當(dāng)蘋果發(fā)表了采用OLED顯示技術(shù)作為顯示面板的Apple Watch時，著實地讓蘋果迷的眼睛為之一亮，并且贊嘆OLED顯示器的色彩高度飽和力，特別是最新的Apple Watch所采用的面板尺寸比前一代更大，更是吸引了無數(shù)蘋果迷的目光。最新的訊息是，蘋果將把新一代產(chǎn)品的顯示技術(shù)投向Micro LED，讓已經(jīng)掀起一片研發(fā)熱的顯示器業(yè)界，無不再卯足全力，希望能在商品化量產(chǎn)的地位上居于領(lǐng)先的地位。
Apple Watch將采用Micro LED
Micro LED顯示器所采用LED尺寸為微米等級，具有畫素的獨立控制、獨立發(fā)光控制、高輝度、低耗電、超高分辨率和高色彩度等特點，并且如果結(jié)合奈米布線的話，更可以讓微米等級的超小型LED達(dá)到可彎曲軟性顯示器的特色。
由于Micro LED顯示具有與OLED相近的高度色彩飽和度，采用自發(fā)光的原理，耗電量僅需液晶面板的不到十分之一電力等等的優(yōu)勢特點，再加上，蘋果與SONY均發(fā)表希望在2018年采用Micro LED顯示面板作為便攜式產(chǎn)品的顯示器后，Micro LED顯示技術(shù)變成了業(yè)界最熱門的技術(shù)話題之一，也因此讓蘋果在2014年收購了以研發(fā)Micro LED顯示技術(shù)為主的LuxVue。
LuxVue在Micro LED顯示技術(shù)的領(lǐng)域已經(jīng)擁有各式各樣應(yīng)用的專利，例如在2015年申請的“利用同時具備發(fā)光能力與感測功能的LED，來做為顯示面板”，由于兼具感測功能更是引發(fā)業(yè)界所關(guān)注。就如同最近所發(fā)表的iPhone X就是汰除了利用實體傳感器來進(jìn)行指紋辨識，而改采熒幕中內(nèi)藏的傳感器進(jìn)行臉部掃描辨識。
此外，如同BMW的新世代開發(fā)一樣，在3系列中大膽地采用一些突破性的設(shè)計觀念，隨后5系列也隨之導(dǎo)入。Apple Watch也是率先采用OLED做為顯示熒幕，接下來今年所發(fā)表的新一代iPhone X和iPhone 8就接續(xù)采用。而新一代的Apple Watch預(yù)計將Micro LED顯示器做為熒幕，因此業(yè)界的眾也就開始大膽預(yù)測是否未來的iPhone會如同OLED一樣，跟隨Apple Watch采用Micro LED顯示器做為熒幕。
對于眾所注目的Micro LED顯示器何時能商品化，無論是顯示產(chǎn)業(yè)界、還是智能型手機業(yè)界、大型電視業(yè)界、OLED顯示業(yè)界等等都無不抱著期待與關(guān)心，并且也都在Micro LED顯示技術(shù)不斷地推進(jìn)下，各自在特定的領(lǐng)域全力投入地進(jìn)行中。
150μm的Micro LED將在2018年現(xiàn)身?
根據(jù)LEDinside在2017年7月所發(fā)表的一份Micro LED顯示器研究報告中指出，目前Micro LED顯示器進(jìn)入實際量產(chǎn)的最大瓶頸，還是在如何將數(shù)量龐大的微米尺寸LED芯片轉(zhuǎn)移到電路基板(Backplane)上，也就是業(yè)界口中常說的巨量轉(zhuǎn)移(Mass Transfer)。雖然Micro LED顯示技術(shù)吸引著全球各大顯示業(yè)者、半導(dǎo)體業(yè)者與LED業(yè)者積極加入，但是對于上述Micro LED顯示器的量產(chǎn)瓶頸-巨量轉(zhuǎn)移，也都加緊開出獨特的技術(shù)，來提升小時產(chǎn)能(UPH ; unit per hour在每小時時間中能夠生產(chǎn)的單位數(shù)量)、巨量轉(zhuǎn)移的良率以及最佳與適用的LED芯片尺寸，希望能夠領(lǐng)先群雄邁入量產(chǎn)的階段，拔得市場的頭籌(圖1)。
圖1 : Micro LED顯示技術(shù)吸引全球各大相關(guān)領(lǐng)域業(yè)者，希望能夠領(lǐng)先群雄邁入量產(chǎn)的階段，拔得市場的頭籌。(資料來源:LEDinside)
在這一份報告中，將Micro LED芯片的尺寸定義在100μm以下，不過目前，業(yè)界對于開發(fā)Micro LED的主流尺寸還是在150μm，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)的開發(fā)也都是以150μm為目標(biāo)來進(jìn)行，因此相信市場上所出現(xiàn)第一代Micro LED顯示器以及投影機模塊的LED尺寸將會落在150μm。此后伴隨著市場接受度提升以及產(chǎn)能規(guī)模的擴(kuò)大，才會有機會期待相關(guān)的競爭業(yè)者進(jìn)一步的投入，并且開發(fā)出100μm或者尺寸比100μm更小的LED以及巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)。
但是，對于Micro LED顯示器的制造量產(chǎn)技術(shù)來說，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)只不過是4大主要量產(chǎn)制程關(guān)鍵技術(shù)之一而已，其他還有非常多的困難需要去一一的克服。目前對于巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)來說，如何達(dá)到低投資高產(chǎn)效需要視幾個方面來觀察，包括了設(shè)備精度的提升、降低轉(zhuǎn)移時的不良率、縮短生產(chǎn)時間、高可靠的檢測方式與設(shè)備、不良品的在處理利用、降低量產(chǎn)成本以及更聰明的量產(chǎn)方法等，這7個主要領(lǐng)域的進(jìn)展速度。
技術(shù)瓶頸逐一突破
并非只有巨量轉(zhuǎn)移的技術(shù)是最難度的，就像能夠達(dá)到RGB三原色Micro LED中的紅光部分以及在微米等級里如何提升LED的亮度，困難度也非常高，這相對考驗著LED磊晶業(yè)者的技術(shù)能力。
此外，甚至于包括LED芯片的供應(yīng)商、半導(dǎo)體業(yè)者，以及顯示器整體的供應(yīng)鏈也都要加入以及配合開發(fā)出，如LuxVue、eLux、VueReal、X-Celeprint、法國CEA-Leti、Sony及沖電氣工業(yè)、镎創(chuàng)、臺工研院、Mikro Mesa及臺積電等等，能讓Micro LED顯示器進(jìn)入真正量產(chǎn)所需要的各種生產(chǎn)設(shè)備、量產(chǎn)材料、檢測標(biāo)準(zhǔn)以及制造技術(shù)。但是由于各業(yè)者之間仍舊有著相當(dāng)大的差異性與能力不同，因此更需要拋除各自的偏見，在各自擅場的領(lǐng)域提升技術(shù)層次，并且全心通力合作，來跨越技術(shù)性的阻礙，當(dāng)然這也是需要投入相當(dāng)程度的資金、人力與時間。
例如，在材料方面，2017年4月全球最大藍(lán)寶石晶圓供應(yīng)商俄羅斯大廠Monocrystal，也針對未來Micro LED所需，發(fā)表了Ultra Clean等級的藍(lán)寶石磊晶晶圓，Monocrystal利用最新進(jìn)的潔凈技術(shù)，將藍(lán)寶石晶圓表面1μm以下的污染物清除到20~50個左右。Ultra Clean等級的藍(lán)寶石晶圓，在進(jìn)行圖形化藍(lán)寶石晶圓基板制程(PSS ; Patterned Sapphire Substrate)時，就不須進(jìn)行前段洗凈的作業(yè)工程，這樣的結(jié)果下可以讓PSS業(yè)者的良率提升到95%~99%，進(jìn)而減少耗損以及降低成本。這對于正在起步開發(fā)Micro LED的LED芯片制程業(yè)者來說，無異是相當(dāng)大的助力(圖2)。
圖2 : Monocrystal的新一代高潔凈藍(lán)寶石晶圓將大幅提升制程良率。
更進(jìn)一步的來看，目前能夠?qū)崿F(xiàn)Micro LED顯示器大量生產(chǎn)的決定點，如果以工業(yè)制程6個標(biāo)準(zhǔn)差(6σ)來看的話，LEDinside認(rèn)為巨量轉(zhuǎn)移制程的良率須達(dá)到4個標(biāo)準(zhǔn)差等級(4σ)，才有機會商品化。但這樣的程度下，檢測成本以及缺陷修復(fù)的成本仍然相當(dāng)高，因此，期待要做出成熟的商品化Micro LED顯示器產(chǎn)品，并達(dá)到具有市場競爭力的量產(chǎn)成本的話，LEDinside相信Micro LED顯示器的巨量轉(zhuǎn)移良率至少要達(dá)到5個標(biāo)準(zhǔn)差(5σ)以上。
Micro LED的商品化關(guān)鍵
目前開發(fā)中的巨量轉(zhuǎn)移制程有數(shù)種的解決方案，包括應(yīng)用市場、設(shè)備投資、小時產(chǎn)能(UPH)、以及量產(chǎn)成本等等各種的技術(shù)，但是最終將會選擇其中一項來作為進(jìn)入商品化的突破點，此外各業(yè)者的制程能力及良率控制，也是影響產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵。
以現(xiàn)有發(fā)展?fàn)顩r看來，LEDinside認(rèn)為被定義100μm以下的Micro LED顯示器將會最先被應(yīng)用在室內(nèi)大型顯示設(shè)備以及穿戴式產(chǎn)品上，例如智慧手表、智慧手環(huán)等。由于目前要完成巨量轉(zhuǎn)移的量產(chǎn)技術(shù)的難度還是非常的高，因此目前投入的業(yè)者大多還是以現(xiàn)有的晶圓接合制程設(shè)備(Wafer Bonding Process)作為方案來進(jìn)行研發(fā)。不過現(xiàn)下各應(yīng)用產(chǎn)品所需求的畫素數(shù)目都不相同，因此為了達(dá)到縮短研發(fā)與量產(chǎn)的時程，或許會先以畫素需求較少的產(chǎn)品應(yīng)用作為先期開發(fā)目標(biāo)。
到目前為止，唯一將Micro LED顯示器技術(shù)進(jìn)展到商品化的只有SONY(SONY)，SONY利用了Micro LED顯示技術(shù)將顯示器開發(fā)成大型電視墻的型態(tài)，并命名為CLEDIS(圖3)。
圖3 : SONY利用了Micro LED顯示技術(shù)將顯示器開發(fā)成大型電視墻的型態(tài)，并命名為CLEDIS。
SONY采用自行所開發(fā)比一般LED尺寸更小，面積約20μm平方的RGB Ultra Fine LED芯片，并且將數(shù)量龐大的LED芯片封裝在黑色的基板上。并且將每一片基板以密鋪(Tiling)的方式，形成一個寬度9.7公尺 X 高度2.7公尺的8K X 2K的大型顯示器，達(dá)到了可以隨心所欲的將熒幕畫面進(jìn)行縮放(Scalable)。初期，SONY所鎖定的目標(biāo)客戶為工業(yè)設(shè)計以及模擬應(yīng)用的市場領(lǐng)域，并且也將客戶目標(biāo)族群橫跨到飯店和需要進(jìn)行展示的企業(yè)。
SONY的CLEDIS是利用封裝的方式來讓單一RGB LED芯片形成一個畫素，因為LED的發(fā)光能力是會取決于材料本身的特性。一般而言，綠光和藍(lán)光的LED芯片是利用藍(lán)寶石、碳化硅(SiC)或者是氮化鎵(GaN)晶圓為基板來完成發(fā)光層，而紅光的部分則是采用砷化鎵(GaAs) 晶圓來進(jìn)行制程作業(yè)，基本上是不太可能在同一片材料基板上同時完成紅光、藍(lán)光和綠光的LED發(fā)光結(jié)構(gòu)。
RGB LED芯片的技術(shù)難題
由于CLEDIS是作為電視墻用，所以本身的尺寸較大，因此在RGB LED芯片的封裝間距上并沒有太過緊密性的要求。但是如果一旦面對如APPLE WATCH這樣的應(yīng)用，在極小的面板尺寸下，如果要求Micro LED顯示器在多元化應(yīng)用與高精細(xì)顯示能力能更上一層樓的話，在同一片晶圓材料上完成單片式RGB LED芯片的制程技術(shù)與材料，以及超高密度的封裝技術(shù)就相當(dāng)?shù)谋黄诖耍@也是目前Micro LED顯示器最大的瓶頸點。
但在同一片晶圓材料上完成單片式RGB LED芯片，這也不是不可能發(fā)生的事情，目前在同一片晶圓上完成RGB LED芯片，已經(jīng)有一些技術(shù)被提出來討論，例如，利用薄膜來進(jìn)行波長變換技術(shù)，或是Micron(Nano) Wire LED芯片….等等。
利用薄膜來進(jìn)行波長變換的技術(shù)想法，是VerLASE Technologies在2015年所發(fā)表的。VerLASE Technologies稱之為“Chromover波長變換技術(shù)”，關(guān)鍵的薄膜變換層，VerLASE Technologies是利用硒化鎵、二硫化鎢、二硫化鉬等等材料，在石墨烯上形成片狀的薄膜，這項技術(shù)VerLASE Technologies已經(jīng)在美國取得技術(shù)專利。
Chromover波長變換技術(shù)是在藍(lán)光LED芯片陣列上，采用將共振器腔面圍繞在半導(dǎo)體量子井，進(jìn)而能在同一材料晶圓上進(jìn)行將薄膜變換層進(jìn)行重疊，就能夠在薄膜激發(fā)藍(lán)光的時候，進(jìn)行綠光和紅光的變換。這個構(gòu)想是希望能夠取代目前利用熒光粉以及量子點來進(jìn)行發(fā)光顏色改變的構(gòu)想(圖4)。
圖4 : VerLASE Technologies希望能夠取代目前利用熒光粉以及量子點來進(jìn)行發(fā)光顏色改變的構(gòu)想。
而另一項的Micron(Nano) Wire LED芯片技術(shù)是由法國的Aledia以及瑞典的glo等等機構(gòu)所共同開發(fā)的。簡單的說，就是在晶圓上進(jìn)行奈米等級的柱狀立體加工制程，讓每根柱狀都形成發(fā)光層。這樣的立體加工制程所生產(chǎn)出來的LED，其發(fā)光亮度會比普通制程LED來的更高，并且能夠達(dá)到在同一個晶圓上，甚至于同一個芯片上能夠激發(fā)出多色彩的能力(圖5)。
圖5 : 法國的Aledia利用立體加工制程，讓每根柱狀都形成發(fā)光層。
臺灣地區(qū)廠商急起直追
在臺灣地區(qū)，各大顯示業(yè)者也不可能缺席Micro LED顯示器此一研發(fā)盛會，包括LED芯片最大業(yè)者晶元光電、液晶面板的雙龍頭友達(dá)光電和群創(chuàng)光電等公司也都積極地投入Micro LED顯示器相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。除了這三家公司之外，镎創(chuàng)科技以及臺工研院也都投入了Micro LED顯示器相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。在全球方面，三星電子、LG電子、日亞化學(xué)、夏普、SONY、LuxVue、從伊利諾伊大學(xué)研究室獨立成立的X-Celeprin等等都在Micro LED顯示器研發(fā)路也都互不相讓。
晶元光電副總與發(fā)言人張世賢曾經(jīng)在2016年表示，雖然以晶元光電來說，在磊晶和晶粒的制程部分，Micro LED成功機率高，至于能否在2017年量產(chǎn)出貨，則還要很努力。由于Micro LED體積很小，磊晶、晶粒制程上還需要配合移轉(zhuǎn)設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)用等廠共同開發(fā)。
而友達(dá)光電則是結(jié)合旗下的隆達(dá)光電來進(jìn)行Micro LED顯示器的開發(fā)，Micro LED顯示器實驗線在2016年已經(jīng)在隆達(dá)光電安裝完成，并且展開相關(guān)的研發(fā)工程。而群創(chuàng)光電也是對Micro LED顯示器的成長潛力相當(dāng)期待，群創(chuàng)光電與同一集團(tuán)下，由母公司鴻海精密投資的榮創(chuàng)能源(AOT)合作開發(fā)Micro LED顯示器。
鴻海精密除了支持群創(chuàng)光電全力發(fā)展Micro LED顯示器之外，也和已經(jīng)是被視為集團(tuán)內(nèi)一員的夏普，聯(lián)手投資美國的Micro LED顯示器開發(fā)公司- eLux。
不過，與鴻海集團(tuán)是以資金方式投入所不同的是，夏普是利用其在顯示器的生產(chǎn)制造、組裝、低成本化等等方面所擁有的21項專利作為標(biāo)的，來換取eLux約700萬美元的股權(quán)。而鴻海部分則是借由旗下群創(chuàng)光電和榮創(chuàng)能源來對eLux進(jìn)行投資。完成股權(quán)分配后，注冊在英屬維京群島的Cyber Agent Ventures取得45.45%的比例，而夏普則是31.82%，下群創(chuàng)光電和榮創(chuàng)能源分別為13.64%與9.09%。就比例而言，鴻海集團(tuán)下的公司共取的了54.55%的股權(quán)，也就代表著鴻海雖然間接，但卻是實質(zhì)地掌控了eLux的營運。
臺灣地區(qū)除了收購海外Micro LED顯示企業(yè)來加速技術(shù)的開發(fā)外，由于镎創(chuàng)預(yù)定2017年下半年開始量產(chǎn)Micro LED顯示器所需的Micro LED 芯片，因此，另一方面市場也傳出了，韓國三星電子有意以1.5億美元收購臺灣的镎創(chuàng)科技。如果，三星確實能如愿且在時程上順利的收購了镎創(chuàng)科技，那么，就有相當(dāng)大的機會能夠滿足蘋果預(yù)計在2018年采用的Micro LED顯示器作為APPLE WATCH熒幕面板的供應(yīng)鏈。雖然盡管三星并不認(rèn)為Micro LED能取代OLED，但也為了不可預(yù)期的變化，三星仍舊為了Micro LED顯示市場來臨而作的預(yù)先準(zhǔn)備。
除了LED小尺寸化、提升LED發(fā)光能力、克服巨量轉(zhuǎn)移課題….等現(xiàn)有的瓶頸困難點之外，另一方面，臺灣地區(qū)也正在努力針對Micro LED顯示技術(shù)所需要開發(fā)出相對一的驅(qū)動芯片。基于期待Micro LED顯示器能夠展現(xiàn)更高的分辨率與色彩飽和能力，因此在單一背板中就必須置入數(shù)量龐大，且尺寸更細(xì)小化的LED，這時巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)就變得非常的重要，同時也是繼當(dāng)成本的一個關(guān)鍵條件。但如何讓數(shù)量如此龐大的LED能夠獨立控制、獨立發(fā)光，這必須仰賴處理速度更快、傳輸量更大、可靠度更高、耗電量更低的新一代驅(qū)動芯片來完成。
由原本就長時間經(jīng)營LED顯示以及LED照明領(lǐng)域驅(qū)動產(chǎn)品的聚積科技，結(jié)合了臺工研院的力量，開發(fā)Ultra Fine Pitch LED顯示用驅(qū)動芯片，來補足尚未周全Micro LED顯示技術(shù)的一環(huán)。
聚積科技早在2014年就已經(jīng)發(fā)表并且銷售Ultra Fine Pitch LED顯示器用的驅(qū)動芯片，但是對于更高難度的Micro LED顯示需要，就必須要正視現(xiàn)有技術(shù)能力的瓶頸點，并且加以克服，因此在聚積科技現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)下加速的開發(fā)Micro LED顯示驅(qū)動IC就變成迫不及待的事情了。
整合資源
以目前來說，顯示業(yè)界對于Micro LED顯示器的開發(fā)狀況與進(jìn)度都非常的關(guān)心，Micro LED顯示器是否能如各市場調(diào)查研究機構(gòu)，以及各媒體所預(yù)測與期待的能有快速且巨大成長的潛力，還是緊系在是否能夠突破Micro LED顯示器量產(chǎn)時所面對的種種困難，而這些克服困難和瓶頸卻又不是單一產(chǎn)業(yè)或單一企業(yè)能夠獨自完成的。
綜觀各地區(qū)企業(yè)的技術(shù)能力，都各有所長與能力，到目前為止，并沒有一個國家或地區(qū)的企業(yè)能夠涵蓋所有技術(shù)能力。以中國臺灣地區(qū)來說，在LED和顯示器的研發(fā)、量產(chǎn)和低成本化能力，都是領(lǐng)先其他國家/地區(qū)的企業(yè)，并且蘋果也看好中國臺灣的能力，在龍?zhí)对O(shè)立Micro LED顯示器研發(fā)工廠，但是臺灣地區(qū)在材料與設(shè)備部分卻又力有未逮，因此，現(xiàn)階段更需要結(jié)合臺灣地區(qū)自動化設(shè)備以及大量引入海外材料業(yè)者，并且投入資金、人力共同在Micro LED顯示器研發(fā)的里程上，成為領(lǐng)先集團(tuán)中的一員。
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