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工研院串联产业链攻Micro LED AR/VR 显示应用

显示世界 2019-12-06 13:27:08

次世代显示技术微发光二极管(Micro LED)为业界点亮曙光以来,跨领域产业链串联正火速进行,同时也在大厂带动下加快应用布局,尤其以电视墙大尺寸室内显示器、AR/VR 显示设备等应用最具潜力。如今 Micro LED 显示应用有何新进展,而市场上所谓的过渡技术又能否有助缩短 Micro LED 开发时程,成为当前众所瞩目的焦点。

Micro LED 两大应用并进,电视墙显示器率先走入量产

SONY 在今年年初推出大尺寸拼接型显示器「CLEDIS」(Crystal LED Integrated Structure),为 Micro LED 显示应用开创新格局,加上应用场域广,吸引不少业者投入开发,台厂也不落人后。工研院电光所「智能应用微系统组」研发副组长方彦翔博士指出,电视墙(Video wall)是第一个将 Micro LED 导入的产品,目前 LED 驱动 IC 厂聚积科技、PCB 厂欣兴电子与半导体厂镎创科技,已在工研院建立试量产线,四方合作开发无蓝宝石基板的 Micro LED 拼接型电视墙显示应用。

不过,Micro LED 每个制程环节都是挑战,因此做起来相当不易。方彦翔表示,Micro LED 晶粒的重点在于将晶圆做得很均匀,但技术相当困难,目前高均匀度晶圆由镎创执行开发,现已完成单一颜色试片,预计今年 11 月底前完成另外两色。Micro LED 在无蓝宝石基板下厚度仅约 3 μm 至 5 μm,无法采用传统逐颗接合方式,因此工研院负责以巨量转移技术将 Micro LED 晶粒转移到欣兴的 PCB 板上,却也因为传统 PCB 板粗糙度(roughness)较大,得由板厂调整制程解决,难度相当高;聚积则负责开发 Micro LED 适用电流范围的驱动 IC,其他包括材料、检测等各个细节都有技术障碍有待排除。

「等我们把 RGB 全彩板子做出来,那就会是全世界除了 SONY 以外,第二个用无蓝宝石基板 Micro LED 所制成的拼接型显示产品,」方彦翔说明,工研院与三厂合力开发的电视墙显示器,LED 晶粒尺寸比 SONY CLEDIS 稍大一些,约落在 50 μm 至 100 μm 之间,间距(pitch)则比 CLEDIS 小,约在 800 μm 以下;模块大小为 10 cm x 10 cm 内,主要锁定 130 英寸以上室内应用,可视需求自由拼接。据了解,目前已有国外客户下单,预计 2018 年 6 月导入试量产成功后,便可正式投入量产。

▲ 工研院所开发的 Micro LED panel 原型,四周以保护元件固定

看好AR/VR 显示应用潜力,Micro LED 将成主流显示光源

除了大尺寸电视墙显示器外,工研院所聚焦的另一 Micro LED 关键应用就是增强现实(AR)与虚拟现实(VR)显示应用。Micro LED 具备高亮度、高效率低功耗、超高分辨率与色彩饱和度、使用寿命较长等特性,在 AR/VR 领域会比 OLED、LCD 等显示技术更能发挥优势,有望取代两者成为未来显示光源主流技术。Facebook 旗下 Oculus 与中国康得新光电,去年已相继透过收购 Micro LED 显示技术公司,加速展开 AR/VR 领域布局。

「AR/VR 显示应用将做为未来 AI 人工智能时代的传播媒介,也会愈做愈薄,Micro LED panel 旁更可整合多种传感器,达到多工效果,」方彦翔再次提到 Micro LED 具有整合传感器的微组装(micro assembly)技术特性,加上高解析、高亮度等优点,OLED 与 LCD 实在很难比拟。再者,市场预测 2020 年 AR/VR 市场产值上看 1,200 亿美元规模,别具发展价值。

他指出,AR/VR 显示设备未来将达到 8K4K 分辨率,以 Micro LED 单色来说晶粒数量将超过 3,000 万颗,若以 RGB 彩色计算则将近 1 亿颗。不过,方彦翔认为应以单色 Micro LED 加上量子点(QD)色转换材料,才能相对提高成功机率。主要原因除了 RGB 三色本身的良率问题,以及转移后可能产生其他问题外,Micro LED 均匀度也难以掌控,容易产生漏电而影响色彩呈现,加上电流非线性,驱动条件不一很难控制颜色与亮度,所以较不建议采用 RGB 三色 Micro LED,以单一颜色结合量子材料进行色转换的良率会比较高。

然而,合适的色转换材料也并非唾手可得,因为市场上较成熟的色转换材料含镉,效率也较高,但含镉的材料受到欧盟管制,以后中国与其他国家也可能实施管制,所以需朝无镉材料研发,只是目前效率较差,色彩转换效率好不好还得持续测试开发。目前工研院 Micro LED 单色分辨率可达 qHD(960 x 540)等级,LED 尺寸最小可缩至 5 μm。

▲ 工研院以 0.55 英寸 panel 呈现 Micro LED 单色显示技术,三年来无明显光衰

方彦翔透露,工研院现正串联国内外厂商建构产业链开发 AR/VR 显示应用并展开测试,预计 2018 年底可达 4K2K、像素密度约 1,000 ppi,2019 年达到 8K4K、像素密度约 2,500 ppi,全采用单色 Micro LED 搭配量子材料实现色转换。只是 Micro LED 若要实现 AR/VR 显示应用商业化量产,也同样还有许多技术瓶颈待突破,不仅显示技术本身,还包括传输技术、VR 晕眩等问题,最快恐怕还需要 5 年才能走入量产。

Mini LED 为过渡技术?实与 Micro LED 大不同

尽管 Micro LED 显示技术潜力备受看好,其技术门槛仍是无法早日实现量产的一大关键,于是近半年来,市场上开始出现「次毫米发光二极管」(Mini LED)技术,有望做为 Micro LED 的过渡技术,导入大尺寸显示器、车用显示器、手机背光等应用。不过,Mini LED 产品之所以可以较快推出,主要是因为所采用的仍是 LED 传统制程,在切割上不断朝小尺寸精进,最小约可做到 5 x 6 mil 相当于 127 x 152 μm 左右,差不多快达极限,以含蓝宝石基板的 LED 来说,再切小会因劈裂问题而影响良率。

方彦翔认为 Mini LED 的宗旨与 Micro LED 完全不同,前者主要做为背光应用,因为含基板所以 LED 尺寸相对受限,除非尺寸能继续缩小,像素密度才有提高的可能,分辨率也才能更高,但以传统制程来说不易突破极限;后者则是颠覆传统 LED 制程工艺,也不需蓝宝石基板,LED 尺寸相对不受上述限制,要实现高解析仍非 Micro LED 不可。更重要的是,Micro LED 技术能整合多种传感器,应用更加广泛,这不仅是传统 LED 所无法达成的精神,同为自发光显示的 OLED 技术也一样难以超越。

工研院在去年 10 月中旬成立 Micro Assembly 联盟「CIMS」(Consortium for Intelligent Micro Assembly System),跨领域串联产业链建立交流平台。时隔一年,Micro LED 技术有了新进展,应用领域也有不一样的发展契机,今年 11 月 3 日工研院首次以 AR/VR 做为 Micro LED 论坛主轴,邀请讲者来自加拿大系统整合商 VueReal、美国玻璃基板厂康宁(Corning)、色转换技术商 VerLASE、日本纳米材料商 NS Materials、晶圆检测设备厂东丽工程(Toray Engineering)等,共同探讨 Micro LED 于 AR/VR 显示领域的技术发展与布局,期望在这创新生态链中凝聚产业力量,为 Micro LED 技术开创新局。

(来源:科技新报;图片来源:工研院电光所智能应用微系统组) 

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