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今日-Micro LED商业化进展,AR一马当先

作者:CETCIT小编

2023-03-28 15:19:11


图片来源@视觉中国

文|AR研究媛

努力推进Micro LED应用于主流消费电子可能是个「美丽的泡沫」,纸面性能迟迟不能兑现,证明可能存在某些根本性的障碍。另一边Micro LED应用于VR/AR,进展喜人。

AR的关键时刻

如果问现今哪款AR眼镜最能勾起普通用户的消费欲,去年12月展示的OPPO Air Glass 2 ,起码让国内一众没见过世面的科技媒体印象深刻。

OPPO Air Glass 2 定制光波导树脂材质镜片,眼镜整体重量38g,号称自研的Spark微型光机体积比上一代减小了40%,平均入眼亮度高达1400 nits。OPPO Air Glass 2 能够用于信息提示、翻译、导航、提词器以及语音转文字等,VR陀螺在线下体验真机后这样描述,

“OPPO 二代 Spark 微型光机体积大小只有 0.5cc,不到一颗绿豆大小。无论是从眼镜正面还是侧面看,形态、重量几乎与正常眼镜无异,戴上眼镜外出几乎不会被察觉是一款AR智能眼镜。”

太轻薄了!OPPO Air Glass 2 几乎展示了消费级AR眼镜最理想形态。

这一代关键改进,在采用了树脂材质光波导镜片和锂镁合金镜框?并非。树脂材质甚至塑料光波导镜片早有台湾和韩国厂商推出,材料折射率低光效率不高几乎没人用,OPPO Air Glass 2 最大的进步在于:负责AR图像光生成、调制、投射的最关键组件光引擎,超乎想象的纤细且强大,这得益于超低功耗+超高亮度+超小体积的JBD 单绿色Micro LED面板。

来自JBD官方的说法,JBD一直保持着MicroLED微显示器领域关键指标的世界记录:如400万尼特的绿光亮度,50万尼特的蓝光亮度,AlGaInP基的红光LED亮度最新纪录达到75万尼特。不仅如此,单色光引擎的体积可以做到仅0.3立方厘米,重量轻至1克。

这也是2022年包括小米、李未可、OPPO Air Glass 1/2等光波导眼镜为什么只显示单绿色,只能用于信息提示的原因。因为目前只有绿光Micro LED微显屏实际工程化应用时光电转化效率最高,迈入了成熟的商业化阶段。光引擎使用Micro LED面板,某种意义上是AR眼镜目前最难突破的关键技术。

OPPO Air Glass 2 其实证明了一件事,在轻薄体积和虚实融合画质(超高亮度和低延时画面)上,Micro LED技术进展,很大程度上直接决定了AR的未来。

未来不确定性

在谈Micro LED商业化进展前,先讲一个八杆子打不着的人物,或许有些启发。

中国培养的做题家多如牛毛,钻研「技巧」或者说套路已到化境,真正的数学家却凤毛麟角。任职于普林斯顿,可能是1949后中国大陆培养的最杰出数学家许晨阳,代表了一种非典型的中国数学家。

博士毕业后许晨阳在代数几何双有理几何方向研究「停滞」了很长一段时间,直到2010年逐渐声名鹊起。他不像传统中国数学家更擅长繁复冗杂的「技术」,而是构建一种「看待新事物的能力」,瞄着关键点去发力,并且足够精准。

“在我所在的领域,有些问题已经存在了40年,大家都在努力试图解决。这些问题也留在我的脑袋里。我做数学的方式是跟着理论,不是依靠技术去解决一个问题,而是首先发展理论。然后我们就会用一种全新的眼光看见新的东西...”

一个被众人看好的新领域,如果经过足够长时间「技术试错」,依然没有进展,说明新东西的底层并未被完全洞察。

如今,Micro LED因为应用终端和尺寸(像素密度)的不同,衍生出泾渭分明的工艺和技术方向:


图表数据来源于多方资料

一是,高PPI 单片集成工艺(晶圆级键合)的硅基Micro LED微显示屏,AR/VR最理想的光学方案。二是,低PPI 在R、G、B三色LED外延片进行巨量转移的Micro LED屏幕。而基于巨量转移的Micro LED面板一直折磨着众多科技巨头。

Apple 2014年收购LuxVue启动了一场持续至今Micro LED面板商业化竞速。LuxVue成立于2009年,距今已有十几年,Micro LED技术之艰深一定让苹果公司始料未及:直到2023年,Micro LED仅仅是应用在小尺寸Apple Watch上都没有落地。

知乎上有个垂直技术讨论,《为什么会先量产OLED,而不是看似更好的microLED?巨量转移等技术难点,莫非OLED遇不到吗?》,一个很小众的话题居然有18万多浏览量,排序第一的“范饭爱可乐”击中了某些关键点:

MicroLED的制作和制作CPU芯片差不多,而且不需要nm级制程,微米的老制程正合适,一个芯片上一般做一个颜色的LED,红绿蓝各做一个。

(Micro LED生长晶圆)这个尺寸直接做AR/VR,hud,波导眼镜什么的可以直接用,性能出色。但是要做显示面板的话,就得一个个的切割下来,检测、焊线,再贴到玻璃基板或者柔性基板上焊接,这一步就是巨量转移,mass transfer。

4K面板,可是要2400多万个LED切割,焊线,粘贴,而液晶的TFT光刻、OLED的蒸镀、印刷,再怎么复杂,也都是整个面板来制作,相比之下,巨量转移这简直是自虐,跟活字印刷与手工抄写的差距差不多

为此,设备商绞尽脑汁,想了很多办法,但这生产效率可想而知,价格自然也就下不来。据说目前生产一个4K屏需要208小时,而且如果有坏点还要修复替换......

消费者首次看到商业化Micro LED屏幕,是在2012年1月索尼以样品展示的55英寸“Crystal LED Display”,分辨率1920*1080,面板集成了超过207万个像素,总计约622万个RGB子像素。这意味着600多万个LED芯片实现了「巨量转移」、连接驱动背板,其复杂程度、良品率、成本可想而知。

此后四年索尼Crystal LED Display 几乎没有任何消息。在经历了2016年、2018年两轮迭代发布后,2019年索尼欧洲的分销商AWE组织提供索尼“Crystal LED Display”正式售卖参考价格:

146英寸微型LED显示屏价格350000欧元(274万元)

182英寸微型LED显示屏价格500,000欧元(391万元)

219英寸微型LED显示屏价格700,000欧元(548万元)

另一边,2018年三星在CES First Look活动上,推出了「The Wall」146寸Micro LED电视,售价超百万。两款Micro LED成品均选择了大尺寸电视,售价高的不可思议。这并非巧合。

2012年索尼Micro LED电视的色彩表现、明暗解析、对比度根本没有任何产品能够相提并论。这项技术的索尼产品很贵,并且由于产能非常低,当时基本上没有大批量商业化的可能。

基于巨量转移的Micro LED面板可以取代OLED、LCD,成为绝大多数消费电子最理想的终极屏幕。但在一个方向长时间尝试、不断撞墙,持续消耗心血,却始终不能突破的时候,你自然而然会思考:这是不是一条死路?

Micro LED可能存在某种本质层面无法克服的阻碍。基于巨量转移的Micro LED 能做出来,但成本根本不可能下降。

百万级、千万级LED晶粒巨量转移并且连接目标背板驱动电路,前所未有的良率要求,技术进步真能让成本下降?还有,索尼和三星将Micro LED真正落地商业化,都恰巧选择大尺寸显示(电视)可能还有一个被忽视的原因,发热。

Micro LED实际工程化的麻烦,巨量转移可能仅仅只是第一道关卡。

悲观之后还是悲观?

苹果收购LuxVue近10年进展有限,索尼持续迭代Crystal LED Display ,三星推出天价The Wall都指向一个事实:Micro LED应用于主流消费电子和显示面板技术,如果基于巨量转移技术,工艺再怎么推陈出新,成本可能都无法显著下降。

巨量转移仅仅是Micro LED大规模商业化最前面的那只大老虎。而如果绕开巨量转移使用单片集成工艺,最适合AR/VR的超高PPI微显屏,依然还有一群小老虎在前面,而且「小老虎」甚至会影响到Micro LED核心根本优势—低功耗高亮度,无法真正实现。


图文资料来自AR研究媛收集整理

1.Micro-LED 侧壁效应

传统LED面积比较大,其具有数十微米的边缘侧壁,侧壁效应并不重要。但随着Micro-LED尺寸越来越小,侧壁效应显著,光效率陡然下降。

比如传统蓝色LED的EQE可以达到80%;在实际操作中,如果这种蓝色LED的尺寸缩减到5-10μm,则EQE将≤20%;而且因为侧壁缺陷效应(sidewall defects effect)的存在,现阶段Micro LED实际的功耗表现未达理论预期,甚至差于OLED/LCD。

2.红光LED的材料选择,亮度、色彩问题

当前,蓝光、绿光LED是在蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或 硅(Si )衬底上生长 InGaN 等三元材料,红光 LED 多是在 GaAs 衬底上生长 AlGaInP 四元材料。

不同于蓝光和绿光LED,四元材料的AlGaInP红光Micro LED尺寸减小导致缺陷密度增加、侧壁效应等问题更严重,效率下降更明显,且非常容易受到热量影响(驱动电流增大)而发生效率及波长的变化。

换句话说,现有AlGaInP的红光LED不仅很暗亮度低,颜色也很难精准控制(波峰漂移),特别是驱动电流改变的情况下

3.Micro LED全彩显示

除了耳熟能详的垂直堆叠像素、棱镜合色、量子点转色这些工程化的取巧办法,如果能从源生材料层面实现单片全彩Micro LED,相比目前巨量转移或者单色LED晶圆键合,那简直不要省事太多。

首先是发光材料统一,InGaN材料具有宽带隙可调、机械稳定性高及空穴扩散长度较短等优点,并且能与InGaN蓝光和绿光LED兼容,近几年来在MicroLED领域已获得广泛的关注,全球多股力量开始积极研究InGaN基材料在MicroLED领域的应用。

Plessy曾宣称,通过使用专有的应变设计的有源区来制造高效的InGaN Red LED,显示的红光波峰集中,色显纯正,并且在超小像素间距中,其效率高于传统的AlInGaP和颜色转换的红光。

Soft-EPi成功基于GaN(在蓝宝石衬底上沉积的GaN)制造出红光LED,并采用同样的方法在蓝宝石衬底上开发出蓝光LED和绿光LED,引起业界广泛关注。而且Soft-EPi已成功将红光和绿光LED集成在同一晶圆上,并计划集成蓝光LED。但红色GaN外延片的效率依然很难看。

还有,国外影响力颇大的AR光学博主Karl Cuttag在今年年初专门写了一篇文章吹捧Porotech,因为这家公司,实现了目前为止他所能看到的红色、绿色和蓝色最高效的LED。




CES 2023大会的0.26英寸1280x720p、3.5um像素的手持拍照照片(没有完全对焦)。Porotech测量为蓝色为70万尼特,绿色为300万尼特,红色为70万尼特。

Porotech以多孔GaN材料来实现光效率提升,开发的DPT技术所谓动态像素调整,来实现单LED芯片全光谱显示。这意味着,同分辨率下,需要的LED数量只有原来三分之一,像素连接驱动的触点少了三分之二,分辨率能更高、制造难度又下降、光效率又独一无二,还轻轻松松实现了全彩显示。但难就难在,驱动,按照Karl Cuttag的原话,

对于Porotech的LED,你必须同时控制电流和脉冲宽度。这意味着驱动硅背板将更加复杂和难以开发。但我非常喜欢的是,Porotech正在解决根本问题,并将复杂性转移到一个最终会解决的“领域”。

但比较有趣的是,对于 InGaN 基红光 Micro LED 的可行性,JBD 是这样指出的,

透过和业内知名外延厂商合作,例如 Porotech,再结合多年积累的 Micro LED 芯片技术,试图验证 InGaN 基红光 Micro LED 的可行性,但研究结果证实,InGaN 基红光 Micro LED 微显示屏的亮度只能达几百尼特,离客户应用要求差 3 个数量级,材料也存在严重的可靠性、颜色均匀性、色彩稳定性等问题。对此,JBD 认为红光 InGaN 外延及芯片存在短期内无法解决的基本物理问题,放弃该技术方向做为产品应用的可能。

JBD不仅把Porotech合作后的进展描绘成“差三个数量级的红光LED亮度”,被众人看好的能实现蓝、绿、红光LED材料一统的InGaN,也是Porotech的LED材料方向,JDB居然嗤之以鼻,明确说已放弃尝试。JBD还是坚持在传统AlGaInP 材料上实现红光效率突破。

目前在硅基Micro LED商业化进展、事实上领先全球的JBD,说这话确实有底气。

牛逼闪闪的JBD,红光LED面板亮度从50万尼特提升到75万尼特,同分辨率下把体积做小,像素间距居然还能再缩小。传言中下半年要上的0.4cc RGB三面板棱镜合色Micro LED全彩光引擎,是不是真能做到高像素密度、小体积、高亮度,并且顺利量产,我们暂且等待。

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