Micro LED微顯示發(fā)展的成果與影響

    作為micro LED顯示應(yīng)用的一個(gè)重要分支，微型micro LED顯示器件的發(fā)展，正在快車道上。這一技術(shù)如果成功，將顯著改變車載HUD、投影娛樂大屏、AR/VR頭戴顯示設(shè)備的未來競爭路徑。

    選擇不同彩色化架構(gòu)的micro LED微顯示方案

    Micro LED實(shí)現(xiàn)微顯示視頻應(yīng)用，有多種彩色化方案。例如，單色micro LED面板芯片+彩色轉(zhuǎn)化層技術(shù)。其中彩色轉(zhuǎn)化層主要采用QD量子點(diǎn)材料。再例如，三片式 micro LED顯示體系，即三個(gè)面板芯片分別處理三原色。此外還有單片彩色方案，即將RGB三原色LED晶體集成到單一基板上。

    除了以上三種彩色化方案之中，部分AR應(yīng)用中，并不需要完全彩色化。部分設(shè)備采用單色顯示方案，實(shí)現(xiàn)混和現(xiàn)實(shí)信息融合功能，完全能滿足基本幾何圖形、數(shù)據(jù)信息融合，乃至于夜視、夜戰(zhàn)信息融合需求。不過，從主流方向看，攻克高效能彩色化依然是micro LED微顯示的主要方向。

    這方面的新產(chǎn)品例如，上海顯耀顯示科技Jade Bird Display（以下簡稱“JBD”）的“蜂鳥”X-cube合色光引擎，已經(jīng)于2023年5月量產(chǎn)，并在年底達(dá)到12.5lm/cc的超高單位體積下的流明效率，搭配優(yōu)質(zhì)光波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn) 1800 尼特的入眼亮度。其體積只有0.4cc；重量為 1.0g，為全球最輕AR投影光引擎。該產(chǎn)品方案即采用三片式彩色化技術(shù)。

    近日，媒體報(bào)道，我國臺(tái)灣企業(yè)錼創(chuàng)已成功量產(chǎn)0.49英寸全高清(FHD)分辨率的Micro LED微顯示器，主要用于AR眼鏡之中。這款微顯示器亮度超過25萬尼特，色域超過100%，是目前AR應(yīng)用市場中亮度最高的全彩微顯示器。相比JBD的三片方案，每個(gè)micro LED面板芯品0.13英寸，彩色化單一面板方案的錼創(chuàng)，面板芯片尺寸為0.49英寸。

    由此可見，選擇不同彩色化方案，對(duì)面板芯片的最小尺寸會(huì)有顯著影響。同時(shí)，在單一面板芯片上只集成單一顏色LED，亦有制造工藝優(yōu)勢。但是，三片式彩色化和單片式彩色技術(shù)，誰能最終勝出，還取決于最終的產(chǎn)品終端體積控制水平�！�—無論AR還是VR都是越輕越好。

    亮度水平，考驗(yàn)產(chǎn)品可用性的第一道門檻

    除了彩色化方案不同之外，亮度水平是不同micro LED微顯示方案競爭的焦點(diǎn)�！�—從AR應(yīng)用到VR、HUD、再到投影機(jī)，對(duì)micro LED微顯示面板芯片的亮度需求不斷提高。而且每跨越一個(gè)產(chǎn)品，都是一次數(shù)量級(jí)的提升。

    目前，JBD實(shí)現(xiàn)了micro LED微顯示藍(lán)光100萬尼特，綠光500萬尼特亮度、紅光100萬尼特亮度的記錄性指標(biāo)。這些指標(biāo)看著很高，但是尼特是按照平米面積衡量的，具體落到0.13英寸的微面板芯片上，相當(dāng)于紅綠藍(lán)三色光引擎5流明輸出量。在AR上的入眼效果相當(dāng)于1800尼特（即按每平米畫面衡量）。

    2023年6月，美國微型顯示器廠商Kopin宣布，其開發(fā)出超高亮度、分辨率為2K x 2K的單色 Micro LED微顯示器。亮度高達(dá)300萬nits的Micro LED微顯示器。不過芯片尺寸為1英寸，嚴(yán)重限制了入眼亮度的有效率。據(jù)悉入眼亮度為1150nits。

    由此可見，AR應(yīng)用，以及VR應(yīng)用需要的不僅是高亮度、還有更小的體積——體積小不僅意味著頭戴設(shè)備更輕，也意味著光波導(dǎo)設(shè)計(jì)時(shí)，亮度有效利用率更高。

    不過在HUD和投影應(yīng)用中，因?yàn)樵O(shè)備體積敏感性下降，在英寸級(jí)別上的微面板芯片不會(huì)影響到光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率——業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，應(yīng)用于HUD和投影時(shí)，micro LED微顯示可以適當(dāng)放大產(chǎn)品面板面積。例如三片式的0.5英寸面板。更大的基板面積對(duì)于驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、高電流承載、熱功耗承載、更大尺度的LED晶體都更為友好。利于實(shí)現(xiàn)高亮度產(chǎn)品的市場化應(yīng)用。

JBD MicroLED 0.31 微顯示屏像素尺寸5 μm，用于AR眼鏡、HUD抬頭顯示、嵌入式投影及光場顯示等領(lǐng)域

    目前，AR作為micro LED微顯示的首個(gè)主攻目標(biāo)市場，普遍需要單片彩色化0.5英寸以下尺寸、三片彩色化0.2英寸以下的產(chǎn)品尺寸。這是限制產(chǎn)品最終亮度通量流明（非尼特單位標(biāo)準(zhǔn)）的重要原因。例如，2023年，我國臺(tái)灣鴻�？萍技瘓F(tuán)攜手富采旗下晶成半導(dǎo)體共同開發(fā)出一款新型0.12寸微顯示器，像素密度超過6,500PPI、藍(lán)光亮度達(dá)20萬nits的MicroLED樣品�！�—小體積、高像素密度，適應(yīng)于AR應(yīng)用，但也影響亮度水平。

    分辨率提升，不同應(yīng)用需求不同

    為什么micro LED微顯示選擇AR作為主要突破口呢？一方面，是因?yàn)锳R上沒有其它微顯示應(yīng)用能像MICRO LED這樣小型化。例如，LCOS和DLP都需要額外光源，會(huì)增大體積，且電光效率更低；micro OLED在VR上很成功，但對(duì)于AR而言像素密度不夠，分辨率受限制。

    Micro LED在AR上最大的優(yōu)勢就是體積。上文提到鴻海和富采研制的6500ppi樣品就是例子。其它微顯示很難達(dá)到這樣的像素密度，并可能需要額外光源。

    但是，即便是6500PPI、4微米像素，如果是在AR上體驗(yàn)全高清視頻，那還是“捉襟見肘”的。好消息是，AR作為輔助性的混合顯示工具，更側(cè)重于透視現(xiàn)實(shí)時(shí)疊加數(shù)字信息，對(duì)分辨率需求相對(duì)較低——AR可以容忍更低分辨率，與micro LED高光效、高亮度、高分辨率結(jié)合，形成的微型化的體積優(yōu)勢。

    對(duì)于VR或者HUD、投影機(jī)應(yīng)用，micro LED微顯示面臨競爭技術(shù)產(chǎn)品的更多挑戰(zhàn)，乃至于是高度成熟的傳統(tǒng)技術(shù)的挑戰(zhàn)。不過，后三者需要的高分辨率依然不是micro LED主要的瓶頸�！�—在VR、HUD和投影機(jī)上，micro LED微顯示的瓶頸是亮度和成本。Micro LED目前的4微米像素，與DLP的5.4微米、LCOS的3.X微米是相似的水平。Micro LED像素密度已達(dá)到micro OLED通常的3000-4000PPI的現(xiàn)有應(yīng)用水平（例如，蘋果Vision Pro搭載兩塊由索尼提供1.42英寸Micro OLED屏幕,像素超過 2300 萬,像素密度為 3386ppi）。

    不過，在VR上micro LED可以憑借的不僅是高像素密度，還有高亮度，二者結(jié)合實(shí)現(xiàn)更小的芯片體積。這對(duì)于未來減輕產(chǎn)品重量、降低芯片成本是很重要的。這方面MICRO OLED似乎理論像素密度更高，如10000PPI，但是亮度卻落后于micro LED。這也是業(yè)內(nèi)依然看好micro LED最終贏得AR并進(jìn)入VR市場的原因。在HUD和投影機(jī)上，micro LED可能具有相當(dāng)于DLP或者LCOS的最終芯片成本（因?yàn)楫吘谷�者都是硅基電路上的�?fù)雜功能集成產(chǎn)品，且像素密度目前處于同等水平），但整機(jī)設(shè)計(jì)不需要額外光源——進(jìn)而整機(jī)成本更低。

    電光效率和節(jié)能，Micro LED的突破方向

    如果HUD或者投影機(jī)用micro LED微顯示面板芯片，那就不需要光源組件了。即便投影等的光源也采用LED或者激光等高效光源，但是因?yàn)閙icro LED微顯示不需要成像時(shí)的分光、分時(shí)或者偏振處理，其同等成像亮度下能耗也至少會(huì)下降60%以上。

    另一方面，micro LED微顯示究竟能夠做到多高亮度，始終是行業(yè)研發(fā)的主要方向。如，高效散熱設(shè)計(jì)等有利于提高系統(tǒng)承載功率，實(shí)現(xiàn)高發(fā)光亮度。再例如，micro LED克服更多的技術(shù)瓶頸，將更多電能轉(zhuǎn)化成目標(biāo)頻率的光而不是熱，則更直接提升亮度、降低熱功率水平。后者也是micro LED微顯示，在巨量集成工藝之外，另一個(gè)核心探索方向所在。

    目前，硒化鎘、鈣鈦礦等量子點(diǎn)的光致發(fā)光效率已超過85%，高于傳統(tǒng)稀土熒光粉材料，然而封裝制成LED器件的發(fā)光效率普遍在100-200Lm/W。這方面在材料配方、量子效率、出光提取率、出光角度等方面，都有進(jìn)步空間。特別是解決紅色micro LED在5納米以下量子性能下降問題，是行業(yè)重點(diǎn)瓶頸。

    2023年有媒體報(bào)道，韓國光子技術(shù)研究院（KOPTI）宣布成功研發(fā)出高效Micro LED產(chǎn)品，其內(nèi)部量子效率均可保持90%的范圍內(nèi)，并且不受芯片尺寸大小和不同的注入電流密度的影響。——這方面，2020年后行業(yè)進(jìn)步非常顯著，微型micro LED大約有4倍的亮度水平提升。這意味micro LED微顯示實(shí)用化打下了基礎(chǔ)。

    當(dāng)然，從需要亮度最高的micro LED潛在場景，投影顯示看，micro LED微顯示還需要持續(xù)進(jìn)步。投影機(jī)消費(fèi)主流產(chǎn)品亮度為1000-3000流明。這相當(dāng)于0.5英寸三片式彩色化的micro LED的微顯示芯片面板擁有千萬尼特的亮度。這與目前的行業(yè)積累還有一個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。即micro LED微顯示全面拓展應(yīng)用范疇，除了巨量轉(zhuǎn)移制造工藝之外，提升亮度，以及電光效率依然很重要。

    綜上所述，micro LED微顯示的技術(shù)進(jìn)步非�？�，但是其距離滿足多種樣式的終端產(chǎn)品大規(guī)模成熟應(yīng)用，還具有工藝成品率、亮度核心性能、成本等眾多考驗(yàn)和瓶頸。作為目前各種微顯示面板芯片中“最后一個(gè)出現(xiàn)的技術(shù)選擇”，micro LED修成正果還需要更多時(shí)間積累。