Micro LED加速渗透智能显示行业，商业化节点或将来临 | 元创洞见

元创说

2022年VR设备全球出货量已达1,000万台，元宇宙概念的升温，带火了相关产业链，尤其对屏幕显示技术提出更高要求。再比如智能汽车领域，中国2022年乘用车销量2,300万台，未来每一辆智能汽车可能至少会配备3块以上的屏幕（如抬头显HUD），市场空间巨大。

Micro LED技术一直被视为显示行业皇冠上的明珠，被誉为面向未来的“终极显示技术”。消费需求旺盛叠加技术迭代快，双轮驱动Micro LED技术迎来黄金发展期。

据高工LED不完全统计，2022年，针对Mini/Micro LED领域的投资超过700亿元规模。显示面板行业投资方向从LCD向OLED、Micro LED转移的趋势明显。去年一年内有6家显示行业的企业上市，分别为：德龙激光、凌云光、凯格精机、卡莱特、雷特科技、錼创科技。

「元创洞见」将拆解Micro LED 产业链的技术难关，剖析挑战中蕴育的新机遇，分享元创对 Micro LED 未来投融资机会的观察与思考。本篇行研先回顾下Micro LED的“前世今生”及当中的核心技术突破点。

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显示技术的“前世今生”

据中国光学光电子行业协会数据，2022年全球显示行业产值近2,000亿美元，其中中国接近5,000亿人民币，占据全球市场的37%。目前，市面上主流的显示面板有LCD和OLED两大类，而Micro LED 凭借“自发光、高效率、低功耗、高集成、高稳定性、全天候工作等优良特性”，被视为继 LCD 和 OLED 之后的新一代显示技术。

Micro LED技术原理是将OLED附着于硅晶圆（而非玻璃基板），像素密度相较OLED面板更精细，在小尺寸面板上仍可实现超高解析度，可以将 LED尺寸微缩至100um以下，是原本LED的1%，甚至未来有望达到10um以内。基于上述优势，Micro LED技术成为AR/VR屏幕的最佳选择。然而Micro LED芯片的微小化使得传统制造技术不再使用，目前尚处于商业化早期，在制备技术上仍面临诸多挑战。

下游应用端，由于成本较高，目前Micro LED 的应用集中在高端消费场景，比如超大尺寸的大屏显示、智能手表端的小屏显示。我们认为随着技术难关的突破，Micro LED将迎来黄金发展十年。

显示技术的三大发展阶段

• CRT显示时代：1897年诞生，从20世纪50年代开始产业化，被用于早期黑白电视和电脑显示器；

• 平板显示时代：从PDP（等离子显示）过渡到LCD（液晶显示）。1964年，PDP和LCD技术相继出现，2000年以后LCD技术逐渐成为主流；

• 海兹定律驱动多技术加速迭代，OLED逐渐实现商业化：1997年OLED技术诞生并开启商业化生产，2015年三星推出首款QLED电视；2021年苹果发布首款Mini LED产品——12.9寸款的iPad Pro；Micro LED技术处于迈入消费级应用的关键节点。

图表：不同显示技术优缺点对比

Micro LED显示技术是指以自发光的微米量级的LED为发光像素单元，将其组装到驱动面板上形成高密度LED阵列的显示技术。由于Micro LED芯片尺寸小、集成度高和自发光等特点,在显示方面与LCD、OLED相比在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有更大的优势。

图表：对于Micro LED的不同定义

2000年美国堪萨斯州立大学江红星等人首次制备了基于Ⅲ族氮化物的Micro LED，并在2001年报道了用于显示的芯片尺寸12μm、10×10阵列的蓝光Micro LED。

图表：Micro LED发展历程

对比技术——DLP技术简析

数字式光处理（Digital Light Processing, DLP）技术是基于微机电系统的器件，被称为数字微镜器件（DMD）。DMD由德州仪器在1987年发明，它是一种采用半导体制造技术、由高速数字式光发射开关阵列组成的器件，能投射到大屏幕，产生高亮度、高对比度、无缝的彩色图像。

图表：单片DLP投影机工作原理

• 彩色轮是一个具有扇形红、绿、蓝滤光片的系统，以一定频率进行旋转；

• 用聚光系统将白光源聚焦在彩色轮上，光穿过彩色轮，在DMD表面形成图像；

• 当彩色轮旋转时，红、绿、蓝光依次地射到DMD上；

• DMD表面形成的图像，利用投射透镜投到大屏幕上，形成由方形像素组成的数字投影图像；

• DLP目前在投影、AUD等市场存在着广泛的应用。

  图表：主流投影技术原理对比图

对比技术——LCoS技术简析

硅基液晶（LCoS）是一种新型的反射式微液晶投影技术，它采用涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片。传统的LCD是做在玻璃基板上，LCoS则是做在硅晶圆上。前者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有3%左右，解析度不易提高；LCoS则采用反射式投射，光利用效率可达40%以上，而且可随半导体制程快速的微细化，逐步提高解析度。LCoS的优势在于性价比较高，缺点在于对比度不足以及功耗较高。

图表：LCoS结构示意图

• 通过施加液晶层像素的外加电压的大小，影响液晶分子的光通性能，进而决定该像素的显示灰阶；

• LCoS显示系统分三片式和单片式两种。三片式LCoS采用空间混色法实现图像彩色化。白光经双色镜分为红、绿、蓝3路基色光后，再经过各自光路的偏光镜，射入LCoS显示板。单片式采用时间混色法，三基色子图像经过PBS依次在像素上显示；

• 影响LCoS显示质量的一个关键因素是金属反射层表面的平整度，只有金属反射层足够平整，才能精准地实现对光线反射路线的控制；

• LCoS目前在家庭影院、AR等领域存在广泛应用。

和 Micro LED 相比，虽然 LCoS 显示技术具有成本低和制作难度低的优势，但是对超高分辨率的显示场合，LCoS 的图像刷新频率将很大程度上受到液晶响应时间的限制。相反 ，Micro-LED 通过LED主动发光完成图像的显示，屏幕刷新频率将比 LCoS 显示高很多，从而在超高分辨率微显示领域更加出色。

图表：LCoS、DLP、Micro LED优劣势对比

Micro LED是集成了半导体、光电、材料、化学和物理等学科的交叉学科，生产制造工序复杂，涉及流程繁多。简单来讲，Micro LED的生产制造主要包含7大关键环节，与MiniLED工艺相比，Micro LED在材料、工艺&新设备以及封装结构方面均存在较大差异。

Micro LED芯片的微缩化对材料、制备、检测、封装等产业链产生了新的挑战。以巨量转移技术为例，由于晶粒转移效率及良率控制未达到量产标准，难以形成规模效应，制备成本及产品价格居高不下。目前主流解决方案包括静电吸附、相变化转移、流体装配、滚轴转印、磁力吸附、范德华力转印、激光转移等。痛点中蕴含着机遇，我们认为能在巨量转移技术领域取得突破的创新企业值得关注。

图表：Micro LED产业化痛点

小思考

Q：为什么半导体工艺发展到纳米级的今天，微米级工艺的Micro LED还存在着诸多产业化难点？（1 纳米=0.001 微米）

A：目前Micro LED发光部分和背后基板等部分的生产流程是非一体化的，即需要后期拼装完成；且各个部分涉及的材料各不相同（例如驱动是硅、基板是玻璃、发光部分是化合物半导体）进而产生异质结构，从而导致量子效率过低；尺寸太小的情况下发光、调色等都达不到预期效果。而半导体工艺的纳米级实现的条件是要硅上进行一体化生产，两者存在本质区别。

02

Micro LED重点技术分析

上文提到了Micro LED显示技术的诸多优势，但该技术尚不成熟，在芯片、巨量转移、全彩化、驱动等方面仍然存在技术瓶颈。此外，Micro-LED晶粒的发光效率、波长一致性和良率还没有达到Micro LED彩色化显示的要求。

芯片技术：

外延过程中的波长均匀性问题：一个LED完整发光结构通常包含70-80层不同掺杂浓度、薄层厚度的沉积层，各沉积层均会影响最终产品的发光特性，因此外延生长环节是LED芯片生产最重要的步骤。Micro LED芯片与传统LED芯片制造工艺无本质区别，但由于芯片尺寸大幅缩小，外延环节的均匀性和微粒控制对提高Micro LED芯片的良率至关重要。现阶段，Micro LED晶圆的波长一致性可以达到3-5nm，而要量产化，需要在3nm波长均匀性的条件下生产良率达到90%以上。

芯片发光效率急速降低的问题：蓝光和绿光使用的是GaN芯片，虽然也有发光效率下降的问题，但仍然可以支持产品应用。但红光属于GaAs芯片，发光效率低，而且在芯片尺寸小于50μm时，红色芯片几乎不放光。

背板技术：

印刷电路板翘曲问题：印刷电路板（PCB）是消费电子领域Micro LED技术使用的背板中的一种，由于Micro LED芯片电极很小,而PCB的膨胀收缩比率较大,且PCB容易翘曲,因此在巨量转移中,尺寸稳定性和PCB的翘曲通常会造成转移效果不良。

玻璃基板横向和纵向尺寸变化的非等向性问题：玻璃基板是另一种消费电子领域Micro LED技术所使用的背板，但需要注意玻璃基板的横向和纵向尺寸变化的非等向性。且玻璃基板的电极一般使用光刻工艺加工,精度高。未来玻璃基板在应用上更具竞争力。

全彩化技术：

显示器的色彩显示需要通过全彩化技术来实现，目前Micro LED在近眼显示领域还无法实现全彩高亮显示。全彩化技术主要有4种：三色RGB法、紫外/蓝光Micro LED＋转光材料法、透镜合成法和特殊结构法。

以紫外/蓝光Micro LED＋转光材料法为例，技术原理是采用蓝光 LED 来替换背光板、以量子点膜或荧光粉作为发光介质替代 RGB 滤光片。虽然具备色彩纯度与饱和度更高的优势，但实现难度较大：因为对转光材料要求极高，而运用在消费级LED场景中需具备较高的稳定性，至少符合可持续累积使用10000h的水准；目前荧光粉材料颗粒尺寸大，容易造成小尺寸像素上沉积不均匀。因而我们看好在量子点具有深厚技术沉淀的公司。

巨量转移技术（Mass Transfer）

由于Micro LED芯片尺寸小，单位面积晶体数量远高于传统LED，对晶体转移效率及良率提出更高要求。我们认为巨量转移技术是实现Micro LED降本、走向商业化的关键技术节点。

巨量转移是指完成大量微米级的Micro LED晶粒制作后，进行切割，并将其正确且有效率地“巨量转移”至电路基板上的过程。以4K电视为例，4K通常指4096x2160分辨率，假设每像素点为三个R/G/B晶粒，制作一台4K电视需要转移的晶粒高达2600万颗，即使每次转移1万颗，也需要重复2600次。通常传统的LED转移设备速度最高在数十颗/秒，无法满足Micro LED量产化的需求。

图表：巨量转移技术对比

巨量转移技术的解决方案主要包括静电力吸附、流体装配、弹性印模、滚轴转印、激光转移等。以激光转移技术为例，它是选择性释放转移技术中的一种，即跳过拾取和释放的环节，直接从原有的衬底上将LED进行转移。目前实现方式通常是通过高能量脉冲激光透过镀有材料薄膜的基底，聚焦到基底与材料薄膜的交界面上，使薄膜被加热至熔融状态，基底上的芯片即可转移沉积到与之平行放至的受体上。该转移技术需要精准控制激光的功率和分辨率，才能不影响芯片性能并达到产品良率。

此技术的难点在于，响应材料的选取，需要精准控制激光的功率和分辨率才不影响芯片的性能;激光维护成本较高；另外还需要控制好GaN分解的作用力才能实现精准对位。该技术适用于小尺寸芯片，小间距范围，单次转移面积适中。

小思考：

Q：巨量转移技术良率究竟要达到怎样的水平，才能应对Micro LED大规模量产？

A：部分业内人士认为良率应该至少达到99.99999%，我们并不认同，主要基于两点：

• 由于缺陷始终不可避免：例如像素点本身就有缺陷而非转移过程中造成；

• 技术与成本的权衡：追求过高良率需要大量研发投入、时间成本. 修复技术会扮演更为重要的角色，可以作为巨量转移技术的重要补充。

今天分享了显示行业的发展历程及Micro LED的核心技术难点，希冀寻找解决产业链痛点的创新企业。接下来我们会继续分享Micro LED行业的主要玩家及竞争格局。欢迎创业者及同行朋友与我们交流。

文章作者：元创资本数智科技组

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