终极显示技术——Micro-LED产业链分析

终极显示技术——Micro-LED产业链分析

2021-11-14 16:17:18 0

文章来源:布鲁斯杂谈

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什么是Micro-LED

Micro-LED(Micro Light Emitting Diode)即微型发光二极管,也称“LED 微缩化和矩阵化技术”。


Micro-LED将普通LED缩小百倍,达到微米级别(通常为50μm以下),并矩阵化排列。

我们知道,显示技术中无论是最早诞生的CRT阴极射线管显示,称霸全球20年的LCD,还是近几年新贵OLED,其升级方向都无外乎两个:更高的画质和更低的能耗。

更高画质,意味着色域更广、对比度更高,更为真实的色彩显示;而更低能耗对于移动设备意义非凡,意味着更持久的续航以及可以添加更多的功能。

Micro-LED通过高密度集成的LED阵列,像素距离达到10μm量级,实现更高的画质;而且LED每个像素都能够自发光,无需背光,在高亮度情况下仍然可以实现更低能耗。

我们通过与目前主流的LCD和OLED显示技术的比较,可以看出Micro-LED在对比率、反应时间、寿命、工作温度、可视角度、像素密度(每英尺像素数)、耗电量等性能指标中全面碾压LCD和OLED技术。因此,Micro-LED技术也被业内誉为“终极显示技术”。

但同时我们看到,Micro-LED目前仍未实现普及,制造成本也较为昂贵。


对于Micro-LED这样性能出众的显示技术,各大行业研究机构都给出了非常乐观的市场预期。

市场研究机构Yole预测,全球Micro-LED显示屏出货量将从2019年的约610万片增长至2025年的3.29亿片,年均复合增长率为94.38%,显示市场规模将从2019年的6亿美元飙升至2025年的205亿美元,年均复合增长率高达80.1%。

LEDinside也在 2019 年的报告中指出,Micro-LED各项功能性指标(PPI、亮度、 功耗、薄度等)均表现优异,未来成长空间巨大,市场规模有望达到300-400亿美元。


综合上述信息我们可以归纳出Micro-LED显示技术的四大特点:性能好,市场大,量产难,价格高。


那么Micro-LED技术为何仍无法实现大规模量产呢?这要从Micro-LED的关键技术说起。


Micro-LED关键技术

下面这张图是Micro-LED的制造工艺流程(简称“制程”),看起来非常复杂。


其实归纳起来非常简单,通俗地讲,Micro-LED的制造工艺就是三个步骤:

1、在氮化硅或氮化镓外延片上将LED晶粒微缩化和阵列化,使其尺寸达到微米级(通常为50μm以下);


2、将微缩化后的LED芯片批量转移至TFT或CMOS电路基板上(巨量转移),形成超小间距LED;


3、用物理沉淀法进行保护与上电极,完成上基板的封装。简单说就是先把LED芯片做小,再转移到基板,最后加上电极和保护。

当然这个过程中还有非常多的关键技术有待突破,例如上图中这些吃惊脸和苦瓜脸:

芯片制造需要更好的车间和设备(光刻机等)、红色和绿色LED芯片发光效率有待提升,大批量生产所需的检测和修复工艺有待完善,巨量转移工艺尚不成熟,材料稳定性和图像转移技术有待提高,光源控制水平仍不及OLED,驱动方案仍未成熟。


正是由于这些关键技术尚未实现全面突破,虽然目前一些组装技术可以提供接近99.99%甚至99.999%的良率,但,大规模批量生产仍是一个挑战。


在上述这些吃惊脸和苦瓜脸中,巨量转移技术是业界公认难度最大的关键技术。

巨量转移技术,是将 Micro-LED芯片批量式转移至TFT电路基板上,并按“照”微米级周期组装构成高密度级二维阵列结构。

巨量转移的难点在于,如何提升转移良率到99.9999%(俗称的“六个九”),且每颗芯片的精准度必须控制在正负0.5μm以内。

为了突破巨量转移技术,掌握Micro-LED的最关键技术,全球显示龙头都在这个方向有所投入,各家公司所用采用的技术路径也并不相同。而不同的技术适用的Micro-LED芯片尺寸也不同。

可以看到,苹果公司和索尼所主攻的方向可以支持小到10μm的Micro-LED芯片,适用于智能手表等超小显示屏。


Micro-LED研究现状

虽然Micro-LED技术尚未广泛应用于市场,但全球显示巨头研究步伐却从未减缓。


从产业链分工上看,Micro-LED产业链分为上游的芯片制造、巨量转移,中游的面板制造和下游的整机应用。上游的芯片制造和巨量转移则涵盖材料与零组件生产商和设备提供商。


据Yole统计,从Micro-LED专利申请情况看,该行业正在从原型转向商用消费类显示器。其他值得注意的新发现包括:

●初创公司是主要的创新力量;

●苹果的专利速度正在放缓(但这可能意味着该公司现在专注于商业化);

●京东方在2019年申请了近150个同族专利。


Yole得出的进一步推论是:

●Micro-LED专利申请的增长是由中国公司推动的;

●中国显示器制造商在2020年将占据全球显示器市场的50%以上;

●Micro-LED技术的总投资将达到48亿美元,其中仅苹果公司就已经投资了近18亿美元。


苹果公司通过2014年收购Luxvue公司,在Micro-LED领域有深厚的技术积累。


  • ●专利覆盖芯片结构与制造、巨量转移、色彩转换、消光、显示驱动、缺陷管理和修复、测试、显示传


  • 感器等领域;

●全面涵盖了与Micro-LED相关的所有关键技术;

●业界预测苹果将在2020或2021年发布Micro-LED屏幕的新款Apple Watch手表。


三星公司在2018CES展会上就推出了Micro-LED样机,在2020年CES展会上,三星的展示除了73、146、219甚至292英寸的大尺寸显示屏外,还提出了模块化解决方案:多个Micro-LED小屏可以任意组合并智能显示。


三星与台湾PlayNitride(錼创)合作,计划将在2021年将基于PlayNitride芯片的75英寸Micro-LED电视推向市场。


索尼公司在2019年推出110英寸Crystal LED电视,应用Micro-LED技术。面向商用的Micro-LED显示屏还有147、182、219英寸三种规格。

可见,索尼和三星都选择了与苹果不同的研发路线:苹果选择的是小屏幕终端,要求减小用于每个像素的LED尺寸(通常低于20μm);索尼和三星选择了大屏幕显示,LED尺寸不需要太小,可以提高生产率,优化模块显示效率。


除了苹果、索尼和三星这三大显示应用巨头外,内地的LED芯片、面板大厂也都在积极布局,加紧研发。


2019年底,京东方与美国Rohinni公司成立合资企业BOEPixey(合肥京东方星宇科技有限公司),宣称生产10微米晶粒速度已经达到50个每秒,良品率达到99.999%。

  • ●技术路径与其他厂商不同:先实现少量晶粒(不是巨量)高精度、高良品率,并应用在照明领域;

●Rohinni与K&S共同开发的基于Rohinni技术的先进高速微米级贴装机PIXALUX平台获得2020年爱迪生发明奖;

●计划2020年底实现量产。


TCL华星是TCL科技集团控股,国开发展基金参股的专注于半导体显示领域的创新型科技企业。Micro-LED技术积累在背板技术、驱动技术和Micro-LED转移基础研究。


●2019年,TCL华星TV出货量已位居全球前二;

●截至2019年底,TCL华星累计专利申请数41040件,累计专利授权数12185件;

●美国专利授权榜连续多年位居中国企业前三;

●截至2017年底的Micro-LED领域专利数排名中,华星TCL排名全球第5名,是国内专利数最多的;

●月9日TCL华星宣布与三安光电合作成立联合实验室布局Micro-LED领域。


根据最新消息,利晶微电子技术(江苏)有限公司是台湾晶电与利亚德合资成立的公司,2019年利晶微宣布建立全球第一座

Micro-LED量产基地。


利晶微在无锡的新建厂房将于7月份投入使用,10月Mini LED背光显示及Mini/Micro-LED自发光显示正式投产,2021年Micro-LED自发光显示批量生产,2022年MiniLED背光显示、Mini/MicroLED自发光显示达产。

我们将全球着力研发Micro-LED的公司及其最新的研究现状整理成表格。

根据表中研究现状汇总,可以总结出以下几点:

第一,目前仍没有用于商业化的标准制造解决方案;


第二,LuxVue、X-Celeprint、Rohinni、PlayNitride等初创公司大多没有制造能力,它们需要制造方面的合作伙伴关系,其中PlayNitride商业化进展最快,与大陆公司合作最为紧密;


第三,中国台湾在Micro-LED领域整合半导体、应用、检测设备与系统厂商,形成产业集群和联盟;


第四,索尼、三星公司在Micro-LED领域已率先推出大尺寸、模块化商业化显示屏(虽然价格较高),苹果公司布局最早、专利覆盖面最广,最有希望率先在可穿戴设备上应用Micro-LED显示;


第五,中国大陆TCL华星、BOEPixey、利晶微电子均有较好的技术积累和较大的研发投入,有望在国内领先技术突破。


同时,我们也能看出Micro-LED的一些未来发展趋势:

第一,随着更多厂商进入小批量生产,良率会逐渐提升,但仍需要扩大外延片以提升转移效率、优化驱动、检测与修复解决方案;


第二,Micro-LED芯片、面板和设备制造商之间需要更多地建立合作关系,推动产业发展;


第三,市场普遍预期,Micro-LED的大规模商业化需要3-5年甚至更长时间;


第四,商业化可能首先从大尺寸商用显示开始,逐渐发展向车载显示、电视、手机、可穿戴设备、AR/VR。


在对Micro-LED技术和研发现状有一定了解后,我们可以初步看出,Micro-LED是一个尚未成熟但将拥有巨大发展的产业。

那么这个产业有什么特点?产业中未来的机会在哪里?


要解决上述两个问题,我们以史为鉴,先来看传统LED的产业链是什么样子。


LED产业链特点

传统LED产业链成熟完整,根据制造流程也分为上中下游


上游:外延生长与芯片制造是最能代表 LED 行业中企业或国家技术与产业水平的部分,也是技术含量最高专利竞争最激烈、经营风险最大的领域,中国衬底蓝宝石企业大概 10-20 家,其中上市公司 3 家;芯片制造企业 40-50 家左右,其中上市公司10 家。



中游:器件与模块封装以及下游的显示与照明应用,属于技术和劳动密集型行业,中游封装企业超过 1000家,其中 11 家为上市企业。



下游:应用领域规模最大,大约有 5000 家企业从事 LED 应用产品的制造,上市企业 19 家:其中背光源 1 家,显示 5 家,照明 13 家。


可以看到,传统LED行业产业链成熟完整,技术和规模是核心要素。Micro-LED产业链中也同样如此。

从市值和地域分布看,LED 产业呈现明显的集群效应,A 股上市 LED 行业相关公司总共 43家,市值破百亿的企业有 9 家,长三角及珠三角地区覆盖了 88%家上市公司。


从国内LED 产业的发展来看,地域上出现以长三角、珠三角、环渤海经济圈及闽赣地区为主的四大产业聚集区域。


可以看到:传统LED行业集中度较高,这些传统LED巨头又率先投入到Micro-LED技术的研发中,因此,产业龙头/产业集群、内部孵化的Micro-LED公司可能率先获得技术突破,占领市场,更值得关注。


从时间看,传统LED 行业经历了几轮驱动:


●2013年以前,LED 下游主要作为为手机、TV 等终端的背光源;

●2014年以后,背光源市场渗透率趋于饱和,产值规模开始萎缩,照明市场开始活跃;

●2015年小间距 LED 逐渐兴起,小间距市场规模年均增长 50%以上;

●2018年开始增长率急剧下降,厂家进入去库存周期。


可以看到,传统LED行业周期性明显,周期过后行业集中度往往提高。韩国的三星和国内的利亚德在下行周期逆势扩产能,最终都得到了市场份额的提升。因此产业呈现强者愈强的马太效应,龙头布局Micro-LED更值得关注。


在传统的LED显示屏中,已封装LED芯片(灯珠)成本占比大约为23%。


而小间距显示屏中,已封装LED芯片(灯珠)的成本占比从23%提升到65%,是整个显示屏中价值最高的部分。

我们可以推测,在Micro-LED这个领域,芯片制造与巨量转移技术难度更高,预计LED芯片与封装在产业链中价值占比会更高,高于65%。


而在传统LED芯片的成本结构中:

●设备占LED成本比例最高,为35%,国产化程度最低;

●衬底原材料市场竞争较为充分,而且已经国产化。


国产设备发展较国外起步较晚,国产MOCVD(金属有机化学气相沉积)设备行业从09年开始得到国家扶持,直到17 年,中微公司生产的 PrismoA7 设备才逐步打破海外企业的垄断。


MOCVD设备有投入资金量大、技术要求高、试用周期长的特点,在Micro-LED这个新的领域,芯片厂通常会选择昂贵但可靠的成熟设备,加之国产化率较低,有核心技术的国产设备厂存在发展机会。


Micro-LED投资思路

以上Micro-LED行业情况,可以总结如下:

第一、与LCD和OLED相比,Micro-LED显示画质高,功耗低,预计会成为未来主流显示技术,市场空间将超过200亿美元,但目前因无法量产,成本高,预计3-5年后大量进入市场;


第二、Micro-LED无法量产的原因是制造工艺不成熟,其中将微米级LED芯片大量转移至电路基板的“巨量转移技术是业内公认的最关键技术,此外驱动、检测与修复解决方案也有待优化;


第三、中国台湾、日韩与欧美技术领先,中国近年来专利数大幅增加;日韩以Micro-LED大屏显示为主攻方向,欧美以小屏为主攻方向。除索尼产业链较为封闭外,大多上中下游公司在研发方式上采取联合研发方式。


因此,在考虑Micro-LED行业投资机会时,应考虑以下几点:

第一、Micro-LED产业链中价值占比最高的LED芯片制造与封装企业值得高度关注,拥有核心技术的MOCVD设备厂存在发展机会;


第二、在LED芯片制造与封装领域,技术与规模都很重要,需考虑:是否有用于商业化的标准制造解决方案(技术),是否有足够合格的设备与厂房支持批量生产(规模);


第三、LED产业链集中度较高,关注行业龙头动向,重点关注BOE Pixey、华星、利晶微等合资公司合作研发进展。


同时也需要考虑以下两点风险:

1、技术类风险:目前巨量转移的实现有多个技术路径,率先实现大规模量产并降低成本的技术将迅速占领市场,早期项目中不可避免的技术押宝式投资,存在不小的风险,需要丰富扎实的行业与技术调研能力;


2、周期性风险:Micro-LED产业链中芯片制造与封装、仪器都属于重资产模式,早期投入资金大;行业又存在周期性,对公司经营水平要求高。不论是早期项目还是成长期项目,都需考虑行业所在周期阶段。

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