这几年发光二极管(Light Emitting Diode, LED)的微小化,掀起一阵显示器产品的革命。直下式微型 LED 背光模组能提供 LCD TV 更细腻的区域调光技术(Local Dimming),更能提升影像对比与高动态范围(HDR)。在索尼(Sony)推出 8K×2K 10 公尺宽的超大 LED 显示屏幕 CLEDIS(Crystal LED Integrated Structure)之后,三星(Samsung)也不示弱地推出 146 英寸 4K×2K The WALL LED 显示屏幕。甚至今年首先在瑞士苏黎世推出 Onyx 品牌,也推出了 10 公尺宽 5 公尺高并具备 4K×2K 分辨率的 Cinema LED Screen,企图逐步取代投影式的 D-Cinema。

 

在中小尺寸方面,友达光电(AUO)推出了 8 英寸 1280×480 的 MicroLED 显示器,而和莲光电(Jasper Display)则推出 0.7 英寸的硅基背板供 MicroLED 单色可达 1920×1080 的超高分辨率,可应用在 AR/VR、HUD、HMD 与智能车头灯等领域,颠覆将 LED 做为传统照明光源的印象。

 

MicroLED/MiniLED 应用大不同

在风起云涌的潮流中,这些新型态微型发光二极管都被冠以 MicroLED 之名而风行一时,但是 LED 大小将造成应用端极不一样的面貌,对技术的挑战也有截然不同的难度。尤其是将巨量的微型 LED 转移(Mass Transfer)至基板的技术,更是一大挑战。因此或许可以将微型 LED 从尺寸做进一步的分类,以利更深一层的探讨。目前业界常见的分法是:若 LED 尺寸在 100μm 以上归类为 MiniLED,若是 LED 尺寸小于 100μm 则归类为 MicroLED。

 

以 100μm 做为分界的原因多少与传统 LED 制程相关。传统 LED 制程以蓝宝石为基板,其微小化目前只能做到 5mil×6mil,亦即 127μm×152μm,当尺寸再往下缩,蓝宝石基板的良率就会变差。因此 MicroLED 大多以非蓝宝石的基板做开发,例如 AUO 以 LTPS 背板开发 8 英寸全彩的显示幕,和莲光电则以硅基背板开发出 0.55 英寸以及 0.7 英寸的 MicroLED 等开发套件。MicroLED 与 MiniLED 的应用面截然不同,MiniLED 大多应用在大尺寸的直下式背光模组或是直视型显示器,而 MicroLED 则大多在小尺寸的显示应用,各有各的技术复杂度与挑战。

 

高亮度优势助 MicroLED 对抗 OLED

MicroLED 因其高亮度、低功耗特色在近几年受到业界的瞩目。原本有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)已在 AR 眼镜、手机面板与智能手表等小尺寸应用上,已有不错的成绩。但是在室外的强光环境,有时其颜色亮度表现不如预期。随着 MicroLED 的技术趋近成熟,由于 MicroLED 结构简单,加上无机材质、无残影与寿命长、低功耗与高亮度的优势,让该技术成为能与 OLED 竞争的技术,LEDinside 更在 2018 年 4 月大胆宣称 MicroLED 即将变成 AR 显示器产业的新主流。

 

任何显示技术想要应用在 AR 眼镜,重点在于轻薄短小。过去的 AR 眼镜,结构上多以液晶屏幕(Liquid-Crystal Display, LCD)或 LCoS(Liquid Crystal on Silicon)显示面板加上光源为主,体积与功耗往往成为限制,难以突破。OLED 是一种自发光的材料,系统架构上比 LCD 或 LCoS 面板加背光源来的简单,让 AR/VR 眼镜可以更轻巧,但是在室外的环境使用 - 穿透式(See Through)应用上,亮度则仍略嫌不足。但是以 VR 全罩式、非穿透式应用上,OLED 仍有其应用的优点。MicroLED 跟 OLED 一样也是自发光源,因此系统架构上跟 OLED 都比传统 LCD/LCoS 搭配光源的设计来的简单许多,不仅体积缩小,光效率也提升很多。但是 MicroLED 比起 OLED 在亮度上更加明亮,加上功耗低的优点,在穿透式应用上,已呈现对 OLED 逼宫的效果。

 

建立完整生态圈 巨量转移良率提升

目前做为最微小型的 MicroLED 的驱动背板专注于 1 英寸以下的硅基背板,这是利用台湾多年的半导体技术为深厚的基底,以 SRAM 为基本的画素单位,数位式的调变控制(Pulse-Width Modulation, PWM),控制画素(Pixel)的 on/off 跟不同的功率输出阶层(有点像显示器的 Gray Scale Level)。其中国内的 Jasper Display 以其 LCoS 对基板 SRAM 的开发经验,转而帮助配合厂商开发 MicroLED 专用驱动背板。但是过程其实突显了 MicroLED 产业必须是个宏大的生态体系,因为硅基背板如何去结合 MicroLED 在一个小于 1 英寸的硅基背板上,如何巨量转移两百万颗 MicroLED 而且还要有很高的良率,这都不是单一厂商可以完成的,至少目前还没有看到这样有野心的厂商。

 

因此做为提供硅基背板与控制器的公司,必须与有能力生产μm 等级的 LED 芯片厂商配合,双方找出合作的基础,让 MicroLED 的晶粒大小与硅基背版画素的 Pixel 大小相当,好让彼此的结合能做到一对一的绝配。这样硅基背板若是 1920×1080 结合上同等大小的 MicroLED 就能达到单色 1920×1080 的 MicroLED 显示芯片,读者可以想像这好比一个小于 1 英寸的超高精细 1920×1080 的显示屏幕。光是如何巨量转移结合就是目前许多新创公司的研究题目,英国公司 Plessey 就是这样的 MicroLED 巨量转移公司,其实该公司的技术应该不叫巨量转移,因为它是利用过去长年在精细的 Printer Head 的控制,加上剑桥大学的技术转移,Plessey 用磊晶成长 GaN 于硅晶圆的技术,在微小的空间制作出百万颗等级的 MicroLED 晶圆,然后将 MicroLED 晶圆与硅基背板做结合,即可瞬间将 200 万颗的 MicroLED 结合到小于一英寸的硅基控制背板。这样的技术一般称为 Monolithic MicroLED,亦即单一成形的 MicroLED 晶圆贴合技术。这样就克服了巨量转移过程中的损耗产生的良率问题,也节省转移的时间跟成本。以小于一英寸的 MicroLED 显示芯片而言,似乎 Monolithic MicroLED 是唯一可行的量产技术,目前在德国及美加都有类似的公司开发这 Monolithic MicroLED 的技术。

 

如何让单色的 MicroLED 形成全彩又是另一个挑战。简单来说可以用量子点(QDs)或是荧光玻璃片(PG)来让 MicroLED 混色,以四个像素为一个全彩的基础,若是要追求亮度,就以 RGBG 作为这四个像素的组成。若要颜色好,就以 RGRB 当作这四个像素的组合。因此原本单色 1920×1080 的 MicroLED 就会变成 960×540 的全彩 MicroLED,因为 2×2 的像素变成了全彩的单元。

 

MicroLED 抢攻智能车头灯市场

超微小自发光的 MicroLED 已经带动产业的应用革命。首先对高发光效率、高亮度与低功耗对 AR 与 HUD 的应用生态带来新的冲击,改变过去未能达到的设计目标,进而取代 OLED 成为新宠儿。另外一个全新的应用变革则是一个比较无法联想的领域—智能车头灯。

 

智能矩阵车头灯 Smart Matrix Headlights 或许不是新闻,过去德州仪器(TI)也曾搭配激光光源推广其 DMD 技术。传统车头灯演进从卤素灯 HID 到发光效率更好的 LED 车灯,但是都还是基础发光效率的进步,投射出的光型没有变化。智能头灯指的是光源可以切割成许多单元,单元可独立控制,因此可以针对路况做出智能的判断与调控。所以 DMD 就提供了一个可以切割许多单元控制的反射介面。但是 DMD 还是需要激光光源与相对应的光学元件,不仅效率降低、系统也变得复杂。当自发光源 MicroLED 正逐步取代 LCD/LCoS 等需要额外光源跟光学元件的投影技术在 AR 应用之际,MicroLED 也出现在智能头灯的竞争技术蓝图,企图取代需要较复杂光学设计与系统的 DMD+光源的解决方案。

 

MicroLED 在智能头灯的技术门槛,主要在于亮度够不够。由于 MicroLED 越小颗、发光效率越差,因此 AR 显示器所使用的 MicroLED 显然在亮度尚无法满足车灯所需,必须用更大的电流与适当的晶粒大小并且发光效率更好的 MicroLED。所以在智能头灯应用的 MicroLED 就不需要超高分辨率,也不用全彩,而是要去找出发光效率与体积的最佳组合的大小。

 

2018 年 OSRAM 公布其 1,024 颗 MicroLED(从尺寸看应该是 MiniLED)的 Eviyos 智能头灯,这相对应于传统的 LED 车头灯已经是数百倍的倍数数量。所以 Eniyos 的车灯能投影呈现简单的影像与文字示范。将来大电流的驱动、适当尺寸高效率的 MicroLED,应该能提供兼顾亮度与分辨率的智能车头灯。

 

智能车头灯有趣的应用是车辆以相机(Camera)、光达(LiDAR)、红外线与雷达等等不同的侦测组合,全时侦测前方路况,若侦测到行人或对向车辆,车辆的智能处理器会根据专家系统的经验与智能,控制矩阵式头灯的每个 MicroLED 亮度,避免炫光直接照到其他驾驶的眼睛。另外,智能矩阵头灯还能将斑马线投射到前方道路,以表示礼让行人;或是投射提醒大货车的显示标志、路面状况等等。一旦能够大量制造生产,这个以 MicroLED 为核心的智能矩阵头灯将会为交通安全带来巨大的正面影响。

 

台厂 LED 技术领先 开创蓝海市场有望

台湾靠着半导体技术在 IT 产业建立了无可取代的重要地位,虽然 IT 代工的 OEM/ODM 利润不断被侵蚀,台积电在晶圆上下游产业仍然占据无法撼动的龙头地位。当台湾 LED 产业面临中国的低价竞争威胁,势必要走出不一样的蓝海策略。

 

最近透过 MiniLED 与 MicroLED 的研发与应用热潮,台湾产业再度领先在这个潮流的前端。其中在微小尺寸的 MicroLED 显示器,台湾 Jasper Display 与客户合力开发的 MicroLED 显示器屡屡出现在国际大展,并吸引其他国际大厂慕名前来开发智能车头灯等 MicroLED 应用。除了 MicroLED 的应用外,也将其硅基背板与控制器技术发展成 X-on-Silicon 的数位异质整合应用平台。若是在硅基背板上结合反射式液晶就成为传统熟知的 LCoS 面板,可应用于高阶显示器、高分辨率的 3D 打印机(3D Printer)或是做为 SLM(Spatial Light Modulator)、应用在医学以及 3D 立体显示的应用。最近更有厂商以 MEMS 的 Micro-Mirror 微结构结合硅基背板平台,开发出类似德州仪器的 DMD 芯片。唯有不断的以创新精神去开发出蓝海的应用才是台湾厂商能灵活的在中国低价竞争的现实困境中脱颖而出,创造出台湾特有的附加价值与贡献。