2020深圳市Micro LED产业发展白皮书

信息来源: 深圳国家高技术产业创新中心

发布时间: 2021-03-24

  报告认为

  1、当前,Micro LED显示在磊晶设计、巨量转移、全彩化等工艺技术方面存在诸多瓶颈,产业尚处于发展前夜,各国处在同一起跑线。

  2、美国、韩国、日本、中国台湾等地区纷纷布局Micro LED显示,苹果、三星、索尼等行业龙头正加速开发Micro LED产品,垂直整合产业资源,力图抢占行业制高点。

  3、深圳拥有雄厚的LED产业链基础,拥有华星光电、天马微电子、雷曼光电、洲明科技等骨干企业,具备得天独厚的Micro LED产业发展条件。

  4、深圳应把握发展时机,加紧统筹Micro LED显示布局,建议组建Micro LED显示技术研发平台,推动全产业链合力突破Micro LED产业化瓶颈。

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  Micro LED产业概览

  (一)Micro LED显示简介

  Micro LED(微型发光二极管)显示是一种新兴的显示技术,是LED微缩化和矩阵化技术,即将微小尺寸的LED阵列以矩阵形式高密度地集成在一个芯片上。按照行业共识,“微米量级”一般指相邻LED点间距在100微米以下(即P0.1以下),单个Micro LED总表面小于2500m㎡,类似50mm×50mm的正方形,或直径为55mm的圆形芯片。

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  图:Micro LED器件结构

  资料来源:网络,智能经济研究所整理

  Micro LED显示具有自发光、高效率、低功耗、高亮度、高稳定性、高对比度等优点,被业内认为是未来十年的主流显示技术。此外,Micro LED显示反应速度极快,计量单位在纳秒级别(十亿分之一秒);并且能够在超小尺寸下实现超高分辨率,是OLED产品分辨率的5倍。所以,Micro LED也被认为是虚拟现实(VR)与增强现实(AR)设备的最优屏幕选择。Micro LED具有广阔的发展前景,预期能够较快应用在对亮度要求较高的增强现实(AR)设备、车用平视显示器、超大型显示广告牌等产品,并逐步扩展到可穿戴设备、光通讯/光互联、医疗探测、智能车灯、空间成像等领域。

  (二)Micro LED显示产业链

  Micro LED显示技术的产业链可分为上游的芯片制造和巨量转移环节、中游的面板制造环节以及下游的应用领域。

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  图:Micro LED产业链

  资料来源:智能经济研究所

  上游的芯片厂商目前主要有欧洲的欧司朗、飞利浦,日本的日亚化学,国内的三安光电、乾照光电,新西兰的Infini等。其中,欧司朗和飞利浦已经被阿波罗收购,而Infini被Facebook收购,主要用来开发VR显示。传统LED龙头芯片厂商借助其技术和市场优势有望在Micro LED市场中维持其领先地位。各大终端企业也都积极与LED芯片企业合作,建立Micro LED供应链关系。

  中游的面板厂商目前基本上由传统平板显示龙头企业主导,如京东方、友达光电、群创光电、华星光电等。苹果未来可能会直接交给中国台湾代工厂做生产。三星本身拥有LED生产业务,所以发展Micro LED显示拥有强大的技术专利优势。

  不过在巨量转移这一环节,目前占主导的还是专业从事转移技术研发的初创企业,知名的有LuxVue、X-celeprint、MIKRO MESA、Play Nitride、ITRI、Elux等。其中,LuxVue被苹果收购,Elux被夏普参与投资并购。

  下游应用环节主要有Apple、Google、Facebook、三星、LG、索尼等知名厂商,它们主要推动Micro LED应用在手机、VR和电视等领域。

  (三)Micro LED产业全球发展概况

  随着Micro LED显示优势不断凸显,美国、韩国、日本、中国台湾等地区纷纷布局,苹果、三星、索尼、Facebook等行业龙头正加速开发Micro LED显示产品,垂直整合产业资源,力图抢占行业制高点。据研究机构LEDinside预计,Micro LED市场规模将会在2025年达到28.91亿美元,而国际市场研究机构Research and Markets则更为乐观,预测全球Micro LED显示市场将从2019年的6亿美元飙升至2025年的205亿美元,年均复合增长率将高达80.1%。

  目前,全世界不同区域厂商对于Micro LED布局有不同的发展策略,比如台厂以专业代工为主;韩厂积极进行战略合作;日厂以集团内发展为主;欧美厂商多半以新创公司及行业巨头布局为主;中国大陆厂商近两年动作频繁,大力开展合作与发布新样品。

  美国是目前全球Micro LED显示技术最发达的国家,技术研发较早,企业并购活跃。初创企业众多,比较有代表性的有X-celeprint。此外,龙头企业通过兼并购纷纷入局,比如2014年5月苹果收购LuxVue,2014年7月Facebook收购Oculus,2017年8月谷歌向瑞典Glo公司注资1500万美元。

  我国中国台湾地区Micro LED产业布局较早,技术发展较快、产业链较为完整。2016年,中国台湾工研院成立巨量微组装产业推动联盟,促进Micro LED的研发与商业化进程。目前,Mikro Mesa、Play Nitride、聚积、奇景、瑞鼎、联咏、友达、群创等形成了完整的产业研发链条,上下游合作紧密。但在国际分工中,中国台湾厂商目前主要选择专业代工,与三星、苹果等国际大厂进行深入合作。

  以索尼为代表日本大型企业也积极进军Micro LED市场,着力发展大尺寸电视产品。索尼于2012年在CES展会上推出了第一台Micro LED电视“Crystal LED Display”,之后2016年又推出了新一代Micro LED产品“CLEDIS显示屏”。由于日本厂商本身在大尺寸的电视领域已占据主导地位,因此主要聚焦于大尺寸Micro LED显示器技术的开发。

  以三星、LG为代表的韩国厂商近两年也加快了在Micro LED领域的开发。据称,三星现采取Micro LED与OLED双轨发展策略,在中小尺寸OLED面板业务的基础上,发展大尺寸模块化Micro LED显示屏。在2018年和2019年的CES大展上,三星均展示了其名为“The Wall”的模块化Micro LED电视,产品性能优越。

  近几年,中国大陆地区的Micro LED产业蓬勃发展,各大公司加紧布局。据不完全统计,三安光电、华灿光电、澳洋顺昌、乾照光电、兆驰股份等企业开始进军上游芯片领域,京东方、华星光电、深天马、维信诺积极布局Micro LED面板制造,利亚德、洲明科技、雷曼股份、奥拓电子等企业纷纷涉足下游应用领域。此外,我国相关科研机构也取得一系列傲人成果,例如,南方科技大学刘召军团队研发出全球首款分辨率达1700 PPI的Micro LED芯片、全集成Micro LED片上系统、全彩色Micro LED微投影机和AR穿戴设备。

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  深圳Micro LED产业发展概况

  深圳拥有雄厚的LED产业链基础,具备发展Micro LED产业的优越条件。全国目前约2/3的Micro LED产业链资源都集聚在深圳。除了缺乏LED芯片制造环节外,深圳在中游面板制造及下游整机应用领域拥有众多行业骨干企业和广阔的市场。

  2018年,广东省 Micro LED微显示产业技术创新联盟成立,致力于突破Micro LED技术创新和产业应用发展的技术瓶颈,提升Micro-LED技术整体水平。联盟创始单位包括南方科技大学、中山大学、暨南大学、深圳大学、TCL集团、国星半导体、雷曼光电、洲明科技、广东省半导体产业技术研究院、广东省半导体照明产业联合创新中心等。深圳企业在其中发挥了中流砥柱的作用。

  近两年,华星光电、天马微电子、洲明科技、兆驰股份、南方科技大学等深圳骨干积极开展Micro LED显示技术的研发和业务布局。不过,受制于技术瓶颈,除华星光电、天马微电子和康佳等龙头有能力直接进军Micro LED领域外,其余企业主要从Mini LED领域出发,逐渐加大对相关技术的研发投入。

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  表:深圳企业在Micro/Mini LED领域的最新进展

  来源:智能经济研究所

  03

  Micro LED产业主要技术挑战

  Micro LED芯片制造技术。目前,芯片的成本已经成为Micro LED显示器件成本中占比最大的部分。只有Micro LED芯片制造成本的降低才能使Micro LED显示器件大规模量产成为可能。当Micro LED芯片尺寸非常小时,其性能会受到与表面和内部缺陷(例如开放式粘合、污染和结构损坏)相关的侧壁效应的影响。因此,新型芯片结构设计、更大的衬底晶圆尺寸和更优的制造技术都是亟需探索的路径。

  巨量转移技术。Micro LED显示商业化最关键的技术便是转移技术。由于转移的像素颗粒数量极多(500 PPI的5英寸手机屏幕需要800万个像素颗粒)、尺寸极小(要求微米级安装精度),因此这个过程被称为“巨量转移”。不论是高效大规模拾取Micro LED芯片,还是将其精准放置在指定位置(背板),技术挑战难度都极高。目前,巨量转移技术有精准抓取、选择性释放、自组装、转印等多个技术方向,但均没有完全发展成熟。其中,弹性印模(Stamp)和激光两种方式是业内普遍认为会最先达到量产要求的技术路径。

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  表:巨量转移技术类别

  资料来源:智能经济研究所

  检测与修复技术。在转移和背板键合之后,Micro LED面板还需要进行多次反复的修补。实际中无法保证100%的转移和组装良率,所以当前道工序良率不高时,就需要保证极高的检测精准度以及快速的检测与修补速度来弥补整体良率。Micro LED显示器制造商必须根据显示屏的特性,开发有效的缺陷管理策略,并结合像素冗余和单个像素修复。尤其是大尺寸的Micro LED显示面板需要高度自动化、智能化的组装和生产的生产线,需要转移、检测及修复等生产环节的高度一体化。

  全彩化技术。全彩化技术也是Micro LED显示商业化的关键技术之一,现在主要的全彩化方式有发光介质法(荧光粉和量子点)和三色RGB法等。全彩化RGB Micro LED阵列需要分次转贴红、蓝、绿三色的晶粒,需要嵌入几十万颗Micro LED芯片,对于Micro LED芯片光效、波长的一致性、良率要求更高,目前在小于20μm的技术上将面临光效率、良率不足等问题。量子点的色转换方案可以补足相关缺陷,但量子点方案也存在涂布均匀性与信赖性等问题,并且当前量子点技术还不够成熟,还存在着材料稳定性不好、对散热要求高等缺点。

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  图:全彩化技术示意

  资料来源:网络,智能经济研究所整理

  04

  深圳该产业发展建议

  加大技术研发支持。鼓励企业重点攻关Micro LED芯片设计与制备、巨量转移技术、电路驱动技术、色转化技术、背板键合技术、检测与修复技术等关键技术;开发面向精准抓取、选择性释放、自组装、转印等巨量转移技术的专用设备,突破Micro LED显示器件量产瓶颈。针对超高亮度、超高分辨率Micro LED显示屏,积极探索单颗尺寸小于10微米的Micro LED器件的开发及显示屏的制备,推动Micro LED技术在中国率先实现产业化。

  完善产业支撑体系。建设Micro LED显示技术公共研发平台,引导高等院校、科研院所和重点企业联合攻关,建立协同研发机制,重点突破Micro LED巨量转移、先进封装瓶颈,提升Micro LED全彩化良率、波长一致性、低功耗等核心性能指标。面向Micro LED的应用推广需求,建设典型实验应用场景,推动技术成果转化,加速产品的推广落地。

  推动产业集聚发展。推动Micro LED产业化要素在深圳集聚,战略性引进和培育一批Micro LED显示技术领先型企业,进一步打造Micro LED显示制造集群。鼓励产业链上下游通过技术合作、战略联盟、签订长约等方式整合资源,打通产业链全链条,共同开发巨量转移、背板衬底,驱动芯片、修复检测等技术,推动产业的发展。

  加快产业标准制定。支持相关行业组织和第三方机构开展对Micro/Mini LED产业的标准研究工作。采取综合标准化方法,全面成套地制定Micro/Mini LED显示产品标准和配套认证标准,制定Micro LED核心技术和工艺发展路线图,针对性地解决产业亟需标准缺失的问题,稳步提升产业规范化程度,指导和推动Micro LED和Mini LED产业做大做强。

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