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Micro LED爭下世代地位 巨量轉移技術待突破

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Sony領先業界推出Micro LED 顯示幕。來源:Sony

微發光二極體(Micro LED)具有節能、機構簡易、體積小、薄型等特性,再加上擁有自發光,無需背光源,且解析度超高等優點,已被視為繼OLED之後的下一世代顯示器技術。尤其是Micro LED的發光效率優於OLED,兩者相差可達2∼3倍,因此以用於同樣亮度的顯示幕而言,Micro LED顯示幕的電池壽命可高出2∼3倍,有助於解決顯示幕最令人不滿的功耗問題。

簡而言之,Micro LED為LED微縮化和矩陣化的技術,也就是在晶片上整合高密度微小尺寸的LED陣列,其中的每一個像素皆可定址、單獨驅動點亮。LEDinside 2017年報告指出,若以全面取代現有液晶顯示器的零組件的規模來推估,包括背光模組、液晶、偏光板等,未來Micro LED的潛在市場規模約可達300∼400億美元。

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工研院成立「巨量微組裝產業推動聯盟」切入Micro LED。來源:ITRI

Micro LED是實現小間距LED顯示幕的關鍵技術,所謂小間距LED顯示幕是指LED點間距在P2.5及以下的室內LED顯示幕,主要包括P2.5、P2.083、P1.923、P1.8、P1.667、P1.5等LED顯示器產品。

取代LCD螢幕  Micro LED顯示幕現身

Micro-LED 的特性非常適合運用於超小間距室內顯示幕,高解析度、可任意拼接且無拚接縫,特別適合零售、精品業做為店內廣告螢幕使用,對於取代現有 LCD螢幕方案具備強大競爭力。

根據TrendForce LED報告指出,小間距LED顯示幕的整體市場規模於2017年將達到11.41億美元,預計2021年將可達到17.70億美元,2015至2021年複合成長率將達到23%。Transparency Market Research 也估計,2024年小間距LED顯示幕產值可達31億美元。

然而,現階段要製造P1(點間距1mm)以下的小間距LED顯示幕,已遇到技術與成本瓶頸,無法順利量產,而Micro-LED可以實現這方面的突破。

SONY領先業界推出的Micro LED顯示幕 - CLEDIS(Crystal LED Integrated Structure),被視為Micro LED技術前進的一大步。SONY的CLEDIS 巨型顯示螢幕總長寬為970cmx270cm,解析度高達8K2K,共由144塊40.3cmx45.3cm的Micro LED模組無縫拼接組成,透過拼接處理能自由組成尺寸更大的顯示螢幕,換修不良品也相對容易。

降低製造成本  Mass Transfer技術是關鍵

Micro LED持續進展,不過,截至目前為止,Micro LED製造成本仍居高不下,影響商用化進程,原因在於關鍵的「巨量轉移 (Mass Transfer)」微組裝技術瓶頸仍待突破。

整體而言,隨著科技發展,電子產品將持續走向高整合、多功能、微小化等趨勢,因此能同時大量轉移不同元件的微組裝將成為下一代新興技術,此技術首先會用於Micro LED顯示器,相關廠商需能夠快速地將大量的Micro LED晶片移轉至基板上,如此才能降低成本。

Micro LED 尺寸已微縮至微米(Micron)等級,相近於一根頭髮或更小,未來隨著技術不斷發展,甚至可以做到人眼無法看見的顆粒大小。

基本上,由於Micro LED生產時不受面板廠尺寸限制,且透過「巨量轉移」技術,Micro LED廠房可以塑膠基板或矽基板取代玻璃基板,所以初估僅需新台幣數十億元,就可以建置一個可規模量產的Micro LED廠房,資金投入較建置大尺寸面板廠房所需的百億、甚至千億台幣少了許多。

資金門檻雖低,但Micro LED製程難度卻是極高。LEDinside指出,Micro LED製程採用的巨量轉移技術極具挑戰性,困難之處包括設備的精密度、轉移良率、轉移時間、製程技術、檢測方式、可重工性及加工成本等,且牽涉的產業領域極廣,涵蓋LED、半導體、面板上下游供應鏈的各個環節,所需晶片、機台、材料、檢測設備等也不同於過去規格。就製造細節來看,PCB 平整度、線寬、線距與整合式驅動IC等,其中也存在許多問題有待解決。

全球近百家業者投入  量產可期

Micro LED生產技術門檻頗高,不過仍吸引全球許多業者投入轉移技術的研發,如LuxVue、eLux、VueReal、X-Celeprint、法國研究機構CEA-Leti、Sony及沖電氣工業(OKI);台灣則有錼創、工研院、Mikro Mesa及台積電等。全球投入Micro LED的相關廠商及單位已高達近100家。其中,蘋果於2014 年5月收購LuxVue後,已取得237件Micro LED技術專利。

台灣的新創公司錼創,透過巨量轉移(Mass Transfer)技術將Micro LED安裝(mount)於TFT基板上,且已將Micro LED手錶的試製品轉寫良率提升至100%,目前則極力突破結合3色RGB的Micro LED製造良率瓶頸。該公司預計2018年起將可望與終端客戶進行產品設計與開發,最快將在2019年看到產品問世。

鴻海集團與夏普則是已收購美國新創公司eLux,正式切入Micro LED技術布局,並採取集團分工模式,由夏普將21項Micro LED相關專利移轉給eLux,未來將供應CMOS感測元件等電子零組件技術,而鴻海旗下的群創將主導研究巨量轉移技術、並由榮創配合開發LED磊晶規格。

此外,德州理工大學已發表「綠光主動定址Micro LED陣列晶片」,此技術是結合Micro LED陣列和CMOS的驅動IC,每顆Micro LED微晶粒皆對應一驅動電晶體電路,可進行個別的發光控制。mLED公司也已提供 Micro LED技術平台,配合客戶開發生醫、微顯示、列印、半導體製程光源等相關應用模組或產品。

台灣工研院則以化合物半導體製程技術結合LED微晶片與場效電晶體基板,目前已成功發展出可達2,000 ppi的單色Micro LED技術,且成功將自製單色Micro LED陣列產品整合至HMD與HUD系統上,進行測試。在三色RGB全彩技術方面,工研院也已發展出446 ppi解析度的相關技術,已可應用於高階智慧型手機。

建立微組裝供應鏈  先期卡位市場

投入廠商不少,不過廠商在選擇轉移技術時會依不同應用產品而定,並考量設備投資、每小時產出量(UPH)及加工成本等因素,此外,各廠商的製程能力及良率控制,也是影響產品開發的關鍵。

LEDinside報告指出,目前全球廠商積極布局轉移製程,但考量每小時產出量與良率無法達到商品化,廠家轉往晶粒大小約150μm的類Micro LED解決方案,預計2018年類Micro LED顯示與投影模組產品將率先問世,待巨量轉移製程穩定後再朝向Micro LED規格產品邁進。以現有發展狀況看來,室內顯示器、智慧手錶、智慧手環將優先應用Micro LED。

Micro LED和微組裝技術極為複雜,基本上是無法靠單一產業實現,需整合業界力量。因此,為求掌握Micro LED產業先機,工研院已成立「巨量微組裝產業推動聯盟」,約有20多家廠商共參與,涵蓋LED、材料、IC設計、半導體封裝、面板、系統應用等領域。

工研院並與聚積科技簽署共同開發「超小間距LED數位顯示技術合作案」,藉由此次合作,聚積科技將能加速Micro-LED顯示螢幕驅動 IC 的開發時程,於未來協助客戶導入Micro-LED於超小間距顯示幕應用。透過各項作為,台灣可望在下一世代顯示技術的競爭中,成為全球巨量微組裝產業鏈供應重鎮。