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显示器的未来是什么时候?

MicroLED显示屏一直被认为是显示技术的未来,具有无与伦比的亮度、响应时间和能源效率。但是在第一个MicroLED原型出现近20年后,广泛的商业应用仍然难以实现。


(a) MicroLED系统的简化供应链模型和本路线图的范围。(b)一个好的MicroLED技术应该是什么样子的概念可视化。(来源:Journal of Physics: Photonics)


在《Journal of Physics: Photonics》上发表的一篇论文中,来自学术界和工业界的研究人员合作提供了一份最新的路线图,介绍了MicroLED的进展和面临的挑战。他们将MicroLED的起源追溯到21世纪初,当时研究人员意识到,将LED缩小到微尺度可以实现有趣的物理现象,比如增强主动发射和降低激光阈值。实际应用很快就出现了,MicroLED被用于下一代显示器、VLC和生物医学设备。


近年来,由于对高分辨率VR/AR和透明显示器的需求,人们对MicroLED显示器的兴趣激增。与LCD和OLED相比,MicroLED具有更高的亮度、更快的响应时间和更长的使用寿命。因此,三星、LG和京东方等公司已经展示了MicroLED电视和显示器的原型。


但在开始批量生产之前,仍存在重大障碍。在尺寸小于10微米时,由于表面复合和等离子体蚀刻损伤,MicroLED的效率急剧下降。像ALD钝化这样的新解决方案在一定程度上提高了效率,但红色和UVMicroLED仍然远远落后于蓝色和绿色。对于全彩色显示器,像量子点颜色转换这样的技术有助于弥补,但会带来复杂性。


将数以百万计的MicroLED芯片巨量转移到电路中,即所谓的微封装,是极具挑战性的。目前的拾取释放方式对于商业化来说过于缓慢和昂贵。像弹性印模这样的替代技术显示出了希望,但仍然存在规模扩大和不均匀性问题。MicroLED制造和转移的缺陷需要困难的修复过程,以满足消费者的期望。


单片集成,将MicroLED直接集成到驱动电路中,是诱人的,但受到材料挑战的限制。由于铟含量高,用InGaN发射纯红色是困难的。纳米线等新型纳米结构有助于缓解这一问题,但需要复杂的制造工艺。将多种颜色整体集成也是一个有待解决的问题。


专家建议,像隧道结这样的改进可以通过改善电流传播和光提取来提高效率。与高铟InGaN晶格更好匹配的新衬底也可能实现有效的红色发光。对于制造业,基于滚动的冲压具有可扩展的微组装潜力。


但是对于大多数挑战来说,明确的解决方案仍然很遥远,领先的研究人员承认,有意义的商业化至少需要5年的时间,完善单片技术可能需要10年的时间。因此,虽然microled代表了一种令人兴奋的未来显示模式,但声称它们将在未来几年内实现下一代智能手机,AR眼镜和墙壁大小的电视的说法似乎令人怀疑。



显示了按年发表的论文数量。应用了两种不同的搜索标准。(来源:Journal of Physics: Photonics)


首先需要重要的材料研究、纳米制造进步和设备创新来解决本文概述的障碍。最关键的是,MicroLED制造必须在成本上与现有的OLED工厂竞争。在这个十年的后半段之前,品牌消费级MicroLED产品不太可能发布。


MicroLED巨量转移的巨大挑战


商业上可行的MicroLED显示器的最大障碍之一是巨量转移挑战。这个关键的制造步骤包括将数百万个微型MicroLED芯片精确地放置在电路上,以创建高分辨率的显示器。


正如论文中的专家所解释的那样,目前采用LED背光的拾取和放置方法对于微组装来说太慢,也不够精确。在最好的情况下,传统的模具粘接器每秒只能转移5-40个芯片。要制作一个8K的显示器,大约需要2500万次转移,这使得这个过程完全不切实际。


弹性印模这样的替代技术可以并行处理更多的芯片,但在更大的尺度上很难提供一致性。统计自组装方法可以实现更高的吞吐量,但缺乏确定性控制,导致不可接受的死像素计数。即使是像激光转印这样的创新技术,也仅限于将Microled传送到临时载体上,而不是直接传送到显示器背板上。


从根本上说,处理大量微小的MicroLED芯片,同时在大型显示区域保持精度,这是一个巨大的制造挑战。专家估计,为了实现商业可行性,巨量转移系统的每面板产量必须超过99.999%,以最大限度地减少死像素。目前的解决方案仍然难以始终如一地达到这样的精度。


专家们警告说,由于实现超高量微型组装的明确途径尚不清楚,而且可能需要全新的转移技术,因此成本效益高的大规模生产MicroLED显示器可能还需要几年时间。尽管取得了可喜的进展,但在通往革命性的MicroLED显示器的道路上,巨量转移仍然是一个关键的障碍。然而,有迹象表明,商业利益可能正在加速制造技术的进步,我们可能会比预期更早地找到解决方案。


因此,实现Microled的大规模潜力似乎仍然是一个渐进的,多年的过程。早期的原型和演示将继续出现,但根据这项全面的研究回顾,普遍的MicroLED商业化仍然坚定地出现在视野中。在microled照亮商店货架之前,需要耐心和毅力。但是,随着韩国和中国在OLED领域的竞争日益升温,MicroLED技术被推动以创造竞争优势也就不足为奇了。


Reference

Lin, C.-C., Wu, Y.-R., Kuo, H.-C., Wong, M. S., DenBaars, S. P., Nakamura, S., Pandey, A., Mi, Z., Tian, P., Ohkawa, K., Iida, D., Wang, T., Cai, Y., Bai, J., Yang, Z., Qian, Y., Wu, S.-T., Han, J., Chen, C., … Fang, Y.-H. (2023). The micro-LED roadmap: Status quo and prospects. Journal of Physics: Photonics, 5(4), 042502. https://doi.org/10.1088/2515-7647/acf972