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钛媒体 03-28

Micro LED 商业化进展,AR 一马当先

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 5-10 μ m,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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