Micro-LED 如何带来优秀显示效果

原文标题：《Micro-LED 如何解锁高清无码？》

五年前，苹果 iPhone X 开始搭载 OLED（有机小分子电致发光显示）屏幕；2021 年，苹果在新款 MacBook Pro 上搭载了新的显示技术：Mini-LED（次毫米发光二极管）。但 Mini-LED 不是终点站，苹果涉足的另一项储备技术，新秀 Micro-LED（微米发光二极管）显示技术或有望一统江湖。

之所以升级显示技术，都是为了看得更清晰、更还原真实世界。但目前，搭载 Micro-LED 技术的产品过于昂贵，如三星 110 英寸的 Micro-LED 电视，价格已超过百万元，普通人根本无福消受。Micro-LED 产品价格何时才能亲民，手机平板何时才能上 Micro-LED 屏幕？

改变人类生活的显示技术

简单来讲，你可以把 Micro-LED 理解成将 LED 缩放到极小尺寸的一种新型显示技术。其未来应用有望涉及显示器、电视、手机平板显示、增强现实 / 虚拟现实 / 混合现实（AR / VR / MR）、空间显示、柔性透明显示、可穿戴 / 可植入光电器件、光通讯 / 光互联、医疗探测、智能车灯等领域。

业界使用两种方法界定 Micro-LED 的技术规格。

一是通过芯片尺寸界定，将 LED 芯片缩放至小于 100μm，便可称为 Micro-LED 芯片（也有学者认为应以 50μm 为界）。根据观看距离和人眼的极限分辨率，对芯片尺寸的要求也不同：

• VR / AR 应用观看距离约 5cm，像素密度要达到 1800PPI 左右，此时 Micro-LED 芯片尺寸为 3~5 μm；

• 10 英寸~12 英寸的平板至少要达到 300PPI 的像素密度，对应芯片尺寸为 20~30μm；

• 75 英寸的电视则只需 43PPI，芯片尺寸往往为 200μm 左右。^[1]

另一种是通过工艺界定，由于 Micro-LED 芯片尺寸非常小，其长宽甚至比芯片的高度还小，导致芯片高度大于固晶面尺寸，不利于芯片在基板上固定，因此会比传统 LED 增加一步激光剥离芯片基板的操作。

纵观整个显示行业，技术持续涌现，目前市场主流技术包括 TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示）、AMOLED（主动矩阵有机发光二极管显示）、QD-OLED（混合 OLED 和 QLED 的技术）、QNED（以蓝光 LED 作为光源的 QD-OLED 显示）、Mini-LED、Micro-LED、Micro-OLED。

可以简单将现阶段显示技术分为 LCD、OLED、QLED、Micro-LED 四个大类，其他技术是在此基础上的改良版或过渡版，而 Micro-LED 被认为是理想的显示技术，是新型显示时代的终极目标，有望替代现阶段大面积使用的 LCD 和 OLED。

从黑白到高清彩色，CRT 技术满足了一代人对影响世界的梦想。从又厚又重到平板显示，LCD 和 OLED 满足了人们对轻薄、便携、对视力友好的要求。而现阶段，唯一能达到更接近现实，甚至是能够骗过人眼的下一代显示技术，是 Micro-LED。^[3]

行业人士认为，当多种显示技术集中爆发后，最终可能只会有一两种技术能主导市场，而最有希望的无疑是 Micro-LED。^[1]

Micro-LED 凭什么能获得如此高的评价？因为它不仅拥有 LED 的大部分优点，还具有高亮度、高分辨率、高响应速度、低功耗、体积小、易拆解、灵活度高、无拼缝等特征，能够覆盖绝大多数显示应用场景 ^[5]。与此同时，它的响应速度能够达到几十纳秒，没有残像且不存在寿命问题。^[3]

除此之外，对比 LCD、OLED、QLED 等前辈，Micro-LED 的主要性能参数均较为优异。

过渡技术已大规模商业化

Micro-LED 还有一个近亲：Mini-LED，可以将后者理解为 LED 与 Micro-LED 间的过渡技术。由于技术原理极为类似，业界普遍将二者归结于一个路线中，有些情况也会被合称为 MLED。

作为前序技术，Mini-LED 主要解决的问题是芯片尺寸断层问题，相关技术发展对 Micro-LED 具备一定的借鉴作用，其芯片尺寸一般为 75μm~300μm。

Mini-LED 要比 Micro-LED 实现起来简单地多，不仅在芯片尺寸上更容易被实现，而且在材料上也没有科学性的难题，已被量产投入到市场中，苹果、三星、TCL 等品牌已实现规模化量产。

但 Mini-LED 与 Micro-LED 有不同应用场景，市面上 Mini-LED 一般作为 LCD 背光源出现，再结合量子点技术，实现高动态范围显示，而 Micro-LED 则直接用于制作显示像素 ^[7]。简单来说，市售的 Mini-LED 显示器本质上还是 LCD，Mini-LED 只是 LCD 的一个陪衬，而 Micro-LED 显示器则直接发光成像。^[8]

自 2018 年开始，面板厂商陆续发布使用 Mini-LED 作为背光的样机，产品尺寸达到 152.4mm~685.8mm（6~27 英寸），至今为止，Mini-LED 背光的显示器已拥有 1398mm（55 英寸）、1651mm（65 英寸）、1905 mm（75 英寸）和 2159 mm（85 英寸）等型号，可达 8K 分辨率、120Hz 刷新率的高指标，可将现有显示器对比度由 10000∶1 拉升至 1000000∶1。^[9]

Mini-LED 产业化行径明晰，已具备一定出货量。2021 年，全球中尺寸 Mini-LED 背光面板出货量达 740 万片。到 2023 年，智能汽车将成为 Mini-LED 的新阵地。^[10]

作为中间过渡的 Mini-LED 产业一派欣欣向荣之势，而 Micro-LED 依然小众，那想让么 Micro-LED 出圈，究竟难在哪里？

想造，没那么容易

Micro-LED 什么都好，就是贵。究其原因，在于制造环节的难题较多，导致难以大量生产、良率较低，引发价格攀升。

从表面看，Micro-LED 芯片只是将 LED 芯片微缩化，但实际情况远比想象中要难。从毫米级到微米级转换的过程，本质是 LED 微小化、薄膜化和矩阵化，在该过程中材料生长、器件制备、驱动技术、生产工艺等步骤都发生了变化，最终产生质变。^[11]

Micro-LED 采用的是 RGB（红绿蓝）颜色标准，由于是自发光元件，想让 Micro-LED 显现图像，就要分别做出三基色的发光芯片，以此构成一个个像素。

用不同材料，可以制备不同颜色的 Micro-LED 芯片，如 InGaN / GaN 基材料用于制备绿光 / 蓝光 Micro-LED 阵列，AlInGaP / GaAs 基材料用于制备红光 Micro-LED 阵列，蓝宝石、砷化镓和硅等衬底上生长外延层，制备 Micro-LED 阵列。^[12]

从衬底到产品，Micro-LED 显示器会经过外延生长、芯片制造、巨量转移、性能检测四大工艺。

从技术上来看，芯片制备相关的材料和设备上相对成熟，问题症候在于制造环节，具体来说，Micro-LED 的壁垒包括以下几点：

都是小惹的祸

对芯片来说，尺寸做得越小，制造难度就越大，Micro-LED 亦如此。Micro-LED 芯片的尺寸实在太小了，将其制作成各种显示器件时，都要考虑小尺寸带来的影响。

要取得小尺寸的 Micro-LED，就要使用微缩制程技术，将 LED 芯片微缩后到满足应用要求的尺寸。微缩制程技术包括芯片焊接、晶圆焊接、薄膜转移三种路径，技术实施得越好，像素密度就会越高。

Micro-LED 还有个不得不面对的致命问题：在微缩过程中，时常会产生侧壁缺陷。比如，同样是 2μm 的误差缺陷，在 250μm×250μm 尺寸的 LED 上，剩余可使用率为 97%，但在 5μm×5μm 的 Micro-LED 上，剩余可使用率仅为 4%。^[14]

不仅如此，Micro-LED 芯片尺寸越小，电感耦合等离子体（ICP）刻蚀区域（侧壁）与有源区体积的比率就会越大，刻蚀损伤所形成的缺陷占比越高 ^[15]。导致非辐射复合比例逐渐上升，发光效率和使用寿命下降。如尺寸从 400μm 减小至 20μm，电流密度光效下降比例可达 50%^[7]。这还会导致有源区内肖克利・雷德・霍尔（SRH）非辐射复合几率增加、辐射复合几率和发光效率降低、引入新的漏电通道加重器件反向漏电。这些问题，在尺寸小于 10μm 的 Micro-LED 上尤为显著。^[16]

芯片尺寸问题还会让提高驱动器与 Micro-LED 阵列集成的效率和稳定性成为难题。简言之，量产 LED 或是 Mini-LED 的工艺流程，对 Micro-LED 来说可能不再适用。

巨量转移的困境

LED 显示器的每个像素点都由点阵组合而成，一个个小 LED 芯片组成的阵列的间距基本一致。Micro-LED 也是同理。制造出芯片后，也要将大批量的 Micro-LED 芯片定点巨量地转移到电路基板上，这个过程就是“巨量转移”。

与传统的 LED 不同，Micro-LED 的巨量转移不仅对转移精度、转移速率、色彩均匀度的控制有更高要求，转移数量也更大，4K 的 Micro-LED 显示器需完成两千多万颗的 Micro-LED 芯片倒装，而 8K 则达到了上亿颗。^[17]

目前巨量转移技术有多种技术方案，包括精准拾取技术、激光释放技术、流体自组装技术及滚轮转印技术等，不同技术拥有不同特性，但都存在一定弊端。

具体来说，精准拾取技术对转移设备精准度及稳定度要求极高；激光释放技术在实施过程中可能会对芯片表面造成损伤，降低良率，此外激光设备价格昂贵；流体组装技术需经历 3 次才能完成转移，效率较低；滚轮转印技术可在柔性基底上实现转移，但同样需要 3 次转移才能完成巨量转移。^[17]

部分方法在实验室可达 99.99% 的良率，但比起至少要达到 99.9999% 良率的产业化要求，相差距离较大。业界正在探寻一种易实现、良率高又较为便宜的技术方案。^[18]

缤纷色彩背后的挑战

为什么显示器能够呈现得如此丰富多彩？因为显示界普遍采用了 RGB（红绿蓝）颜色系统，通过 RGB 三原色叠加合成，能够实现肉眼可见的大部分色彩。想要 Micro-LED 能够正确描绘出画面，就要做好色彩方案，即全彩化。

Micro-LED 彩色化主要有两种解决方案：一种是蓝色源转色方案，但色转换材料存在涂布均匀性和信赖性等问题，应用较少；另一种是直接使用 LED 的 RGB 三色方案，但对 Micro-LED 来说，这种方案并不是拿来就能用，需要对 LED 大小进行相应调整，此外由于各色波长均一性差异，还会面临光效率和良率不足的问题。^[14]

产业链上的难题

造出 Micro-LED 芯片并不代表着结束，要让它真正显现在人们眼前，在多个技术领域上都要有所突破。

与其它芯片技术相同，Micro-LED 也将牵扯庞大的产业链与原材料问题，从原料到点亮屏幕，分为上游、中游和下游，每个环节都与最终成品息息相关，其中较为关键的技术包括驱动 IC、驱动背板和封装。^[19]

产业正蓄势待发

作为终极目标，Micro-LED 无疑是显示领域的明星。

2000 年以来，得州理工大学教授提出 Micro-LED 的概念，堪萨斯州立大学制备基于 Ⅲ 族氮化物 Micro-LED^[20]，学术界自此掀起研究浪潮。尤其在 2006 年后，开始呈指数型增长。谷歌学术数据显示，截止目前，Micro-LED 领域已有近 6000 篇文献。

世界各地研究机构与厂商也相继投入 Micro-LED 的研究，在消费电子巨头牵动下，Micro-LED 初步产业化。

2012 年，索尼发布 55 英寸高清 Micro-LED 电视面板 Crystal LED，它是首个作为商业产品出现的产品；

2014 年，苹果公司收购 Lux Vue，入场 Micro-LED 的技术研究，这项技术真正开始进入大众视野，迄今为止，苹果不仅持续推动 Micro-LED 技术发展，还发布了多款 Mini-LED 相关产品；

2018 年，三星于 CES 展推出全球首款模组化拼接的 146 英寸 Micro-LED TV“The Wall”；

2020 年 12 月，三星发售 110 英寸 Micro-LED 电视；

2021 年 1 月，Vuzix 发布首款商业化的 Micro-LED AR 智能眼镜。^[17]

从专利上来看，2002 年～2014 年，Micro-LED 专利申请总量较小。而自 2017 年开始，申请量开始大幅提升。^[21]

由于技术难题较多，现阶段 Micro-LED 整体市场规模有限，业内预计，Micro-LED 在 2024 年将实现大规模商用化。^[22]

据 Research And Markets 统计，2020 年，Micro-LED 的全球市场规模为 10 亿美元，预计到 2027 年将以 77.1% 的年复合增长率增长 ^[23]。另据高工产研 LED 研究所（GGII）预测，2025 年全球市场规模将超过 35 亿美元，2027 年有望突破 100 亿美元 ^[24]。反观国内方面，有望在大规模商用化之后冲击 800 亿元市场规模。^[22]

目前市场侧 Micro-LED 应用分为两大方向，一是以苹果为代表的可穿戴市场，另一个是以三星、索尼为代表的超大尺寸电视市场。短期来看，市场将集中在超小型显示器上，中长期来看，Micro-LED 将会横跨可穿戴设备、超大室内外显示屏幕、抬头显示器（Head-Up Display，HUD）、车尾灯、AR / VR / MR、投影机等多领域。^[25]

推进产业化的企业主要包括三类：第一类为传统 LED 芯片和封装企业，如日亚、晶电 Lumens 等企业；第二类为 TFT-LCD 和 OLED 等新型显示企业，如京东方；第三类为终端企业，如索尼、三星、LG。

产业化形式上则以合作为主，Micro-LED 以定制化设计为主，加之技术要求较高，行业呈现高度整合态势，面板、芯片、巨量转移及驱动 IC 等厂商抱团式发展。^[26]

国际上，相关融资也此起彼伏，目标均指向大规模产业化。

Micro-LED 在国内也受到热捧，在政策上不断倾斜，且投融资动作频繁。《2022 Mini / Micro LED 显示产业白皮书》显示，仅 2022 年 1 月~8 月，国内就有 30 多家企业有投资动作，涉及资金总计达 415 亿元。^[10]

我国产业链上下游企业也纷纷在 LED、巨量转移、彩色化、检测、修复等关键技术开展技术合作，形成“京东方 + 华灿光电”“三安 + 华星光电”“富采 + 錼创 + 友达 + 群创”三大阵营 ^[27]。与此同时，国内已展开可穿戴显示、高清移动显示、车载显示、高清大尺寸显示、超大尺寸拼接商用显示样机的研发及试产工作。^[18]

对产业来说，Micro-LED 未来之路非黑即白，从好的方面来看，市场前景一片光明，从坏的方面来看，短时是销量的博弈。

一方面，市场下行，面板行业则是砍单风暴的第一批“受害者”，消费电子需求不济，不知道这种情况是否会在大规模商业化时有所缓解。

另一方面，对普通消费者而言，他们更多关注的是产品的性能、功能及价格，对于采用是哪种技术，并不会过多关心。对于显示厂商来说，最为重要的，可能便是思考如何让更多普通消费者感受到 Micro-LED 对生活的改变。

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本文来自微信公众号：果壳硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，编辑：李拓