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最後一塊拼圖?終極顯示技術Micro LED助攻面板業轉型
 

【作者: 季平】   2023年03月10日 星期五

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市場傳出,蘋果(Apple)的Apple Watch Ultra可能於2024年導入Micro LED面板技術。雖然尚未看見事實發生,但早在元宇宙(Metaverse)話題引爆之初,第三代終極顯示技術—微發光二極體(Micro LED)相關技術的研發與應用已備受市場關注,業界也相當關心Micro LED未來是否有機會取代Micro OLED。在第一代平面顯示器TFT LCD、第二代OLED獨霸市場多年後,第三代Micro LED能否接棒演出,甚至帶動面板業轉型,眾人敲碗期待!


研調機構Quadintel指出,2021年全球Micro LED顯示器市場規模為10.41億美元(約合新台幣301億元),2030年將成長至913.8億美元(約合新台幣2.6兆元),年複合成長率達75.2%,藍海商機令人垂涎。研調機構TrendForce指出,受惠於蘋果(Apple)預計2024年率先導入Micro LED技術於消費性電子產品Apple Watch,2026年至2030年Micro LED技術應用範圍有機會擴大到其他裝置,如AR眼鏡、手機、車用顯示。


關於終極顯示技術Micro LED的二三事

終極顯示技術Micro LED終於不再只聞樓梯響,準備上岸。但是如果將時間拉回個十年左右,可以看到Micro LED產品主攻拼接式大型商用顯示螢幕的簡史,如Sony在2012年發表的Crystal LED Display原型,55吋顯示器就採用了622萬顆Micro LED。


三星(Samsung)2021年推出的The Wall商用顯示器內建16種神經網路模型,透過AI影像升頻與深度學習技術將影像優化至8K解析度;8K解析度、120Hz更新頻率及Simple 8K播放功能呈現極為細膩的畫質,15,360 x 2,160的畫素排列達16K超高解析度,在超過1,000吋的螢幕上展現巨型畫布般的磅礡氣勢。



圖一 : 三星(Samsung)The Wall商用顯示器。(source:Samsung)
圖一 : 三星(Samsung)The Wall商用顯示器。(source:Samsung)

2022年底推出的Apple Watch Ultra已經將顯示尺寸與亮度規格分別提升至1.93吋與2,000nits,可以滿足視野加大與戶外清晰閱讀的使用需求,Micro LED的應用領域則已擴及AR眼鏡。


錼創科技先進技術開發處副處長吳志凌指出,一般的LED尺寸較大,多半提供大型電視牆使用,Micro LED是將LED的結構微型化,移除LED基板,留下磊晶薄膜,移除封裝及基板後,LED元件尺寸可以縮小至50μm以下。Micro LED顯示器結合LED微型化與陣列化技術,以巨量轉移方式鍵合到含電路結構設計的驅動背板上,符合不同顯示器畫素尺寸,因此,微米級Micro LED晶片適用於手錶、手機、AR/VR、電腦螢幕、電視、車用等領域的應用。


三代顯示技術比一比

微型顯示技術包含矽基液晶技術LCoS(Liquid Crystal on Silicon)、數位投影技術DLP(Digital Light Processing)、雷射光學掃描技術LBS(Laser Beam Scanning)、Micro OLED、Micro LED等。


以同為自發光(Self-Emissive)顯示器的Micro OLED與Micro LED來說,Micro OLED的優點包含自體發光、視角廣、高亮度、高應答速度、高流明效率、低功耗、低成本、全彩化、面板厚度薄、使用溫度範圍大、可製作大尺寸及可撓曲性面板,而且沒有TFT LCD的殘影、畫面跳動現象,製程也相對簡單。


Micro LED的優點則包含反應速度快、高亮度、低功耗、壽命長、效率高、色彩飽和度高、大視角等,尤其在陽光下影像不會模糊,對於新一代智慧型穿戴裝置來說是一大利多,而且相當省電,耗電量約為LCD的10%,OLED的50%。


OLED的缺點在於亮度不夠,智慧型裝置須具備輕薄、高解析度、高亮度等特性,Micro LED所擁有的超高亮度是受先天材料限制的Micro OLED難以企及。以完全透明的AR智慧型眼鏡來說,必須搭配光波導技術,而光波導會帶來極高的顯示器原始亮度損耗,擁有高亮度優勢的Micro LED因此具有更為彈性的施展空間,而未來全透明的AR眼鏡及相關應用仰賴Micro LED顯示技術的可能性極高。


吳志凌表示,Micro LED具有以下優勢:可自體發光,比LCD更省電;亮度更高;可以做到更小,有更高的解析度;壽命更長;反應速度快,可應用於電競等高階顯示器領域;應用更彈性多元。


TFT LCD的優勢在於製造技術成熟,在各種尺寸顯示器應用上具有成本優勢,缺點在於非自發光顯示機制,須搭載背光模組,因此在耗電、體積、對比與撓曲性等方面受到不小的限制。OLED屬於自發光型顯示機制,沒有前述TFT LCD的劣勢,而且產品輕薄、顯示對比性佳,也具有撓曲折疊功能,但劣勢在於元件老化問題與產品使用壽命較短,二者的缺點卻可以由Micro LED補足。


@表格:表一:TFT LCD、Micro OLED與Micro LED的比較
















































?



TFT LCD



Micro OLED



Micro LED



背光源



LED背光模組



自體發光



自體發光



顯示效果









晶片尺寸



>300μm



約100-200μm



<30μm



耗電量









量產成本









應用領域



中低階電視、筆電、掌上型裝置、智慧型手機等



高階電視、智慧型手機等



高階電視、智慧型穿戴裝置等



Micro LED的利基與應用

工研院電子與光電系統研究所組長方彥翔指出,Micro LED最快可以實現的利基應用包含車載市場、AR/MR與透明顯示器。以車載領域來說,Micro LED具有微型、低功耗及高亮度等特性,可將感測器整合於同一模組中,車內主駕、儀表板、中控等系統導入Micro LED後可合併為單一大螢幕,同時具備曲面、互動智慧座艙等特性,甚至可以隨時偵測車內人員的生物特徵,帶來沈浸式的智慧化體驗。


至於元宇宙AR/MR的應用,由於Micro LED具有高亮度、高省電、體積小及高解析等特性,就算在日光下也能清楚顯示,加上功耗極低,可同步解決穿戴式裝置長期使用電力不足的問題。此外,Micro LED體積輕薄的特性易於整合感測元件,使AR眼鏡的外型更有機會趨近於一般眼鏡。至於透明顯示器的應用更為多元,比方將相關技術導入車窗玻璃,就能即時顯示各種資訊,也可以應用在各種商場櫥窗、室內鏡子及玻璃上。


不過,吳志凌認為,Micro LED產業與技術發展仍需要進一步整合,技術成熟度仍不夠高、成本仍偏高是弱勢之處,如果可以解決這些問題,未來有機會走到量產階段,但首先要改善製程,其次是使用更便宜的材料降低成本,終端產品及應用才能讓所有人都負擔得起。


目前市場主流為6吋產線,未來如果可以採用8吋產線生產Micro LED,可能更為經濟。其次,Micro LED的量產需仰賴半導體技術,未來相關業者能否整合從晶片到轉移、檢測維修的完整解決方案也是提高競爭力的關鍵要素之一。


成本優化是重中之重

顯示器供應鏈顧問公司Display Supply Chain Consultant(DSCC)預估,以配備OLED螢幕的Apple Watch Ultra為例,售價為799美元,如果真能在2024年導入Micro LED技術,2025年產品如期問世,售價可能必須調高約五倍之多,如果成本無法有效降低,勢必影響未來與元宇宙相關的應用普及性。


所幸,Micro LED成本優化的腳步近年來已有大幅進展,2022年的成本相較於2021年下降約50%,加速催生商用產品問世,如三星、LG分別推出新一代The Wall、MAGNIT Micro LED 顯示器產品;中國的雷曼、海信商顯推出主打Micro LED技術的巨型顯示器產品,大廠紛紛朝透明顯示器、智慧車艙等領域邁進,各家車廠都積極推出Micro LED透明顯示器搶佔商機。


另一個發展快速的商用領域為AR眼鏡,雖然AR眼鏡多年來以Micro OLED為主流技術,隨著AR眼鏡走向室外,亮度須達4,000 nits以上,加上光源至少要大於400萬nits,Micro OLED的材質特性走出室外很容易見光死。


Micro LED技術已能達到AR眼鏡所需亮度,2021年迄今,除了蘋果(Apple),全球已逾10個品牌業者推出Micro LED穿透式AR智慧眼鏡概念機,如美國智慧眼鏡公司Vuzix在2022年CES展中所展示的AR眼鏡Vuzix Shield搭配超薄雙目波導技術,配備1微米Micro LED投影模組,還擁有全球首款微型μLED立體顯示器,可連結智慧工作與AR系統。中國Micro LED大廠JBD與中國舜為合作發表Micro LED雙眼全彩AR眼鏡,搭載JBD 0.13吋0.8CC全彩光引擎,主打輕薄、便攜、低功耗與高亮度。



圖二 : AR眼鏡Vuzix Shield。(source:Vuzix)
圖二 : AR眼鏡Vuzix Shield。(source:Vuzix)

Micro LED技術角力 台灣隊有機會出線

全球Micro LED三大陣營包含台廠的富采(晶電、晶成、隆達)、友達與群創,陸廠的京東方、華燦光電、BOE Pixey及京東方晶芯科技,以及陸廠的華星光電、三安光電及芯穎顯示。工研院已於2022年推出全球首款「micro-LED微型全彩顯示器」,為單一面板具備紅綠藍三原色的高沈浸、高解析方案。



圖三 : 工研院2022年推出全球首款「micro-LED微型全彩顯示器」。(source:工研院)
圖三 : 工研院2022年推出全球首款「micro-LED微型全彩顯示器」。(source:工研院)

台灣的友達、群創於2022年參與認購富采控股公司私募案,三星、友達及晶電則共同投資錼創科技。各廠皆有擅長,如高階晶粒由富采旗下的晶電負責,巨量移轉以錼創科技為主,友達、群創等面板廠主導背板及驅動IC。


錼創早於2019年建立第一條Micro LED生產線,完整生產技術包含磊晶、晶粒製造、巨量轉移、巨量檢測及巨量修補,同時具備自製設備與調校能力。錼創自行研發波長亮度高均勻性的6吋RGB LED晶圓及高良率RGB Micro LED晶片,主要有三大產品線,分別應用於大尺寸拼接顯示器、消費性電子產品、車用顯示器、穿戴裝置及AR眼鏡等產品,可視不同客戶需求提供解決方案。


2022年的Touch Taiwan展中錼創就展示了9.38吋透明Micro LED顯示器,穿透率符合車廠要求的70%穿透度,解析度高,還能適應車用高、低溫等極限環境。錼創在今年的美西光電展(SPIE)中也展出與AR、車用及消費性電子產品相關的觸控式量子點色轉換Micro LED顯示器解決方案。



圖四 : 觸控式量子點色轉換Micro LED顯示器。(source:錼創科技)
圖四 : 觸控式量子點色轉換Micro LED顯示器。(source:錼創科技)

友達則在今年的美國消費性電子大展(CES)中發表Micro LED顯示技術導入車載應用,推出頂級車用顯示器,有助克服環境光對車內顯示效果的影響,可應用於汽車擋風玻璃或側窗上。


Micro LED沉浸式車艙顯示方案能透過高穿透度光學膜展現不同質感,讓顯示器融入車艙飾板,還能提供清晰完整的資訊,如14.6吋卷軸式Micro LED顯示器可提供導航或娛樂資訊,這款2K解析度的202 PPI軟性面板可搭配40毫米收納曲率半徑,方便捲起收納,增加車艙內的使用空間。



圖五 : Micro LED沉浸式車艙顯示方案。(source:友達)
圖五 : Micro LED沉浸式車艙顯示方案。(source:友達)

團隊合作助攻面板業轉型

工研院電子與光電系統研究所組長方彥翔與錼創科技先進技術開發處副處長吳志凌都認為,Micro LED的關鍵技術在於巨量轉移(Mass Transfer),除了技術,還需要巨量檢測、巨量修補相互配合。以主流的4K、2K顯示器為例,內含數千萬顆Micro LED,雖然生產良率已達99.99%,但每個顯示器中仍將產生數千顆不良品,如何在巨量轉移前挑揀不良品,在巨量轉移後快速修補是關鍵,加上各品牌端有不同的產品客製化需求,而巨量檢測或修補環節沒有前例可循,從技術開發到整合產業各端,處處充滿挑戰。


有別於傳統TFT LCD顯示器的成熟架構,Micro LED技術面板廠所面對的挑戰是過去沒有遭遇過的。隆達電子董事長蘇?正表示,進入Micro LED時代,需要跨域合作,尤其Micro LED高度客製化,需要廠商協力,靠團隊力打造產業競爭力,甚至引進新的供應鏈業者,擴大產業利基。


工研院電子與光電系統研究所組長方彥翔則認為,Micro LED有很大的機會協助傳統顯示廠商轉型,比方面板廠可以根據不同利基市場需求,從設計開發階段就參與其中,同時邀集上下游材料、設備、檢測等廠加入開發行列,成為品牌廠的Tier 1供應商,如此,不僅能提升面板廠的附加價值,還能帶動傳統顯示廠商成功轉型。


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