Попит на термінали та політика сприяють швидкому розвитку індустрії мікросвітлодіодів
Мікро-світлодіод це шестикутний воїн технології відображення. Понад 80% інформації людина отримує через очі, а вищі вимоги людини до якості зображення та форми дисплея стимулюють постійний розвиток та ітерацію технології відображення. Технологія кольорового відображення пережила перехідні технології, такі як CRT, з моменту свого розвитку, і наразі домінує LCD та OLED технології. Що стосується продуктивності, Micro LED як технологія відображення наступного покоління, порівняно з масовим виробництвом LCD-технології (рідкокристалічний дисплей) та OLED-технології (дисплеї на органічних світлодіодах), Micro LED має значно кращі переваги майже в усіх технічних аспектах: тривалий термін служби, висока контрастність, висока роздільна здатність, швидкий відгук, ширший кут огляду, насичений колір, і вважається найкращим рішенням у технології відображення.
По-перше, індустрія мікросвітлодіодів продовжує розвиватися завдяки вартісним та продуктивним властивостям.
Мікросвітлодіод – це нова технологія мініатюризації та матричного використання світлодіодів, яка полягає в інтеграції мікросвітлодіодного масиву високої щільності на чіп. Технологія досягає самозасвічування з однією точкою шляхом мініатюризації світлодіодного блоку до рівня менше 50 мікрон, що приблизно в 100 разів менше, ніж у традиційних світлодіодів, та зменшує крок пікселя з міліметра до мікрона. Таким чином, мікросвітлодіод – це, по суті, світлодіод мікронного рівня, а світлодіодний світлодіод – це твердотільний напівпровідниковий пристрій, який може перетворювати електричну енергію у видиме світло.
Що стосується вартості, то 4-дюймовий сапфіровий епітаксіальний лист, нарізаний на звичайні світлодіодні чіпи, коштує близько 60 000 штук, нарізаних на Міні-світлодіод близько 600 000 чіпів, скоротивши кількість мікросвітлодіодних чіпів до понад 2,4 мільйона. На тій самій пластині кількість мікросвітлодіодів значно зросла, а вартість одного чіпа знизилася, що також є однією з причин потенціалу розвитку мікросвітлодіодів з точки зору вартості.
Що стосується продуктивності, то порівняно з технологіями LCD та OLED, які виробляються масово, Micro LED має значно кращі переваги майже в усіх технічних аспектах, таких як тривалий термін служби, висока контрастність, висока роздільна здатність, швидка реакція, ширший кут огляду, насичені кольори, надвисока яскравість та низьке енергоспоживання. Серед них: (1) тонкий та легкий: розмір Micro LED становить приблизно 1/10 від розміру традиційного LED або приблизно 1/10 від ширини людської волосини; (2) низьке енергоспоживання: Micro LED використовує три основні кольори субпіксельної структури з самосвітленням, процес відображення LCD вимагає використання підсвічування для поляризації, а потім для кольорового фільтра, що призводить до значних втрат енергії. Порівняно з цими двома дисплеями, споживання енергії Micro LED становить близько 10% від споживання енергії LCD. Micro LED використовує неорганічні матеріали для випромінювання світла, що має вищу світлову ефективність, а OLED використовує органічні матеріали для випромінювання світла, і світлове споживання обох нижче, ніж у OLED. Таким чином, при відображенні того самого зображення споживання енергії мікро-світлодіодного дисплея нижче, ніж у OLED, і значно нижче, ніж у LCD; (3) Висока яскравість: у світловій частині мікро-світлодіодного дисплея використовується неорганічний матеріал нітрид галію (GaN), і його яскравість теоретично може досягати 105 кд/м2, що значно вище, ніж у 3000 кд/м2 LCD та 1500 кд/м2 OLED, а термін служби неорганічних матеріалів довший; (4) Висока роздільна здатність: у технології мікро-світлодіодного дисплея кожен мікро-світлодіодний дисплей є пікселем, який може самостійно світитися, і один мікро-світлодіод знаходиться на мікронному рівні, тому він може досягти дуже високої роздільної здатності. Щільність пікселів мікро-світлодіодного дисплея може перевищувати 1500 PPI, тоді як PPI LCD та OLED-екранів становить близько 800 PPI та 400 PPI.
Підсумовуючи, вартість та продуктивність сприятимуть постійному розвитку індустрії мікросвітлодіодів.
По-друге, сценарії застосування мікросвітлодіодів
Мікросвітлодіодні дисплеї – це найкраща технологія відображення майбутнього. Якщо не враховувати вартість та зрілість процесу, а лише продуктивність та індикаторні дані дисплея, то мікросвітлодіодні дисплеї, безсумнівно, є найкращою технологією відображення. Усі показники продуктивності мікросвітлодіодних дисплеїв перевершують інші технології відображення. Щодо сценаріїв застосування, мікросвітлодіодні дисплеї підходять для будь-яких розмірів виробів. З точки зору технічної та економічної доцільності, мікросвітлодіодні дисплеї першими будуть застосовані для дисплеїв малого розміру менше 3 дюймів та дисплеїв великого розміру понад 100 дюймів.
Що стосується невеликих дисплеїв розміром менше 3 дюймів, мікро-світлодіоди (Micro LED) погіршать ринок OLED. Дисплеї малого розміру мають високі вимоги до якості зображення, а дисплеї малого розміру поширені в мобільних терміналах, а також мають високі вимоги до енергоспоживання. Тому OLED став основною технологією для дисплеїв малого розміру з його перевагами низького енергоспоживання та гарного ефекту зображення, але частка OLED на ринку в цій галузі буде скорочена мікро-світлодіодами в майбутньому. З одного боку, мікро-світлодіоди перевершують OLED за всіма показниками продуктивності дисплея, такими як ефект зображення та енергоспоживання; з іншого боку, через невеликий розмір екрана та невелику загальну кількість пікселів, вартість мікро-світлодіодів також є відносно контрольованою. З точки зору сучасних технологій, мікро-світлодіоди змогли досягти мініатюризації чіпів, але все ще існують деякі вузькі місця у величезній передачі, вихід продукції відносно обмежений, і наразі різні компанії досліджують рішення для технічного вдосконалення на основі контрольованих витрат.
Що стосується дисплеїв розміром 3-99 дюймів, Micro LED важко швидко витіснити частку ринку LCD та OLED. Через близьку відстань перегляду дисплей має вищі вимоги до розміру чіпа та кроку між кадрами, а розмір екрана збільшується, а загальна кількість пікселів також збільшується, тому застосування Micro LED у дисплеях розміром 3-99 дюймів значно збільшило технічну складність та вартість процесу, а технологія Micro LED у цьому діапазоні потребує вдосконалення. Найголовніше полягає в тому, що в цьому діапазоні розмірів, незалежно від того, чи це OLED малого розміру, чи LCD великого розміру, її переваги у вартості залишаються непохитними. У майбутньому, завдяки постійному зниженню вартості Micro LED та постійному вдосконаленню технологій, розрив між вартістю та складністю процесу Micro LED, LCD та OLED ще більше скоротиться.
Що стосується великих дисплеїв понад 100 дюймів, Micro LED має перевагу. На ринку дисплеїв понад 100 дюймів LCD буде обмежений виробничою потужністю та ефективністю різання панелей великого розміру, а OLED також важко знизити вартість через процес випаровування після великого розміру, що призводить до меншої продуктивності, тому в минулому ефект відображення був більш поширеним серед проекторів та екранів для зрощування РК-дисплеїв, які займали домінуюче становище на ринку дисплеїв понад 100 дюймів. Однак зі значним зниженням вартості Micro LED прискориться заміна традиційних дисплеїв, таких як проектори та зрощування РК-дисплеїв, завдяки багатьом перевагам, таким як повноекранне зрощування, насичені кольори та висока яскравість.
Три розміри ринку мікросвітлодіодної галузі
Наразі мікросвітлодіодні чіпи використовуються для дисплеїв, таких як окуляри та телевізори, але більшість продуктів все ще перебувають на стадії концепції через цінові обмеження та ще не досягли масштабного просування на ринок. У майбутньому, з проривом та поступовим розвитком ключової технології мікросвітлодіодів, вартість комерціалізації та індустріалізації значно знизиться, а вихід чіпів ще більше покращиться, що дозволить мікросвітлодіодам завоювати лідерство у застосуванні дисплеїв великого та малого розміру. З точки зору поставок, згідно з прогнозними даними Omdia, під впливом попиту на ринку розумних годинників та телевізорів високого класу, світові поставки мікросвітлодіодних дисплеїв зростуть з незначного рівня у 2020 році до понад 16 мільйонів штук у 2027 році, а потенціал ринкового попиту є великим. З огляду на розмір ринку, згідно з прогнозом Jibang Consulting, у сценарії застосування мікродисплеїв очікується, що у 2026 році вартість виробництва мікросвітлодіодних чіпів для дисплеїв AR-окулярів сягне 41 мільйона доларів США; У сценарії великоформатних дисплеїв вартість виробництва мікросвітлодіодних дисплеїв великого розміру досягне 54 мільйонів доларів у 2022 році та, як очікується, зросте до 4,5 мільярда доларів у 2026 році, зі сукупним річним темпом зростання 204%, і є великий потенціал для зростання ринку.
По-четверте, термінальний попит та політика стимулюють швидкий розвиток галузі
(1) Зміни термінального попиту є основними факторами, що стимулюють розвиток галузі
З 2009 року індустрія світлодіодних чіпів пройшла три цикли, всі зумовлені новим попитом на світлодіодну продукцію. Перший етап – до 2013 року основним попитом на світлодіоди стало підсвічування плоских телевізорів та мобільних телефонів, що стимулювало розвиток світлодіодної індустрії; другий етап – з 2013 по 2014 рік; у 2013 році Європейський Союз повністю заборонив білі ткані лампи, попит на професійне світлодіодне освітлення та ландшафтне освітлення зростав, а експорт прибережних світлодіодів зростав, що стимулювало розвиток світлодіодної індустрії; третій етап – з 2015 по 2020 рік – швидкий розвиток світлодіодів з малим кроком, велика кількість замінних РК- та DLP-дисплеїв, які широко використовуються в урядових командних центрах, системах безпеки, контролю захворювань, бізнесі, нічних подорожах та інших сферах, що стимулювало розвиток галузі; четвертий етап – після 2020 року попит індустрії світлодіодних дисплеїв на дисплеї високої чіткості та низьке енергоспоживання поступово збільшував рівень проникнення мікросвітлодіодів. Як найкраща технологія відображення, завдяки зниженню витрат та технологічному прогресу, мікросвітлодіодні дисплеї пришвидшать процес індустріалізації завдяки чудовим характеристикам, таким як тривалий термін служби, висока контрастність, висока роздільна здатність, насичені кольори, надвисока яскравість та низьке енергоспоживання, і очікується, що це знову спонукатиме галузь увійти до циклу зростання.
(2) Сильна підтримка з боку національної політики стимулюватиме розвиток галузі
Як наступне покоління нової технології дисплеїв, мікро-світлодіодні дисплеї привернули значну увагу. В останні роки держава оприлюднила низку підтримуючих політик, таких як «14-й п'ятирічний план» у 2021 році, в якому чітко зазначено, що напівпровідники третього покоління є важливим контентом, і проект охоплює такі ключові технології, як нові енергетичні транспортні засоби, додатки для великих даних, зв'язок 5G та мікро-світлодіодні дисплеї. Міністерство промисловості та інформаційних технологій разом з п'ятьма іншими відомствами видали «План дій з розвитку інтеграції віртуальної реальності та галузевих застосувань (2022-2026)», який буде зосереджений на просуванні модернізації мікро-світлодіодних дисплеїв та інших технологій мікро-дисплеїв; Міністерство промисловості та Міністерство фінансів видали «План дій щодо стабільного зростання галузі виробництва електронної інформації на 2023-2024 роки», в якому пропонується активно розвивати міні-світлодіодні дисплеї, мікро-світлодіодні дисплеї та інші технології; Міністерство промисловості та інформаційних технологій разом з сімома іншими відомствами спільно видали «Висновки щодо впровадження щодо сприяння майбутнім промисловим інноваціям та розвитку», в яких пропонується прорватися в мікро-світлодіодні дисплеї, лазерні дисплеї, друкарські дисплеї та досягти їх широкомасштабного застосування. Випуск та впровадження вищезазначених політик і правил демонструє позитивне ставлення та тверду рішучість уряду Китаю розвивати індустрію мікросвітлодіодів, що забезпечує кращі умови для розвитку цієї галузі. Очікується, що мікросвітлодіоди отримають вигоду від політичної підтримки держави та сприятимуть швидкому розвитку.
П'яте, розвиток індустрії мікросвітлодіодів
(1) Стан розвитку галузі
Процес виробництва мікросвітлодіодів схожий на традиційні технічні етапи, включаючи, головним чином, епітаксіальне вирощування світлодіодних пластин, виробництво мікросвітлодіодного чіпа, виробництво задньої плати драйвера (TFT-драйвер або драйвер мікросхеми), перенесення чотирьох великих частин. По-перше, конструкція світлодіодної структури являє собою тонкоплівкову, мікроматричну, а потім мікросвітлодіод переноситься на друковану плату за допомогою великої кількості технологій, підкладка може бути твердою, м'якою, прозорою, непрозорою; Використовуючи процес фізичного осадження для завершення захисного шару та верхнього електрода, верхня підкладка може бути упакована та завершена простий мікросвітлодіодний дисплей. Однак, через мініатюризацію чіпа, технологія виробництва мікросвітлодіодів висунула нові технічні показники та вимоги для кожної ланки існуючого промислового ланцюга, включаючи потреби в дослідженнях та розробках ключових технологій у різних галузях, таких як матеріали, процеси та обладнання, і технологія кожної промислової ланки не може бути розроблена незалежно, це дуже складна технічна система. Необхідна тісна співпраця з вищезазначеними та нижчезазначеними підрозділами промислового ланцюга, такими як панелі, чіпи, масивні перенесення та мікросхеми драйверів. Наразі чотири ключові технології: епітаксія та виробництво мікросхем, масивний перенос, повнокольоровий дисплей та керування дисплеєм, все ще потребують прориву.
(2) Огляд глобальних технологічних інновацій
З точки зору історії розвитку мікросвітлодіодів, два професори Техаського технічного університету взяли на себе ініціативу у запропонованні концепції мікросвітлодіодів у 2000 році, і зараз вона вступила у високий період глобальних технологічних інновацій. З 2017 року інноваційна активність у технології мікросвітлодіодів значно зросла, і зараз вона перебуває у періоді вибухового зростання. Наразі мікросвітлодіоди мають глобальний патентний резерв понад 40 000, з яких понад 13 000 є дійсними патентами, а сума співвідношення експертизи та дії близька до 80%, що свідчить про високий потенціал патентних бар'єрів у цій галузі. З точки зору більш активної сфери інновацій у технології мікросвітлодіодів, більш активна сфера технологічних інновацій знаходиться в Китаї, Сполучених Штатах та Південній Кореї, а регіон розміщення патентів показує, що більш активний ринок знаходиться в Китаї та Сполучених Штатах. З точки зору основних інноваційних організацій світу та Китаю, провідні світові інноваційні організації в Китаї, Південній Кореї та Сполучених Штатах мають більше переваг, головним чином у підприємствах з виробництва дисплеїв та фотоелектричних приладів. Серед 15 провідних підприємств світу китайські підприємства становлять понад половину, BOE та Huaxing Optoelectronics входять до п'ятірки провідних підприємств світу; окрім провідних китайських підприємств, південнокорейські Samsung та LG посідають лідируючі позиції у світі за кількістю патентів. За результатами розподілу кількості патентів за типом науково-дослідних установ, стартапи мають найбільшу частку, сягаючи 29%. З точки зору типів патентів, кількість патентів розподілена за чотирма ключовими технологіями: епітаксія та чіп-структура, масивний перенос, повнокольоровий дисплей та драйвер дисплея.
(3) Розробка чотирьох ключових технологій
Епітаксія та виробництво чіпів: Процес виробництва мікросвітлодіодів від пластини до чіпа повинен проходити такі етапи, як епітаксія - ступінчасте травлення - підготовка провідного шару - підготовка електрода. У напрямку технології епітаксії та структури чіпів, для менших мікросвітлодіодів сучасна галузь головним чином стурбована питаннями однорідності довжини хвилі, низького рівня епітаксійних дефектів та квантової ефективності: (1) Після мініатюризації чіпа існують високі вимоги до консистенції довжини хвилі епітаксії та низького рівня дефектів, традиційні світлодіоди потребують 6-12 нм, тоді як мікросвітлодіодний чіп потрібно зменшити до 2 нм; (2) Розмір чіпа стає все меншим і меншим, а вихід фрагментів для різання зменшується; (3) Ефективність мікросвітлодіодів зростає зі збільшенням щільності струму та зменшується зі збільшенням щільності струму після досягнення пікового значення. Зі зменшенням розміру мікросвітлодіодів пікова ефективність зміщується в напрямку високої щільності струму, а пікова ефективність продовжує зменшуватися.
Великий обсяг передачі: Через різницю в процесі росту світлового шару мікросвітлодіода та підкладки драйвера, важко інтегрувати матрицю дисплея та пристрій драйвера через процес росту, тому необхідно перенести виготовлені зерна мікросвітлодіода на плату приводу, що є великим процесом передачі. Візьмемо як приклад 4K-телевізор, кількість зерен, які потрібно перенести, становить до 24 мільйонів (розраховано в 4000 x 2000 x RGB три кольори), навіть якщо передача становить 10 000, її потрібно повторити 2400 разів, тому величезний обсяг передачі стикається з трьома основними проблемами: (1) точність передачі: точність переміщення мікросвітлодіода на плату приводу повинна контролюватися в межах ±0,5 мкм, а пристрій передачі повинен мати високу точність вирівнювання та точність точки падіння. (2) Ефективність передачі: традиційний світлодіод 2 шт./секунду, мікросвітлодіод вимагає 20 000 шт./секунду; (3) Вихід перенесення: Допуск помилок пікселів для продуктів відображення дуже низький, якщо ви хочете створити менше 5 пікселів повнокольорового дисплея 1920*1080, вихід перенесення повинен досягати 99,9999%.
Технологія великого переносу включає переважно молекулярні сили (перенесення герметичності), електростатичний, магнітний перенос, лазерний перенос, самоскладання (технологія рідинного переносу) тощо. Лазерний перенос великого переносу може контролювати розмір відносно малого, швидко реагує, має високу ефективність переносу та високий ступінь селективності, що може стати основною технологією великого переносу. Наразі вітчизняні технології та обладнання для великого переносу розвиваються, виробники великого лазера (002008), провідного інтелекту (300450), зіркового лазера Haimu та іншого обладнання для великого переносу успішно постачають клієнтам, але вітчизняне лазерне обладнання ще далеко від масового виробництва великомасштабного виробництва.
Повнокольоровий дисплей: Досягти монохромного зображення за допомогою мікросвітлодіодів досить просто, але досягти повнокольорового зображення досить складно. Три кольори RGB потрібно передавати трикольорові зерна червоного, зеленого та синього кольорів. Як ключовий технічний показник технології мікросвітлодіодів, дослідження технології повнокольорового зображення мікросвітлодіодів стало актуальною темою та складним завданням у її розвитку. Методи реалізації забарвлення мікросвітлодіодів включають переважно метод трикольорового світлодіода RGB, метод використання синього світлодіода з ультрафіолетовим світлодіодом та люмінесцентного середовища та метод синтезу лінз, всі з яких мають відповідні недоліки. Для порівняння, з точки зору технологічного процесу та матеріалів, метод використання синього світлодіода з ультрафіолетовим світлодіодом є простішим за інші схеми, в основному для заміни пластини підсвічування використовується синій світлодіод, а для заміни RGB-фільтрів використовується плівка з квантовими точками або люмінофор як світлодіодне середовище, що завершує повнокольоровий дисплей.
Драйвер дисплея: Схема проектування активного драйвера, представлена CMOS та TFT, стала основним напрямком розвитку технології мікросвітлодіодів. Мікросвітлодіод – це світлодіодний пристрій, що керується струмом, і його режим керування зазвичай поділяється на пасивний PM (пасивна матриця) та активний AM (активна матриця). Через пасивний привід: (1) не сприяє виробництву на великих площах, не може задовольнити вимоги приводу великого екрана; (2) характеристики приводу розгортки стовпців, легко створювати нерівномірне освітлення пікселів стовпців, що призводить до обмеження зображення та роздільної здатності дисплея; (3) крок пікселів поступово зменшується, пасивний режим керування традиційною друкованою платою не може задовольнити потреби приводу та має багато недоліків у застосуванні мікросвітлодіодів, тому схема проектування активного драйвера, представлена CMOS та TFT, стане гарним супутником для розвитку технології мікросвітлодіодів. Наприклад, у технології драйверів CMOS, щоб прорватися в технологію переносного з'єднання, сучасна галузь зосереджується на дослідженні технології з'єднання мікросвітлодіодів та схем драйверів CMOS.
