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    Mini/Micro LED显示产业主题演讲

      [  中关村在线 原创  ]   作者:勾蕊

      Mini/Micro LED显示产业分会(CMMA)首席科学家、中国科学院院士、南京大学电子科学与工程学院 教授郑有炓发表主题演讲:【发展Mini/Micro LED技术的若干思考】

           以下为正文内容:      

      “发展Mini/Micro LED技术的若干思考”,主要讲三个问题:第一个问题,Mini/Micro LED是半导体技术发展的必然趋势。第二个问题,Mini/Micro LED迎来发展新热潮。第三个问题,展望Mini/Micro LED显示产业发展的走向。

      首先讲第一个问题,大家知道“芯”与“屏”是现代信息技术不可或缺的两大基本元素,是发展信息技术的基石。这里的屏我今天报告是讲LED显示屏,也是半导体技术,这里的芯是指以集成电路为标志的数字芯片。屏是以LED器件作为像素,这两个芯片(LED和数字芯片)应该说是当前信息技术当中两大主流芯片。

      左边华为做的芯片,右边是世界上做的最小的Micro LED芯片,芯片尺寸比小米粒还小。所以随着信息技术的飞速发展,器件尺寸朝微小化演变,这是半导体技术发展的一个趋势。

    Mini/Micro LED显示产业主题演讲

      我们知道Micro LED是LED微缩化、矩阵化的二维像素矩阵,为什么LED微缩化是LED显示技术发展的必然趋势?我们以晶体管作为数字芯片朝微缩化、集成化演变为例,早期单个晶体管芯片,经过微缩化、集成化以后变成SOC,这也是翻天覆地的变化。比如说我们华为的麒麟CPU,一个芯片里面包含150亿个晶体管,这就是芯片的微缩化、集成化,能够实现巨大的功能。我们可以理解一下,2nm技术,一个晶体管只有10个硅原子大小,正因为晶体管微缩化和高度集成,使数字技术带来了今天5G技术的时代。所以半导体器件做的越来越小,而功能则变得越来越大。

      LED的像素现在怎么样呢?早期的室外LED显示屏,一个灯内就只有一颗芯片,这样一个结构已经在室外屏用了将近20年。怎么样再往深入发展呢?要微纳化,要集成化,集成化就是集成电路的两维集成,集成电路是微纳化,我们叫做微缩化,如果最后实现了微缩化,集成化以后,从一个芯片是一个像素,可以变成一个芯片装上一个显示屏微显示,这也是翻天覆地的大变化。一个芯片就是一个屏,当然我这里指的是LED的屏。而且,这个屏的每个像素都能够独立受控发光,所以这是Micro LED性能上取得非常大的变化。

      第二个变化就是缩小了像素的面积和像素的间距,可以从户外显示进入到室内显示,再减小以后进入到穿戴式IT终端显示。这样演化过程就是尺寸减小了,会带来很大的变化。所以我们说LED的微缩化、矩阵化引起了两个变化,一个是一个显示屏可以安装在一个芯片上,单片微显示屏现在已经开始用了,这是Micro LED的微小化的显示屏。如果从毫米变成微米、纳米,LED显示应用就可以覆盖宽广的应用领域,从超大尺寸到极小尺寸。

      第二个变化是LD微缩化的性能有大的突变,比如说功耗,其功耗是LCD的10%,可以省电90%,是OLED的50%,可以省一半。亮度比OLED要高30倍到50倍,而且具有超高的解析度和很好的色彩饱和度。更重要是,LCD的响应时间在毫秒,OLED的显示大概在微秒,Micro LED可以到纳秒,Micro LD显示可以进入到视频显示、宽带在线显示,而如果网线输入慢的话,很难在线显示,比如我们看到手机间断的图像。另外,Micro LED对比度非常高,理论上对比度可以无限大。Micro LED可视角很宽,寿命是10万小时以上,起码可以工作10年。所以这样长寿的显示屏非常有应用价值。此外,Micro LD可以实现无缝拼接,可以实现任意形状,任意大小的显示屏。

      但是,正像通常的规律一样,创新难,创新成果变成产品难,产品面向市场更难。所以说Micro LED的发展是需要一个过程的。通常半导体器件发展一般是8年到10年,到20年的周期。所以Micro LED这样一个技术要商业化进程的话,主要取决于技术的成熟度,也就是他成本的降低。只有这样才进入市场才有竞争力。但是Micro LED有三个基色,红绿蓝,如果不谈芯片,Micro LED的最大难题就是说巨量转移。一般比如说要做一个8K的显示,可能要包含上亿个管芯。怎么样快速、有效高质量转移?这是一个工程上面临的一个挑战。

      而且他这个转移过去,芯片要保证好用,不好用要修复等等。所以有一些难度目前看的话,就是LED要马上用比较困难,那怎么办呢?大概在三四年以前,我记得是大概三四年以前,就引进了一个Micro LED显示技术。作为一个小间距LED向Micro LED的过渡技术。我想搞一个过渡技术,尺寸不要做太小。隔行各界也讨论过,怎么样严格定义下来?我比较理解Mini/Micro LED芯片在250um到100um目前来看比较合适,因此,这样的话,Micro LED的芯片尺寸小于100um,有的产业给更低的标准,要小于50um,这两个既然一个是250到100um,一个是100um,我们可以把芯片做到250um到100um就可以用,在功能上他是小间距的进一步延伸。在技术上仍然还是老办法,按比例缩小。这样对于芯片的制造业也容易做,技术上还是按照小间距的技术,但是功能上是小间距往前进一步延伸。这样的话,他起的显示效果就慢慢趋向于Micro LED,这样作为一个过渡技术。

      实际上Micro LED微缩化是开拓了一个“微纳LED世界”,除了Micro LED显示以外还将更多的创新应用。比如说最近日本报告了一个Kubota的眼镜,这个眼镜对视网膜照射,可以刺激人眼来缩短眼轴长度,从而可以抑制近视眼,如果每天戴1.5个小时到2个小时,近视眼会慢慢的矫正过来,今年下半年可能就要发布这个产品。如果把Micro LED光源装在AR眼镜里面,你一旦看了AR这个世界,同时Micro LED光源刺激眼睛,防止眼睛近视,这样一边在用AR,一边可以修复近视。微纳LED照明微观的健康领域,这个里面应用很多。

      微缩化除了这个以外,还有更多创新的应用。所以说,LED的微缩化不仅仅发展了Mini/Micro LED信息显示技术,将有可能成为创新的高地。我们第一个目标是做显示,下面目标一个一个跟上来,可能各种新的应用上来。就像说晶体管做到可以不同集成,可以做不同功能出来。所以说与晶体管类似,LED的微缩化是半导体技术发展的必然趋势,所以说LED到Mini LED,再到Micro LED、再发展到nano LED。

      目前我们搞Micro LED技术是客观发展的必然趋势,所以我们要坚定信心来发展Micro LED显示技术的产业。所以我第一个思考,让我们大家重新认识,进一步树立信心来发展Micro LED技术和产业。

      下面谈第二个问题Mini/Micro LED迎来发展新热潮。在新冠疫情目前的情况下,能够出现一个新的技术发展热潮,我看了看Mini/Micro LED可能是比较突出的。

      为什么会掀起这样一个热潮?主要有下面三个原因:一个是Micro LED技术已经能够支撑开启产品商业化进程。第二个原因可能是5G信息技术时代对光电信息显示迫切的需求。5G改变生活,改变社会,改变世界。5G没有新一代显示技术也发展不起来。第三个原因,Mini/Micro LED发挥不可替代的优势,发展正当时,目前应该是在坚实基础上可以大胆往前走。

      所以说,我国从LED芯片、封装、到显示的龙头企业,几乎都向Mini/Micro LED挺进,在显示业界掀起了发展Mini/Micro LED新热潮,成为LED新产业新一轮发展的引擎。  第一个理由是Micro LED技术目前已经能够支撑开启产品商业化的进程,这里面有一个新技术成熟度的衡量曲线。这个曲线里面纵坐标是期望值,横坐标是发展的曲线,一个新技术基本上按照N字型发展。也就是说从开始到萌芽以后,期望值非常高。然后突然又掉下来了,掉下来然后再上升,这个上升那就稳步上升,就是慢慢爬上去的。一个新技术不可能突然间很陡的上升,慢慢爬上去。

      实际上这个是衡量信息高技术发展历程,基本上按照N字型的模式发展的。目前来看的话,Micro LED应该是进入到稳步爬行期,因为Micro LED从2001年提出来到今天为止,已经发展了20个年头,Micro LED的技术路线,关键技术怎么突破,这个已经比较清楚。所以说,已进入作为新兴技术的稳步期,在这个阶段里面可以支撑开启产品的商业化进程,甚至可以接近突破量产的前夜。经过20年的发展,现在已经达到这样一个地步了。

      所以说第一个理由,就是目前Micro LED技术已经开始稳步往前爬行发展。

      第二,5G信息技术时代对光电信息显示的迫切需求。你发明再先进,如果不是应了需求很难进入产业,正好现在5G产业开通,提升了大数据、云计算、人工智能性能提升,进入了5G的新一代信息技术时代。这样时代又促进了垂直行业的发展,车联网、物联网等等,这些技术的基础又在数据中心,无线基站、移动智能终端等等。

      目前信息社会的时代就在这个表中反映出来,所以我们国家已经明确提出来,这个叫做新型技术建设一,目前显示无处不在,无处不有,显示将作为5G信息技术时代不可或缺的元素。它的重要性,芯与屏应该是一样的,当然技术点难度都差不多。而且,显示的是支撑5G信息技术的可持续发展、高质量发展不可或缺的一个环节,如果今天没有显示技术,我看就没有今天的信息技术,因为他走不通。

      显示支撑的5G时代里面,5G+8K,5G+VR/AR的视角领域大变革,这是5G改变社会的第一个改革大变化,那就是视角大变化。这一块主要有两部分,一个是5G+8K,一个是5G+AR/VR。

      5G+8K,实际上是为视频实时传输提供了高速通道,目前5G+8K已经构成了一个生态链。8K 显然来源于超高清显示,会产生越来越多新的应用场景。这里面强调一下,5G和8K是相辅相成的,没有5G,8K用不起来,同样,5G要依靠8K,没有8K,5G的功能不能真正发展出来。5G和8K是相辅相成的,这样共同成为推动超高清显示产业的强大力量。

      另外,5G+AR/VR,这里面主要是微小间距高分辨小尺寸微显示,AR就是你看真实世界里面再加上一个数字虚拟世界,这个非常重要。智能手机要发展新一代产品,AR是戴眼镜,是近眼显示,它对显示要求非常高,高亮度、高对比度、高分辨率、刷新率、低时延等要求。目前来看,Micro LED对超高清显示,AR、VR完全符合它的要求。

      所以Micro LED作为过渡期,有系统推动LED显示技术,是趋同发展的。目前,Mini/Micro LED显示技术是迎来了前所未有新发展机遇。

      这次热潮是很有发展的,我们要更加有信心。有信心以后展望一下Mini/Micro LED显示产业发展走向。今天专家报告很多,我不多说。我谈三点:

      1、两条产业化发展路线(高阶高端应用),

      第一点就是超大尺寸的显示,这里面把Micro LED作为支撑加在一起,Mini/Micro LED超大尺寸显示;Micro LED超小尺寸微显示器,只有Micro LED这个技术。所以这两个应用扩展了目前显示技术的屏幕尺寸范围,一个在最小端,一个在大端。

      为什么首先要发展Mini/Micro LED超大尺寸显示器?原因比较简单,因为缩小像素芯片尺寸和像素间距的技术难度比较大,Micro LED目前情况下只能采取通过增大屏幕尺寸,放宽观看距离来实现目标高分辨率。目前从Micro LED技术来讲是不得已的,就是说放大屏幕将更大,距离要加长。在业界大于110寸以下,这个技术本来是要突破这个技术难点,但是又符合新一代技术迫切需要。

      在目前5G开通以后,大数据中心医疗健康、影视医疗等等都需要大屏幕显示。而且,这个大屏幕显示要非常的稳定可靠。比如说,大数据中心显示屏,显示屏应该一旦装好以后不能间断的,一工作可能就5年、8年的工作,这时候Micro LED就可以发挥作用,还有在地铁、车展里面等大屏显示。跟OLED不一样,Micro LED有很多的优势。大屏幕显示有不同的要求,有的要求分辨率非常高,有的可以放低一点,这里面Mini LED就可以发展作用,所以Mini LED和Micro LED互相协同。这样整体就推动了超大屏幕技术的发展。

      目前超大屏幕符合我们国家的国情,在显示行业产业链是比较完整的。而且,LED显屏的基础很好,产业链完整,而且目前有迫切需求,有巨大的市场空间。

      在Micro LED显示发展过程当中,由于技术难度大,产生了两项新的技术,一个是Mini LED技术作为过渡技术,目前这个过渡技术本身就是一个新技术。第二个就是LED超大尺寸显示技术。所以说Micro LED在没有真正实现微显示之前,已经产生了两项新的技术。一个是Mini LED,一个是大尺寸的显示。这也是创新的一个特点。

      大家知道微波炉怎么出现的?就是巧克力沾在微波炉上面,我们在创新过程当中,在Micro LED发展的过程当中,我们要沿途可以创新很多新的技术。所以Micro LED也是一个创新的发展力。

      刚刚讲了为什么要发展大尺寸,从开始围绕着解决技术难点,结果反而创新了大尺寸。Micro LED本身的特点是微显示技术,目前微显示两个首选:AR(增强现实),VR(虚拟现实)。现实国际上有争论,究竟向哪一个为突破口?是AR还是VR?首我是比较偏重于首先是AR(增强现实),因为增强现实是一个近眼显示屏。他可以单片化,可以用硅技术来做。真实世界加上一个信息世界,支撑带来远程显示的应用。比如说戴上AR眼镜,通过信息世界,以后不在家里,也可以跟家里人一起聊天等等,用途非常广。

      所以说AR目前来看是需求非常强劲,大家都迫切需要这个应用,希望能够有这样一个远程功能的显示器。而这个眼镜架上装上微小的计算机,AR眼镜对显示的要求比较明显,要高亮度,他是在太阳光底下看信息世界,这个信息世界是电脑计算机产生的。因此,显示信息世界非常亮,高对比度,他们是有层次的,要高分辨率、高刷新率要速度快,低时延等等。

      所以Micro LED正好符合这些要求,目前的话,在欧美那边目前是比较注重发展AR,AR作为发展的风口。AR还有什么好处呢?它不一定要全色,单色也可以用,比如说自行车赛跑,我不要东望西望,更多的还是用在全色瞄准镜,在5G上用的非常重要。AR的眼镜也有很大的市场,据说做一个标准镜,在千万部件上装一个标准镜大概就要一千美元左右,而且市场供不应求。

      所以说AR单色可以用,但VR一定要全色。没有颜色的话,那是什么世界?所以说,目前世界上很多国家先发展单色的AR,然后再来搞全色的。全色的可以套用目前的AR的技术。而且AR可以单片支撑的,这个单片可以用硅来做的,这样就可以批量生产,现在台积电已经在发展调研准备进入Micro LED这个技术。我想他们进来肯定首先是Micro LED微显示的,充分用硅技术,这个技术一旦成熟的话,将来价格很容易降下来,可以量产。

      第二问题就是如何从高阶高端应用转向消费类电子应用,不能总是高端,一个在超大,一个是超强。必然要走向消费主战场,因为作为产业要发展,比如说超大尺寸里面,左边这个图按照这个键来发展,这个发展的话,应该说难度依然很大。他屏幕尺寸变小,芯片要变小,间距也变小,从大尺寸往前发展的话,难度加大。但是市场很大,这是成熟的市场,这是PC机、笔记本、Apad,市场非常大。所以说面对的巨大市场,但是要增加技术难度。

      所以我们要做好准备,攻克难关,往这边走一步来一步,从目前看来,要从大尺寸技术走到智能手机为止。

      另外来看一下如果从超小尺寸发展的话,首先说,智能手表,比如说车载,车载显示等等一直到智能手机。他是最小的显示屏,目前最小是2毫米,往这边做的话,他会慢慢变大。所以慢慢变大技术难度慢慢就在减缓,从小尺寸往这边降的话,技术难度慢慢降低。Micro LED(技术难度减低),Mini/Micro LED技术难度增大。两条路线要从市场因素等等来考虑。

      第三个问题受需求牵引、市场驱动,信息显示面对多元化和新兴应用模式。就像集成电路里面,比如说车载的用芯片,根本用不着OLED的技术等等,跟数字芯片一样的。所以这里面是多元化,很难说5年以后还有哪一些新的终端出来。比如说现在云计算发展以后,很多硬件都在云端。像LCD终端可能就做显示屏。比如说苹果要发展,所以这这个领域里面发展非常快。预计在显示技术替换周期里,LCD、OLED、和LED三者动态协同发展。希望我们国家有序竞争,这样我们才能做大做强,这一块目前应该是最大的市场,而且将来真正用的都是在这里面。

      LCD应该是目前技术最成熟,价格最便宜的,OLED目前在主流市场最先进的。LED是新一代显示技术。但是刚才讲的,如果发展起来以后,他就有可能在这个时期来竞争,目前来讲不能说谁淘汰谁的事情。所以我说在显示技术的替换周期里面会有大的变化。这三个技术都有它的应用范围。但是,要竞争,要协同。

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