Povpraševanje po terminalih in politike spodbujajo hiter razvoj industrije mikro LED diod
Mikro LED je šestkotni bojevnik tehnologije prikazov. Več kot 80 % človeških informacij dobimo z očmi, višje človeške zahteve glede kakovosti in oblike slike pa spodbujajo nenehen razvoj in iteracijo tehnologije prikazov. Tehnologija barvnih prikazov je od svojega razvoja doživela prehod na tehnologije, kot je CRT, trenutno pa prevladujeta LCD in OLED tehnologija. Kar zadeva zmogljivost, ima Micro LED kot tehnologija prikazov naslednje generacije v primerjavi z obsežno proizvodnjo LCD tehnologije (zaslon s tekočimi kristali) in OLED tehnologije (zaslon z organskimi svetlečimi diodami) zelo boljšo zmogljivost v skoraj vseh tehničnih dimenzijah: dolga življenjska doba, visok kontrast, visoka ločljivost, hiter odziv, širši kot gledanja, bogate barve in velja za končno rešitev tehnologije prikazov.
Prvič, industrija mikro LED-jev se še naprej razvija zaradi stroškov in zmogljivosti
Mikro LED je nova tehnologija miniaturizacije in matrike LED, ki se nanaša na integracijo mikro LED matrike z visoko gostoto na čipu. Tehnologija doseže samoosvetlitev z eno samo točko z miniaturizacijo LED enote na raven manj kot 50 mikronov, kar je približno 100-krat manjše od tradicionalnih LED diod, in zmanjša razmik slikovnih pik z milimetra na mikron. Zato je mikro LED v bistvu mikronska LED dioda, LED svetleča dioda pa je polprevodniška naprava v trdnem stanju, ki lahko pretvori električno energijo v vidno svetlobo.
Kar zadeva stroške, 4-palčna safirna epitaksialna plošča, razrezana na približno 60.000 navadnih LED čipov, razrezanih na Mini LED Čipov približno 600.000, zmanjšano število mikro LED čipov za več kot 2,4 milijona. Pri isti rezini se je število mikro LED znatno povečalo, stroški enega čipa pa so nižji, kar je tudi eden od razlogov za razvojni potencial mikro LED z vidika stroškov.
Kar zadeva zmogljivost, ima mikro LED v primerjavi z LCD in OLED tehnologijo, ki se proizvajata serijsko, zelo dobre prednosti v skoraj vseh tehničnih dimenzijah, kot so dolga življenjska doba, visok kontrast, visoka ločljivost, hiter odziv, širši kot gledanja, bogate barve, ultra visoka svetlost in manjša poraba energije. Med njimi so: (1) tanka in lahka: velikost mikro LED je približno 1/100 tradicionalne LED diode oziroma približno 1/10 širine človeškega lasu; (2) nizka poraba energije: mikro LED uporablja tri osnovne barvne podpiksle s samosvetlečo strukturo. LCD zaslonski proces mora najprej uporabiti osvetlitev ozadja za polarizator in nato barvni filter, zato ima proces prikaza veliko izgubo energije. V primerjavi z obema zaslonoma poraba energije mikro LED diod znaša približno 10 % porabe energije LCD zaslonov. Mikro LED diode za oddajanje svetlobe uporabljajo anorganske materiale, kar ima večji svetlobni izkoristek, OLED pa uporablja organske materiale, pri čemer je poraba svetlobne energije obeh nižja kot pri OLED. Zato je poraba energije mikro LED pri prikazu iste slike nižja kot pri OLED in precej nižja kot pri LCD; (3) Visoka svetlost: mikro LED v svetlečem delu uporablja anorganski material galijev nitrid (GaN), njegova svetlost pa lahko teoretično doseže 105 cd/m2, kar je precej več kot pri LCD s 3000 cd/m2 in OLED s 1500 cd/m2, življenjska doba anorganskih materialov pa je daljša; (4) Visoka ločljivost: pri tehnologiji mikro LED zaslonov je vsaka mikro LED slikovna pika, ki se lahko sama osvetli, in posamezna mikro LED je na mikronski ravni, zato lahko doseže zelo visoko ločljivost. Gostota slikovnih pik mikro LED zaslona je lahko več kot 1500 PPI, medtem ko je PPI LCD in OLED zaslonov približno 800 PPI in 400 PPI.
Skratka, stroški in zmogljivost bodo spodbujali nenehen razvoj industrije mikro LED.
Drugič, scenariji uporabe mikro LED
Mikro LED je vrhunska tehnologija prikaza prihodnosti. Če ne upoštevamo stroškov in zrelosti procesa, temveč le podatkov o delovanju in indikatorjih zaslona, je mikro LED nedvomno vrhunska tehnologija prikaza. Vsi kazalniki delovanja mikro LED so boljši od drugih tehnologij prikaza. Kar zadeva scenarije uporabe, je mikro LED primeren za vse velikosti izdelkov. Z vidika tehnične in ekonomske izvedljivosti bo mikro LED prvi, ki se bo uporabljal za majhne zaslone pod 3 palci in velike zaslone nad 100 palci.
Kar zadeva majhne velikosti zaslonov pod 3 palci, bo Micro LED spodkopal trg OLED. Majhni zasloni so posledica zelo kratke razdalje gledanja, visokih zahtev glede učinka prikaza, majhni zasloni pa so pogosti v mobilnih terminalih in imajo tudi visoke zahteve glede porabe energije. Zato je OLED postal glavna tehnologija za majhne zaslone s svojimi prednostmi nizke porabe energije in dobrega učinka prikaza, vendar bo tržni delež OLED-a na tem področju v prihodnosti zmanjšan zaradi Micro LED. Po eni strani je Micro LED boljši od OLED-a v vseh kazalnikih delovanja zaslona, kot sta učinek prikaza in poraba energije; po drugi strani pa so zaradi majhne velikosti zaslona in majhnega skupnega števila slikovnih pik stroški Micro LED relativno obvladljivi. Z vidika trenutne tehnologije je Micro LED uspel doseči miniaturizacijo čipov, vendar še vedno obstajajo nekatera ozka grla pri velikem prenosu, donos je relativno omejen, trenutno različna podjetja raziskujejo rešitve za tehnične izboljšave na podlagi obvladljivih stroškov.
Kar zadeva zaslone velikosti 3–99 palcev, je težko v kratkem času prehiteti tržni delež LCD in OLED zaslonov. Zaradi kratke razdalje gledanja ima zaslon višje zahteve glede velikosti čipa in razmika med slikovnimi elementi, hkrati pa se povečuje velikost zaslona in skupno število slikovnih pik, zato se je uporaba mikro LED zaslonov na zaslonih velikosti 3–99 palcev znatno povečala tehnično zahtevnost in stroške postopka, zato je treba izboljšati zrelost tehnologije mikro LED zaslonov v tem območju. Najpomembnejše pa je, da so te velikosti, tako majhne kot velike OLED zaslone, njihove stroškovne prednosti neomajne. V prihodnosti se bo z nenehnim zniževanjem stroškov mikro LED zaslonov in nenehnim izboljševanjem tehnologije razlika med stroški in težavnostjo postopka med mikro LED zasloni ter LCD in OLED zasloni še zmanjšala.
Pri velikih zaslonih z diagonalo več kot 100 palcev (254 cm) ima Micro LED prednost. Na trgu zaslonov z diagonalo več kot 100 palcev (254 cm) bo LCD omejen zaradi proizvodnega donosa in učinkovitosti rezanja velikih plošč, pri OLED pa je zaradi procesa izhlapevanja po velikih zaslonih težko doseči nižji donos, zato je bil v preteklosti učinek prikaza bolj splošno razširjen kot pri projektorjih in LCD zaslonih, ki so imeli prevladujoč položaj na trgu zaslonov z diagonalo več kot 100 palcev (254 cm). Vendar pa bo znatno znižanje stroškov Micro LED pospešilo zamenjavo tradicionalnih zaslonskih izdelkov, kot so projektorji in LCD zasloni, s številnimi prednostmi, kot so spajanje čez celoten zaslon, bogate barve in visoka svetlost.
Tri velikosti trga mikro LED industrije
Trenutno se mikro LED čipi uporabljajo v zaslonih, kot so očala in televizorji, vendar je večina izdelkov zaradi cenovnih omejitev še vedno v fazi koncepta in še niso dosegli obsežne tržne promocije. V prihodnosti se bodo s prebojem in postopno zrelostjo ključne tehnologije mikro LED stroški komercializacije in industrializacije močno zmanjšali, izkoristek čipov pa se bo še izboljšal, zato se pričakuje, da bo mikro LED prevzel vodilno vlogo pri uporabi scenarijev velikih in majhnih zaslonov. Glede na napovedi podjetja Omdia se bodo svetovne pošiljke mikro LED zaslonov, ki jih je leta 2020 napovedovalo povpraševanje po pametnih urah in vrhunskih televizorjih, z zanemarljive ravni v letu 2020 povečale na več kot 16 milijonov kosov v letu 2027, potencial tržnega povpraševanja pa je velik. Glede na velikost trga se po napovedih podjetja Jibang Consulting v scenariju uporabe mikro zaslonov pričakuje, da bo leta 2026 izhodna vrednost mikro LED AR čipov za očala dosegla 41 milijonov ameriških dolarjev; V scenariju velikih zaslonov bo izhodna vrednost mikro LED zaslonov za velike zaslone leta 2022 dosegla 54 milijonov dolarjev, do leta 2026 pa naj bi se povečala na 4,5 milijarde dolarjev, s skupno letno stopnjo rasti 204 %, pri čemer je na trgu veliko prostora za rast.
Četrtič, terminalno povpraševanje in politika spodbujata hiter razvoj industrije
(1) Spremembe v povpraševanju po terminalih so glavni dejavniki, ki spodbujajo razvoj industrije
Od leta 2009 je industrija LED čipov doživela tri cikle, ki jih je vse spodbudilo novo povpraševanje po LED izdelkih. Prva faza je pred letom 2013, ko je bila osvetlitev ozadja televizorjev z ravnim zaslonom in mobilnih telefonov glavno povpraševanje po LED diodah, kar je spodbudilo razvoj LED industrije; druga faza je od leta 2013 do 2014, ko je Evropska unija leta 2013 popolnoma prepovedala bele tkane luči, povpraševanje po profesionalni LED razsvetljavi in krajinski razsvetljavi se je povečalo, izvoz obalnih LED diod pa je spodbudil razvoj LED industrije; tretja faza je od leta 2015 do 2020, ko se je hitro razvilo maloštevilno LED diodo, veliko število nadomestnih LCD in DLP diod, ki se pogosto uporabljajo v vladnih poveljniških centrih, varnosti, nadzoru bolezni, poslovanju, nočnem potovanju in drugih področjih, kar je spodbudilo razvoj industrije; četrta faza je, da se je po letu 2020 povpraševanje industrije LED zaslonov po visokoločljivostnih zaslonih in nizki porabi energije postopoma povečalo v penetracijo mikro LED diod. Kot vrhunska tehnologija prikaza bo Micro LED z znižanjem stroškov in tehnološkim napredkom pospešil proces industrializacije Micro LED z vrhunsko zmogljivostjo, kot so dolga življenjska doba, visok kontrast, visoka ločljivost, bogate barve, ultra visoka svetlost in nižja poraba energije, ter naj bi industrijo ponovno spodbudil k vstopu v naraščajoči cikel.
(2) Močna podpora nacionalnih politik bo spodbudila razvoj industrije.
Kot naslednja generacija nove tehnologije prikazovalnikov je Micro LED pritegnil veliko pozornosti. V zadnjih letih je država sprejela številne podporne politike, kot je "14. petletni načrt" iz leta 2021, ki jasno navaja, da je polprevodnik tretje generacije pomembna vsebina, projekt pa zajema ključne tehnologije, kot so nova energetska vozila, aplikacije za velike podatke, komunikacije 5G in Micro LED zasloni. Ministrstvo za industrijo in informacijsko tehnologijo je skupaj s petimi drugimi ministrstvi izdalo "Akcijski načrt za razvoj integracije virtualne resničnosti in industrijskih aplikacij (2022–2026)", ki se bo osredotočil na spodbujanje nadgradnje Micro LED in drugih tehnologij mikro zaslonov; Ministrstvo za industrijo in Ministrstvo za finance sta izdala "Akcijski načrt za stabilno rast industrije proizvodnje elektronskih informacij 2023–2024", v katerem je predlagal energičen razvoj Mini LED, Micro LED in drugih tehnologij; Ministrstvo za industrijo in informacijsko tehnologijo je skupaj s sedmimi drugimi ministrstvi skupaj izdalo "Mnenja o izvajanju za spodbujanje prihodnjih industrijskih inovacij in razvoja", v katerih je predlagalo preboj Micro LED, laserske, tiskarske in drugih tehnologij prikazovalnikov ter doseganje njihove obsežne uporabe. Objava in izvajanje zgoraj navedenih politik in predpisov kaže na pozitiven odnos in trdno odločenost kitajske vlade za razvoj industrije mikro LED, kar zagotavlja boljše razvojno okolje za njen razvoj. Pričakuje se, da bo mikro LED imel koristi od državne politične podpore in spodbudil hiter razvoj.
Pet, razvoj industrije mikro LED diod
(1) Stanje razvoja industrije
Postopek izdelave mikro LED diod je podoben običajnim tehničnim korakom in vključuje predvsem rast epitaksialnih rezin LED diod, izdelavo mikro LED čipov, izdelavo zadnje plošče gonilnika (TFT gonilnik ali mikro integrirano vezje) in prenos štirih velikih količin. Najprej se zasnova strukture LED diod izvede s tanko plastjo, mikro matriko, nato pa se mikro LED dioda z uporabo velike količine tehnologije prenese na tiskano vezje. Podlaga je lahko trda, mehka, prozorna ali neprozorna. Z uporabo postopka fizičnega nanašanja za dokončanje zaščitne plasti in zgornje elektrode je mogoče zgornji substrat zapakirati in dokončati preprost mikro LED zaslon. Zaradi miniaturizacije čipa pa je tehnologija izdelave mikro LED diod postavila nove tehnične kazalnike in zahteve za vsak člen obstoječe industrijske verige, vključno s potrebami po raziskavah in razvoju ključnih tehnologij na različnih področjih, kot so materiali, procesi in oprema. Tehnologije vsakega industrijskega člena ni mogoče razviti neodvisno, saj gre za zelo zapleten tehnični sistem. Potrebno je tesno sodelovanje z zgornjimi in spodnjimi členi industrijske verige, kot so plošče, čipi, masovni prenosi in integrirana vezja gonilnikov. Trenutno je treba še vedno prebiti štiri ključne tehnologije: epitaksijo in proizvodnjo čipov, masivni prenos, barvni zaslon in pogon zaslona.
(2) Pregled globalnih tehnoloških inovacij
Z vidika zgodovine razvoja mikro LED diod sta dva profesorja na Univerzi Texas Tech leta 2000 prevzela vodilno vlogo pri predlaganju koncepta mikro LED diod, ki je zdaj vstopila v visoko obdobje globalnih tehnoloških inovacij. Od leta 2017 se je inovacijska dejavnost tehnologije mikro LED znatno povečala in je trenutno v obdobju eksplozivne rasti. Trenutno ima mikro LED globalno patentno rezervo več kot 40.000, od tega več kot 13.000 veljavnih patentov, vsota preučenih in veljavnih patentov pa je blizu 80 %, kar kaže na visoke potencialne patentne ovire na tem področju. Z vidika aktivnejšega področja inovacij tehnologije mikro LED je aktivnejše področje tehnoloških inovacij na Kitajskem, v Združenih državah Amerike in Južni Koreji, regija patentne ureditve pa kaže, da je aktivnejši trg na Kitajskem in v Združenih državah Amerike. Z vidika glavnih inovacijskih subjektov na svetu in Kitajske imajo vodilni svetovni inovacijski subjekti na Kitajskem, v Južni Koreji in Združenih državah Amerike več prednosti, predvsem na področju zaslonskih plošč in fotoelektričnih podjetij. Med 15 največjimi podjetji na svetu so kitajska podjetja predstavljala več kot polovico, BOE in Huaxing Optoelectronics sta se uvrstila med 5 najboljših na svetu; poleg vodilnih kitajskih podjetij se v svetovnem vrhu po številu patentov uvrščata tudi južnokorejska podjetja Samsung in LG. Glede na rezultate porazdelitve števila patentov glede na vrsto raziskovalno-razvojnih ustanov je največ zagonskih podjetij, ki dosegajo 29 %. Z vidika vrst patentov je število patentov porazdeljeno okoli štirih ključnih tehnologij: epitaksije in čipovne strukture, masivnega prenosa, barvnega zaslona in gonilnika zaslona.
(3) Razvoj štirih ključnih tehnologij
Epitaksija in izdelava čipov: Postopek izdelave mikro LED diod od rezine do čipa mora iti skozi korake, kot so epitaksija - stopenjsko jedkanje - priprava prevodne plasti - priprava elektrode. V smeri tehnologije epitaksije in strukture čipov se trenutna industrija pri manjših mikro LED diodah osredotoča predvsem na enakomernost valovnih dolžin, nizko stopnjo epitaksijskih napak in kvantno učinkovitost: (1) Po miniaturizaciji čipa obstajajo visoke zahteve glede doslednosti epitaksijskih valovnih dolžin in nizke stopnje napak, tradicionalne LED diode zahtevajo 6-12 nm, mikro LED čip pa je treba zmanjšati na 2 nm; (2) Velikost čipa se zmanjšuje, izkoristek rezalnih fragmentov pa se zmanjšuje; (3) Učinkovitost mikro LED diod se povečuje z naraščajočo gostoto toka in zmanjšuje z naraščajočo gostoto toka po doseganju najvišje vrednosti. Z zmanjševanjem velikosti mikro LED diod se najvišja učinkovitost premakne v smeri višje gostote toka, najvišja učinkovitost pa se še naprej zmanjšuje.
Velik prenos: Zaradi razlike v procesu rasti svetleče plasti mikro LED diod in gonilnega substrata je težko integrirati zaslonsko matriko in gonilno napravo skozi proces rasti, zato je treba izdelana mikro LED zrna prenesti na pogonsko vezje, kar je obsežen postopek prenosa. Na primer, na televizorju 4K je treba prenesti do 24 milijonov zrn (izračunano v 4000 x 2000 x RGB tri barve), in tudi pri prenosu 10.000 je treba prenos ponoviti 2400-krat, zato se ogromen prenos sooča s tremi glavnimi težavami: (1) natančnost prenosa: natančnost premika mikro LED diode na pogonsko vezje mora biti nadzorovana v območju ±0,5 μm, prenosna naprava pa mora imeti visoko natančnost poravnave in natančnost točke padca. (2) Učinkovitost prenosa: tradicionalna LED dioda potrebuje 2 kosa/sekundo, mikro LED pa 20.000 kosov/sekundo; (3) Izkoristek prenosa: Toleranca napak slikovnih pik pri izdelkih za prikaz je zelo nizka. Če želite ustvariti manj kot 5 slikovnih pik barvnega zaslona 1920 * 1080, mora izkoristek prenosa doseči 99,9999 %.
Tehnologija velikih prenosov vključuje predvsem molekularne sile (prenos tesnjenja), elektrostatični, magnetni prenos, laserski prenos, samosestavljanje (tehnologija tekočinskega sestavljanja) in tako naprej. Laserski prenos velikih prenosov lahko nadzoruje relativno majhno velikost, hiter odziv, visoka učinkovitost prenosa in visoka stopnja selektivnosti, laserski prenos ali bo postal glavna tehnologija velikih prenosov. Trenutno domača tehnologija in oprema za velike prenose napredujeta, proizvajalci velikih laserjev (002008), vodilnih inteligenc (300450), zvezdnih laserjev Haimu in druge opreme za velike prenose so bili uspešno dostavljeni in dostavljeni strankam, vendar je domača laserska oprema še daleč od masovne proizvodnje v velikem obsegu.
Barvni prikaz: Doseganje enobarvnega prikaza z mikro LED diodami je relativno preprosto, doseganje polnih barv pa je relativno zapleteno. Tri barve RGB morajo prenesti tri rdeča, zelena in modra barvna zrna. Ker je tehnologija mikro LED diod ključni tehnični indeks, so raziskave tehnologije polnih barv mikro LED diod postale raziskovalna vroča točka in težava pri razvoju te tehnologije. Metode izvedbe barvanja mikro LED diod vključujejo predvsem metodo tribarvnih RGB LED diod, metodo UV modre LED diode + luminiscenčnega medija in metodo sinteze leč, ki imajo vse ustrezne pomanjkljivosti. V primerjavi s tem je metoda UV modre LED diode + svetlobnega medija glede poteka procesa in materialov enostavnejša od drugih shem, saj se za zamenjavo plošče za osvetlitev ozadja uporablja predvsem modra LED dioda, za zamenjavo RGB filtrov pa se kot svetlobni medij uporablja film s kvantnimi pikami ali fosfor, kar dopolnjuje barvni prikaz.
Gonilnik zaslona: Shema zasnove aktivnega gonilnika, ki jo predstavljata CMOS in TFT, je postala glavni del razvoja tehnologije mikro LED. Mikro LED je naprava, ki oddaja svetlobo na tok, njen način delovanja pa se običajno deli na pasivni pogon PM (pasivna matrica) in aktivni pogon AM (aktivna matrica). Zaradi pasivnega pogona: (1) ni primeren za proizvodnjo na velikih površinah in ne more izpolniti zahtev pogona velikega zaslona; (2) ima značilnosti pogona s skeniranjem stolpcev, kar omogoča neenakomerno osvetlitev slikovnih pik stolpcev, kar ima za posledico omejeno sliko in ločljivost zaslona; (3) razmik med slikovnimi pikami se postopoma zmanjšuje, pasivni način delovanja tradicionalne tiskane vezja ne more izpolniti zahtev glede pogona in ima številne pomanjkljivosti pri uporabi mikro LED, zato bo shema zasnove aktivnega gonilnika, ki jo predstavljata CMOS in TFT, postala dober spremljevalec za razvoj tehnologije mikro LED. Na primer, pri tehnologiji gonilnikov CMOS se trenutna industrija osredotoča na raziskovanje tehnologije povezovanja mikro LED in vezij gonilnikov CMOS, da bi prebila tehnologijo prenosnega lepljenja.
