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Micro LED显示器的优势、技术挑战和制造商前景

类别:技术与产品发表于:2021-04-08 15:17

摘要:据估计,从2020年到2025年,Micro LED显示器的资本支出将达到80亿美元。其中,32亿美元用于Micro LED外延片(epi wafer)工艺、48亿美元用于Micro LED批量转移、模块化和组装。

   要点:

   预计到2025年,Micro LED显示器的收入将达到70亿美元。

   由于制造工艺复杂、工艺和设备标准化程度低、供应链的参与者众多、良品率管理和产量不成熟、不稳定,Micro LED 显示器成本居高不下。

   据估计,从2020年到2025年,Micro LED显示器的资本支出将达到80亿美元。其中,32亿美元用于Micro LED外延片(epi wafer)工艺、48亿美元用于Micro LED批量转移、模块化和组装。


   尽管在制造和成本方面仍然存在诸多挑战,Micro LED作为一种新兴的显示技术正在日新月异地发展。许多公司将Micro LED显示器视为取代LCD和OLED的下一代显示器。另一方面,许多公司计划大规模生产Micro LED显示器,以便安装在不适合使用LCD和OLED的应用中,例如超大尺寸电视/公共标牌或智能手表显示器。


   Micro LED显示器成功的关键是实现高密度的自发光LED芯片组,其像素间距为微米级,然后将LED芯片放置在有源矩阵基板或模块上,通过micro LED芯片阵列实现显示功能,提供高品质的色彩和出色的亮度。


   换句话说,与LCD或OLED不同,Micro LED显示器不需要大面积的基板进行光刻或蒸发,也不需要一个复杂的过程来转换颜色和防止亮度降低。从理论上讲,Micro LED可以很简单,成本更低,画面性能更高,这使得Micro LED成为一种完美的显示技术。


   Micro LED显示器的优缺点


   与主流显示技术LCD和OLED相比,Micro LED显示器具有许多优点。下图显示了LCD、 OLED和Micro LED显示器性能的评分比较。

图 1:LCD、OLED和Micro LED显示器的性能比较

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来源:Omdia


   Micro LED在亮度效率、亮度水平、对比度、寿命、水氧电阻、响应时间、工作温度和功耗等方面优于LCD和OLED。以上都得益于LED芯片组的特性。


   但由于模块化,在灵活性、成本竞争力和抗冲击性方面与LCD和OLED相比并不占优势。


   对于LCD来说,它的成本低于OLED,它比OLED具有更好的亮度效率和亮度水平。就水氧电阻和寿命而言,OLED并不占优势,但它的柔韧性很好,而且随着生产规模的增加,成本会大幅降低。


   通过与LCD和OLED比较,Micro LED显示器更胜一筹,但仍有一些问题需要解决,如较低的成本竞争力、抗冲击性和灵活性。这表明如果Micro LED显示器制造商的目标是取代LCD或OLED,他们应该瞄准那些不需要灵活性、且属于高端类别的应用。这就解释了为什么许多Micro LED显示器开发商将目标锁定在超大尺寸的高端电视/数字标牌显示器、高端豪华汽车显示器或高端IT显示器。


   下图显示了Micro LED显示器的优势、劣势、机会和威胁 (SWOT)。


图 2:Micro LED显示器的SWOT分析

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来源:Omdia


   Micro LED显示器样机及商业化


   迄今为止,很多公司已经将micro LED显示器样机或初步产品商业化并进行了演示。


   Plessey 0.7英寸 1920x1080 硅片 Micro LED

   JBD 0.4英寸 1280x720 硅片 Micro LED

   ADRC 0.22 英寸 Micro LED,配备LTPS TFT背板

   ITRI 2.5 英寸120 x 120 Micro LED,配备无源基板

   华星光电3.3 英寸 Micro LED显示器,配备氧化铟镓锌(IGZO) TFT背板

   PlayNitride 458像素/英寸 (ppi) Micro LED,配备LTPS TFT背板

   天马 720x480 透明Micro LED显示器,配备LTPS TFT背板

   eLux 12.1 英寸 720x240 全彩Micro LED显示器

   AUO 9.6 英寸 1920x960 柔性Micro LED显示器,配备228 ppi和超过550万个Micro LED芯片组

   AUO 12.1 英寸柔性Micro LED显示器,用于车载显示器应用

   康佳 230 英寸 8K Micro LED数字标牌

   海信 118 英寸 4K Micro LED数字标牌

   TCL 132 英寸 4K Micro LED电视,像素间距为0.76mm

   三星 146 英寸 The Wall 4K Micro LED数字标牌显示器

   夏普 24 英寸曲面Micro LED显示模块

   索尼 395 英寸 7680x2160 Micro LED标牌显示器

   康佳2英寸Micro LED显示器,用于具有量子点颜色转换和LTPS TFT背板的智能手表


   2020年,三星电子开始将其146英寸Micro LED显示器“The Wall”进行商业推广。


   三星电子计划于2021年针对公共展示场所和豪华公寓的起居室推出一款全新的110英寸Micro LED显示器。该显示器仍然基于印刷电路板(PCB)背板,但三星电子的目标是在不久的将来应用LTPS TFT背板。


   该款特殊产品有几个重要的里程碑:

   Micro LED显示器的RGB三合一封装

   非常小的Micro LED尺寸:75µmx125µm

   印模传输技术


   下图为三星电子新推出的110英寸Micro LED显示器。


图 3:三星110英寸Micro LED显示屏及规格

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来源:Omdia,三星电子


   三星146英寸的The Wall Micro LED数字标牌显示器每台售价超过27万美元。全新的110英寸Micro LED显示器估计每台售价超过13万美元。它的售价高昂,使它步入了超级奢侈品的行列。


   三星电子计划从现在起为家庭推出更多的Micro LED显示器,包括75英寸、88英寸、94英寸和99英寸。所有这些显示器都具有高密度的微米级像素间距的Micro LED芯片和一个全新的LTPS TFT背板。三星电子的Micro LED电视供应链包括三安光电、EPISTAR、PlayNitride、AUO和BOE。


   Micro LED显示器预测


   到2021年,Micro LED显示器将在公共显示和电视领域实现商业推广。正如Omdia在《显示器长期需求预测追踪报告 ─ 3Q20分析》中的预测,近眼应用,如智能眼镜、头戴式显示器和增强现实(AR)/虚拟现实(VR)设备,以及智能手表将于2022年开始使用Micro LED显示器。


   Omdia预计,从2024年开始,Micro LED显示器将出现在汽车显示屏和台式显示器领域。预计到2025年,Micro  LED显示器收入将从2020年的0.2亿美元增至70亿美元。这仍然远远小于LCD收入(920亿美元)和OLED收入(480亿美元)。然而,Micro LED具有较强的发展潜力。


图 4:Micro LED显示器预测(单位:千)

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来源:Omdia


   Micro LED显示器制造挑战


   Micro LED显示器最严重的不足在于制造挑战和经济规模较小造成的高额成本,这让其难以在成熟的显示器市场竞争。


   最关键的是,Micro LED显示器模块的制造工艺尚未实现类似于LCD或OLED的标准化,并且每个制造商都在开发自己的独特工艺和产品技术。这使Micro LED显示器制造工艺复杂、品种繁多。


   此外,设备和工具都是定制的,成本很高。同时,参与制造工艺的公司很多,包括Micro LED外延片制造商、PCB/LTPS制造商、批量转移制造商、驱动器集成电路(IC)制造商、机柜组装制造商、模块化制造商和OEM/ODM制造商。涉及的制造商越多,转型成本就越高。


   换句话说,Micro LED显示器的高成本是由以下四个因素造成的:

   复杂的生产工艺

   工艺和设备标准化程度低

   多个供应链参与者

   良品率管理和产量不成熟、不稳定


   Micro LED显示器模块工艺可以按照以下步骤排序:


   Micro LED部件

   外延片的矽晶锭

   Micro LED芯片分割

   中介层上的倒装芯片 Micro LED


   背板和批量转移

   LTPS/PCB 背板

   批量转移(从中介层上的Micro LED到背板)

   Micro LED芯片检修


   模块化

   IC键合

   模块组装

   检修


图 5:Micro LED显示器模块制造工艺

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来源:Omdia,三星 ─照片由Park Ken/Omdia在2020年1月内华达州拉斯维加斯的“2020年消费电子展(CES)”拍摄


   这些工艺存在四个主要的挑战和技术问题:


   Micro LED芯片和结构:Micro LED芯片结构比传统LED更为复杂。


   背板:TFT背板设计比一般的TFT更为复杂。


   批量转移工艺:存在许多可选的批量转移工艺,例如静电转移、电磁转移、激光转移、印模转移、整体转移、射流转移、逐一固晶转移和可拉伸巨量转移,每一种都有其优缺点。


   检修:如有必要,需要对每个Micro LED芯片组进行检修。因为有数百万甚至数千万个亚像素,即使良品率达到99.99%,仍需修复存在缺陷的Micro LED芯片组。检修非常耗时。


图 6:Micro LED制造挑战和技术问题

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来源:Omdia,Freepik Company S.L.


   Micro LED显示器投资


   虽然仍然存在技术和制造挑战,但许多公司在Micro LED显示器制造方面投入了资本支出。它们为各种工艺投资,因为Micro LED显示器模块的制造工艺复杂。工艺包括有机金属化学气相沉积(MOCVD)、外延片、批量转移、Micro LED芯片设计、互补金属氧化物半导体(CMOS)背板、TFT背板、驱动器集成电路、模块化、检修设备、系统集成等。


   由于独特的工艺,Micro LED设备非常昂贵。预计设备价格如下:

   Micro LED芯片MOCVD设备:200万美元/套

   Micro LED MOCVD后生产线设备:100万美元/条

   Micro LED显示器模块和设备(激光转移到模块化):年产50万台100英寸micro LED显示模块需投资5亿至10亿美元


   以下是各制造商Micro LED显示器制造投资情况一览表。


表 1:Micro LED显示器投资公司及2020-2025年预计资本支出

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来源:Omdia


表 2:Micro LED显示器设备和应用制造商

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来源:Omdia


   据估计,从2020年到2025年,Micro LED显示器的资本支出将达到80亿美元。其中32亿美元用于micro LED外延片工艺,48亿美元用于micro LED批量转移、模块化和组装。

来源:Omdia

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