami nízkej spotreby energie a dobrého efektu zobrazenia, ale podiel OLED na trhu v tejto oblasti bude v budúcnosti oslabený Micro LED. Na jednej strane je Micro LED lepší ako OLED vo všetkých ukazovateľoch výkonu displeja, ako je efekt zobrazenia a spotreba energie. Na druhej strane, vďaka malej veľkosti obrazovky a malému celkovému počtu pixelov sú náklady na Micro LED relatívne kontrolovateľné. Z hľadiska súčasnej technológie sa Micro LED podarilo dosiahnuť miniaturizáciu čipov, ale stále existujú určité úzke miesta v prenose veľkého množstva energie, výnos je relatívne obmedzený a v súčasnosti rôzne spoločnosti skúmajú riešenia technického vylepšenia založené na kontrolovateľných nákladoch.
Pokiaľ ide o displeje s uhlopriečkou 3 až 99 palcov, je ťažké v krátkom čase prekonať podiel Micro LED na trhu LCD a OLED. Vzhľadom na krátku pozorovaciu vzdialenosť má displej vyššie požiadavky na veľkosť čipu a rozteč, pričom veľkosť obrazovky sa zväčšuje a celkový počet pixelov sa tiež zvyšuje, takže použitie Micro LED na displejoch s uhlopriečkou 3 až 99 palcov výrazne zvyšuje technickú náročnosť a náklady na proces a je potrebné zlepšiť vyspelosť technológie Micro LED v tomto rozsahu. A najdôležitejšie je, že táto oblasť veľkostí, či už ide o malé OLED alebo veľké LCD, má neotrasiteľné cenové výhody. V budúcnosti sa s neustálym znižovaním nákladov na Micro LED a neustálym zlepšovaním technológie bude rozdiel medzi nákladmi a náročnosťou procesu Micro LED a LCD a OLED ešte viac zmenšovať.
Pokiaľ ide o veľké displeje s uhlopriečkou viac ako 100 palcov, má Micro LED výhodu. Na trhu s displejmi s uhlopriečkou viac ako 100 palcov bude LCD obmedzený výťažnosťou a účinnosťou rezania veľkých panelov a OLED je tiež ťažké dosiahnuť zníženie nákladov kvôli procesu odparovania po veľkom formáte, čo má nižší výťažok, takže v minulosti bol efekt zobrazenia všeobecnejší ako projektory a LCD obrazovky, ktoré zaujímajú dominantné postavenie na trhu s displejmi s uhlopriečkou viac ako 100 palcov. S výrazným poklesom nákladov na Micro LED sa však urýchli nahradenie tradičných zobrazovacích produktov, ako sú projektory a LCD obrazovky, s mnohými výhodami, ako je celoobrazovkové spájanie, bohaté farby a vysoký jas.
Tri veľkosti trhu s mikro LED diódami
V súčasnosti sa čipy Micro LED používajú v oblasti displejov, ako sú okuliare a televízory, ale väčšina produktov je stále v štádiu konceptu kvôli cenovým obmedzeniam a zatiaľ nedosiahla rozsiahle presadenie na trhu. V budúcnosti, s prelomom a postupnou zrelosťou kľúčovej technológie Micro LED, sa náklady na komercializáciu a industrializáciu výrazne znížia a výťažnosť čipov sa ďalej zvýši. Očakáva sa, že Micro LED prevezme vedúce postavenie v aplikáciách veľkoformátových a maloformátových displejov. Z hľadiska dodávok, podľa prognóz spoločnosti Omdia, ovplyvnených dopytom na trhu s inteligentnými hodinkami a špičkovými televízormi, globálne dodávky Micro LED displejov prudko vzrastú zo zanedbateľnej úrovne v roku 2020 na viac ako 16 miliónov kusov v roku 2027 a potenciál dopytu na trhu je veľký. Z hľadiska veľkosti trhu, podľa prognózy spoločnosti Jibang Consulting, sa v scenári aplikácie mikrodispleja očakáva, že v roku 2026 dosiahne výstupná hodnota čipu Micro LED AR okuliarov až 41 miliónov amerických dolárov. V scenári veľkoformátových displejov dosiahne výstupná hodnota mikro LED čipov pre veľké displeje v roku 2022 54 miliónov dolárov a očakáva sa, že v roku 2026 vzrastie na 4,5 miliardy dolárov so zloženou ročnou mierou rastu 204 %, pričom na trhu je veľa priestoru na rast.
Po štvrté, terminálový dopyt a politika poháňajú rýchly rozvoj odvetvia
(1) Zmeny v dopyte po termináloch sú hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi rozvoj odvetvia
Od roku 2009 prešiel priemysel LED čipov tromi cyklami, pričom všetky boli poháňané novým dopytom po LED produktoch. Prvá fáza je do roku 2013, kedy hlavným motorom rozvoja priemyslu LED bolo podsvietenie plochých televízorov a mobilných telefónov, druhá fáza je od roku 2013 do roku 2014, kedy Európska únia úplne zakázala biele tkané svetlá, čo viedlo k nárastu dopytu po profesionálnom LED osvetlení a krajinnom osvetlení a zároveň k nárastu exportu pobrežných LED diód, čo viedlo k rozvoju priemyslu LED. Tretia fáza je od roku 2015 do roku 2020, kedy sa rýchlo rozvíjali LED diódy s malým rozstupom, vznikol veľký počet náhradných LCD a DLP displejov, ktoré sa široko používajú vo vládnych centrách, v oblasti bezpečnosti, kontroly chorôb, obchodu, nočného cestovania a ďalších oblastiach, čo viedlo k rozvoju priemyslu. Štvrtá fáza je, že po roku 2020 sa dopyt po displejoch s vysokým rozlíšením a nízkou spotrebou energie v priemysle LED displejov postupne zvyšoval v miere penetrácie mikro LED diód. Ako špičková zobrazovacia technológia, so znižovaním nákladov a technologickým pokrokom, Micro LED urýchli proces industrializácie Micro LED vďaka vynikajúcemu výkonu, ako je dlhá životnosť, vysoký kontrast, vysoké rozlíšenie, sýte farby, ultravysoký jas a nízka spotreba energie, a očakáva sa, že opäť privedie toto odvetvie do rastúceho cyklu.
(2) Silná podpora zo strany národných politík bude hnacou silou rozvoja odvetvia
Ako ďalšia generácia novej zobrazovacej technológie priťahuje Micro LED veľkú pozornosť. V posledných rokoch štát vyhlásil množstvo podporných politík, ako napríklad „14. päťročný plán“ z roku 2021, ktorý jasne uvádza, že polovodiče tretej generácie sú dôležitým obsahom a projekt zahŕňa kľúčové technológie, ako sú nové energetické vozidlá, aplikácie pre veľké dáta, 5G komunikácia a Micro LED displeje. Ministerstvo priemyslu a informačných technológií a ďalších päť rezortov vydalo „Akčný plán rozvoja integrácie virtuálnej reality a priemyselných aplikácií (2022 – 2026)“, ktorý sa zameria na podporu modernizácie Micro LED a ďalších technológií mikro displejov. Ministerstvo priemyslu a ministerstvo financií vydali „Akčný plán stabilného rastu priemyslu výroby elektronických informácií na roky 2023 – 2024“, v ktorom navrhli energický rozvoj Mini LED, Micro LED a ďalších technológií. Ministerstvo priemyslu a informačných technológií a ďalších sedem rezortov spoločne vydalo „Implementačné stanoviská k podpore budúcich priemyselných inovácií a rozvoja“, v ktorých navrhlo prelomiť Micro LED, laserové, tlačiarenské a ďalšie zobrazovacie technológie a dosiahnuť ich rozsiahle využitie. Zverejnenie a implementácia vyššie uvedených politík a nariadení ukazuje pozitívny prístup a pevné odhodlanie čínskej vlády rozvíjať odvetvie mikro LED, čo poskytuje lepšie rozvojové prostredie pre rozvoj tohto odvetvia. Očakáva sa, že mikro LED bude profitovať z politickej podpory štátu a naštartuje rýchly rozvoj.
Po piate, rozvoj priemyslu mikro LED diód
(1) Stav rozvoja odvetvia
Výrobný proces mikro LED diód je podobný konvenčným technickým krokom a zahŕňa najmä rast epitaxných doštičiek LED diód, výrobu mikro LED čipov, výrobu zadnej dosky ovládača (TFT ovládač alebo mikro IC ovládač) a prenos veľkého množstva štyroch častí. Najprv sa štruktúra LED diódy navrhne ako tenká vrstva, mikro pole a potom sa mikro LED dióda pomocou veľkého množstva technológie prenesie na dosku plošných spojov. Substrát môže byť tvrdý, mäkký, priehľadný alebo nepriehľadný. Použitím procesu fyzického nanášania na dokončenie ochrannej vrstvy a hornej elektródy je možné zabaliť horný substrát a dokončiť jednoduchý mikro LED displej. Avšak kvôli miniaturizácii čipu technológia výroby mikro LED diód priniesla nové technické ukazovatele a požiadavky pre každý článok existujúceho priemyselného reťazca, vrátane výskumných a vývojových potrieb kľúčových technológií v rôznych oblastiach, ako sú materiály, procesy a zariadenia. Technológia každého priemyselného článku sa nedá vyvíjať samostatne, je to veľmi zložitý technický systém. Je potrebné úzko spolupracovať s predchádzajúcimi a následnými členmi priemyselného reťazca, ako sú panely, čipy, prenos veľkého množstva a IC ovládačov. V súčasnosti je stále potrebné prekonať štyri kľúčové technológie: epitaxiu a výrobu čipov, masívny prenos, plnofarebný displej a pohon displeja.
(2) Prehľad globálnych technologických inovácií
Z pohľadu histórie vývoja Micro LED sa dvaja profesori na Texas Tech University ujali vedenia pri navrhovaní konceptu Micro LED v roku 2000 a teraz vstúpili do vrcholného obdobia globálnych technologických inovácií. Od roku 2017 sa inovačná aktivita v oblasti technológie Micro LED výrazne zvýšila a v súčasnosti sa nachádza v období explozívneho rastu. V súčasnosti má Micro LED globálnu patentovú rezervu viac ako 40 000, z ktorých viac ako 13 000 sú platné patenty a súčet pomeru preskúmania a platnosti sa blíži k 80 %, čo naznačuje, že potenciálne patentové bariéry v tejto oblasti sú vysoké. Z pohľadu najaktívnejšej oblasti inovácií v oblasti technológie Micro LED je najaktívnejšia oblasť technologických inovácií v Číne, Spojených štátoch a Južnej Kórei a región rozloženia patentov ukazuje, že aktívnejší trh je v Číne a Spojených štátoch. Z pohľadu hlavných inovačných subjektov na svete a v Číne majú popredné globálne inovačné subjekty v Číne, Južnej Kórei a Spojených štátoch viac výhod, najmä v podnikoch zameraných na zobrazovacie panely a fotoelektrické zariadenia. Medzi 15 najväčšími svetovými podnikmi tvorili čínske podniky viac ako polovicu, BOE a Huaxing Optoelectronics sa umiestnili v prvej päťke svetových spoločností. Okrem popredných čínskych podnikov sa na popredných miestach v počte patentov umiestnili aj juhokórejské spoločnosti Samsung a LG. Z hľadiska rozdelenia počtu patentov podľa typu výskumno-vývojových inštitúcií majú najvyšší podiel startupy, ktoré dosahujú 29 %. Z hľadiska typov patentov je počet patentov rozdelený okolo štyroch kľúčových technológií: epitaxia a čipová štruktúra, masívny prenos, plnofarebný displej a ovládač displeja.
(3) Vývoj štyroch kľúčových technológií
Epitaxia a výroba čipov: Výrobný proces mikro LED diód od doštičky po čip musí prejsť krokmi, ako je epitaxia - postupné leptanie - príprava vodivej vrstvy - príprava elektródy. V smere technológie epitaxie a čipových štruktúr sa súčasný priemysel pri menších mikro LED diódach zameriava najmä na jednotnosť vlnovej dĺžky, nízku epitaxiu a kvantovú účinnosť: (1) Po miniaturizácii čipu existujú vysoké požiadavky na konzistenciu epitaxie vlnovej dĺžky a nízku mieru defektov, tradičné LED diódy vyžadujú 6-12 nm, zatiaľ čo mikro LED čipy sa musia zmenšiť na 2 nm; (2) Veľkosť čipu sa zmenšuje a výťažnosť rezaných fragmentov sa znižuje; (3) Účinnosť mikro LED diód sa zvyšuje so zvyšujúcou sa hustotou prúdu a po dosiahnutí maximálnej hodnoty sa znižuje so zvyšujúcou sa hustotou prúdu. S klesajúcou veľkosťou mikro LED diód sa maximálna účinnosť posúva smerom k vysokej hustote prúdu a maximálna účinnosť sa naďalej znižuje.
Veľký prenos: Vzhľadom na rozdiel v procese rastu svetelnej vrstvy Micro LED a substrátu budiča je ťažké integrovať zobrazovacie pole a budiace zariadenie prostredníctvom procesu rastu, takže je potrebné preniesť vyrobené zrná Micro LED na dosku budiča, čo je rozsiahly proces prenosu. Vezmime si ako príklad 4K televízor, počet zŕn, ktoré je potrebné preniesť, je až 24 miliónov (vypočítané v 4 000 x 2 000 x RGB tri farby), a aj pri prenose 10 000 je potrebné ho opakovať 2 400-krát, takže obrovský prenos čelí trom hlavným problémom: (1) presnosť prenosu: presnosť presunu Micro LED na dosku budiča musí byť kontrolovaná v rozmedzí ±0,5 μm a prenosové zariadenie musí mať vysokú presnosť zarovnania a presnosť bodu poklesu. (2) Účinnosť prenosu: tradičná LED 2 kusy/sekundu, Micro LED vyžaduje 20 000 kusov/sekundu; (3) Výťažnosť prenosu: Tolerancia chyby pixelov pri zobrazovacích produktoch je veľmi nízka. Ak chcete vytvoriť menej ako 5 pixelov na plnofarebnom displeji s rozlíšením 1920*1080, výťažnosť prenosu musí dosiahnuť 99,9999 %.
Technológia veľkých prenosov zahŕňa najmä molekulárne sily (prenos tesnenia), elektrostatický, magnetický prenos, laserový prenos, samomontáž (technológia montáže kvapaliny) atď. Laserový prenos veľkých prenosov dokáže kontrolovať relatívne malú veľkosť, má rýchlu odozvu, vysokú účinnosť prenosu a vysoký stupeň selektivity, laserový prenos alebo sa stane hlavnou technológiou veľkých prenosov. V súčasnosti domáce technológie a zariadenia pre veľké prenosy napredujú, výrobcovia veľkých laserov (002008), popredných inteligencií (300450), hviezdnych laserov Haimu a ďalších zariadení pre veľké prenosy boli úspešne dodané zákazníkom, ale domáce laserové zariadenia sú stále ďaleko od veľkovýroby.
Plnofarebný displej: Dosiahnutie monochromatického zobrazenia pomocou mikro LED je relatívne jednoduché, ale dosiahnutie plnej farby je relatívne zložité. Tri farby RGB musia prenášať tri farebné zrná červenej, zelenej a modrej. Ako kľúčový technický ukazovateľ technológie mikro LED sa výskum plnofarebnej technológie mikro LED stal výskumným hotspotom a ťažkosťou pri vývoji technológie mikro LED. Medzi realizačné metódy kolorovania mikro LED patrí najmä metóda trojfarebných RGB LED, metóda UV modrá LED + luminiscenčné médium a metóda syntézy šošoviek, pričom všetky majú zodpovedajúce nedostatky. V porovnaní s tým je metóda UV modrá LED + svetlo emitujúce médium jednoduchšia ako iné schémy, najmä z hľadiska postupu procesu a materiálov, pričom sa ako náhrada za podsvietenie používa modrá LED a ako svetlo emitujúce médium sa používa kvantová bodka alebo fosfor ako svetlo emitujúce médium na nahradenie RGB filtrov, čím sa dosiahne plnofarebný displej.
Ovládač displeja: Schéma návrhu aktívneho ovládača reprezentovaná CMOS a TFT sa stala hlavným prúdom vo vývoji technológie Micro LED. Micro LED je prúdom riadené svetelné zariadenie a jeho režim riadenia sa všeobecne delí na pasívny pohon PM (pasívna matrica) a aktívny pohon AM (aktívna matrica). Pasívny pohon má tieto dôvody: (1) nie je vhodný pre veľkoplošnú produkciu, nemôže splniť požiadavky na pohon veľkoplošnej obrazovky; (2) charakteristiky stĺpcového skenovania pohonu, ľahko vytvára nerovnomerné svetlo stĺpcových pixelov, čo má za následok obmedzený obraz a rozlíšenie displeja; (3) rozstup pixelov sa postupne zmenšuje, pasívny režim riadenia tradičných dosiek plošných spojov nemôže splniť požiadavky na pohon a má mnoho nevýhod pri použití Micro LED, preto sa schéma návrhu aktívneho ovládača reprezentovaná CMOS a TFT stane dobrým spoločníkom pre rozvoj technológie Micro LED. Napríklad v technológii ovládačov CMOS sa súčasný priemysel zameriava na skúmanie technológie spájania Micro LED a obvodov ovládačov CMOS s cieľom prelomiť technológiu transferového spájania.
