近年來許多廠商紛紛展出MicroLED顯示器，在該顯示技術(shù)量產(chǎn)之前，MiniLED做為LCD顯示器的背光應(yīng)用產(chǎn)品將會(huì)率先上市。然而，這波LED的微型化趨勢(shì)掀起的不僅是顯示技術(shù)的革命，也將為智能車頭燈的應(yīng)用帶來更多可能性。
這幾年發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)的微小化，掀起一陣顯示器產(chǎn)品的革命。直下式微型LED背光模組能提供LCD TV更細(xì)膩的區(qū)域調(diào)光技術(shù)(Local Dimming)，更能提升影像對(duì)比與高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)。在索尼(Sony)推出8K×2K 10公尺寬的超大LED顯示屏幕CLEDIS(Crystal LED Integrated Structure)之后，三星(Samsung)也不示弱地推出146英寸4K×2K The WALL LED顯示屏幕。甚至今年首先在瑞士蘇黎世推出Onyx品牌，也推出了10公尺寬5公尺高并具備4K×2K分辨率的Cinema LED Screen，企圖逐步取代投影式的D-Cinema。
在中小尺寸方面，友達(dá)光電(AUO)推出了8英寸1280×480的MicroLED顯示器，而和蓮光電(Jasper Display)則推出0.7英寸的硅基背板供MicroLED單色可達(dá)1920×1080的超高分辨率，可應(yīng)用在AR/VR、HUD、HMD與智能車頭燈等領(lǐng)域，顛覆將LED做為傳統(tǒng)照明光源的印象。
MicroLED/MiniLED應(yīng)用大不同
在風(fēng)起云涌的潮流中，這些新型態(tài)微型發(fā)光二極管都被冠以MicroLED之名而風(fēng)行一時(shí)，但是LED大小將造成應(yīng)用端極不一樣的面貌，對(duì)技術(shù)的挑戰(zhàn)也有截然不同的難度。尤其是將巨量的微型LED轉(zhuǎn)移(Mass Transfer)至基板的技術(shù)，更是一大挑戰(zhàn)。因此或許可以將微型LED從尺寸做進(jìn)一步的分類，以利更深一層的探討。目前業(yè)界常見的分法是：若LED尺寸在100μm以上歸類為MiniLED，若是LED尺寸小于100μm則歸類為MicroLED。
以100μm做為分界的原因多少與傳統(tǒng)LED制程相關(guān)。傳統(tǒng)LED制程以藍(lán)寶石為基板，其微小化目前只能做到5mil×6mil，亦即127μm×152μm，當(dāng)尺寸再往下縮，藍(lán)寶石基板的良率就會(huì)變差。因此MicroLED大多以非藍(lán)寶石的基板做開發(fā)，例如AUO以LTPS背板開發(fā)8英寸全彩的顯示幕，和蓮光電則以硅基背板開發(fā)出0.55英寸以及0.7英寸的MicroLED等開發(fā)套件。MicroLED與MiniLED的應(yīng)用面截然不同，MiniLED大多應(yīng)用在大尺寸的直下式背光模組或是直視型顯示器，而MicroLED則大多在小尺寸的顯示應(yīng)用，各有各的技術(shù)復(fù)雜度與挑戰(zhàn)。
高亮度優(yōu)勢(shì)助MicroLED對(duì)抗OLED
MicroLED因其高亮度、低功耗特色在近幾年受到業(yè)界的矚目。原本有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)已在AR眼鏡、手機(jī)面板與智能手表等小尺寸應(yīng)用上，已有不錯(cuò)的成績(jī)。但是在室外的強(qiáng)光環(huán)境，有時(shí)其顏色亮度表現(xiàn)不如預(yù)期。隨著MicroLED的技術(shù)趨近成熟，由于MicroLED結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加上無機(jī)材質(zhì)、無殘影與壽命長、低功耗與高亮度的優(yōu)勢(shì)，讓該技術(shù)成為能與OLED競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)，LEDinside更在2018年4月大膽宣稱MicroLED即將變成AR顯示器產(chǎn)業(yè)的新主流。
任何顯示技術(shù)想要應(yīng)用在AR眼鏡，重點(diǎn)在于輕薄短小。過去的AR眼鏡，結(jié)構(gòu)上多以液晶屏幕(Liquid-Crystal Display, LCD)或LCoS(Liquid Crystal on Silicon)顯示面板加上光源為主，體積與功耗往往成為限制，難以突破。OLED是一種自發(fā)光的材料，系統(tǒng)架構(gòu)上比LCD或LCoS面板加背光源來的簡(jiǎn)單，讓AR/VR眼鏡可以更輕巧，但是在室外的環(huán)境使用-穿透式(See Through)應(yīng)用上，亮度則仍略嫌不足。但是以VR全罩式、非穿透式應(yīng)用上，OLED仍有其應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。MicroLED跟OLED一樣也是自發(fā)光源，因此系統(tǒng)架構(gòu)上跟OLED都比傳統(tǒng)LCD/LCoS搭配光源的設(shè)計(jì)來的簡(jiǎn)單許多，不僅體積縮小，光效率也提升很多。但是MicroLED比起OLED在亮度上更加明亮，加上功耗低的優(yōu)點(diǎn)，在穿透式應(yīng)用上，已呈現(xiàn)對(duì)OLED逼宮的效果。
建立完整生態(tài)圈 巨量轉(zhuǎn)移良率提升
目前做為最微小型的MicroLED的驅(qū)動(dòng)背板專注于1英寸以下的硅基背板，這是利用臺(tái)灣多年的半導(dǎo)體技術(shù)為深厚的基底，以SRAM為基本的畫素單位，數(shù)位式的調(diào)變控制(Pulse-Width Modulation, PWM)，控制畫素(Pixel)的on/off跟不同的功率輸出階層(有點(diǎn)像顯示器的Gray Scale Level)。其中國內(nèi)的Jasper Display以其LCoS對(duì)基板SRAM的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)而幫助配合廠商開發(fā)MicroLED專用驅(qū)動(dòng)背板。但是過程其實(shí)突顯了MicroLED產(chǎn)業(yè)必須是個(gè)宏大的生態(tài)體系，因?yàn)楣杌嘲迦绾稳ソY(jié)合MicroLED在一個(gè)小于1英寸的硅基背板上，如何巨量轉(zhuǎn)移兩百萬顆MicroLED而且還要有很高的良率，這都不是單一廠商可以完成的，至少目前還沒有看到這樣有野心的廠商。
因此做為提供硅基背板與控制器的公司，必須與有能力生產(chǎn)μm等級(jí)的LED芯片廠商配合，雙方找出合作的基礎(chǔ)，讓MicroLED的晶粒大小與硅基背版畫素的Pixel大小相當(dāng)，好讓彼此的結(jié)合能做到一對(duì)一的絕配。這樣硅基背板若是1920×1080結(jié)合上同等大小的MicroLED就能達(dá)到單色1920×1080的MicroLED顯示芯片，讀者可以想像這好比一個(gè)小于1英寸的超高精細(xì)1920×1080的顯示屏幕。光是如何巨量轉(zhuǎn)移結(jié)合就是目前許多新創(chuàng)公司的研究題目，英國公司Plessey就是這樣的MicroLED巨量轉(zhuǎn)移公司，其實(shí)該公司的技術(shù)應(yīng)該不叫巨量轉(zhuǎn)移，因?yàn)樗抢眠^去長年在精細(xì)的Printer Head的控制，加上劍橋大學(xué)的技術(shù)轉(zhuǎn)移，Plessey用磊晶成長GaN于硅晶圓的技術(shù)，在微小的空間制作出百萬顆等級(jí)的MicroLED晶圓，然后將MicroLED晶圓與硅基背板做結(jié)合，即可瞬間將200萬顆的MicroLED結(jié)合到小于一英寸的硅基控制背板。這樣的技術(shù)一般稱為Monolithic MicroLED，亦即單一成形的MicroLED晶圓貼合技術(shù)。這樣就克服了巨量轉(zhuǎn)移過程中的損耗產(chǎn)生的良率問題，也節(jié)省轉(zhuǎn)移的時(shí)間跟成本。以小于一英寸的MicroLED顯示芯片而言，似乎Monolithic MicroLED是唯一可行的量產(chǎn)技術(shù)，目前在德國及美加都有類似的公司開發(fā)這Monolithic MicroLED的技術(shù)。
如何讓單色的MicroLED形成全彩又是另一個(gè)挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)單來說可以用量子點(diǎn)(QDs)或是熒光玻璃片(PG)來讓MicroLED混色，以四個(gè)像素為一個(gè)全彩的基礎(chǔ)，若是要追求亮度，就以RGBG作為這四個(gè)像素的組成。若要顏色好，就以RGRB當(dāng)作這四個(gè)像素的組合。因此原本單色1920×1080的MicroLED就會(huì)變成960×540的全彩MicroLED，因?yàn)?×2的像素變成了全彩的單元。
MicroLED搶攻智能車頭燈市場(chǎng)
超微小自發(fā)光的MicroLED已經(jīng)帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用革命。首先對(duì)高發(fā)光效率、高亮度與低功耗對(duì)AR與HUD的應(yīng)用生態(tài)帶來新的沖擊，改變過去未能達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)而取代OLED成為新寵兒。另外一個(gè)全新的應(yīng)用變革則是一個(gè)比較無法聯(lián)想的領(lǐng)域—智能車頭燈。
智能矩陣車頭燈Smart Matrix Headlights或許不是新聞，過去德州儀器(TI)也曾搭配激光光源推廣其DMD技術(shù)。傳統(tǒng)車頭燈演進(jìn)從鹵素?zé)鬑ID到發(fā)光效率更好的LED車燈，但是都還是基礎(chǔ)發(fā)光效率的進(jìn)步，投射出的光型沒有變化。智能頭燈指的是光源可以切割成許多單元，單元可獨(dú)立控制，因此可以針對(duì)路況做出智能的判斷與調(diào)控。所以DMD就提供了一個(gè)可以切割許多單元控制的反射介面。但是DMD還是需要激光光源與相對(duì)應(yīng)的光學(xué)元件，不僅效率降低、系統(tǒng)也變得復(fù)雜。當(dāng)自發(fā)光源MicroLED正逐步取代LCD/LCoS等需要額外光源跟光學(xué)元件的投影技術(shù)在AR應(yīng)用之際，MicroLED也出現(xiàn)在智能頭燈的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)藍(lán)圖，企圖取代需要較復(fù)雜光學(xué)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的DMD+光源的解決方案。
MicroLED在智能頭燈的技術(shù)門檻，主要在于亮度夠不夠。由于MicroLED越小顆、發(fā)光效率越差，因此AR顯示器所使用的MicroLED顯然在亮度尚無法滿足車燈所需，必須用更大的電流與適當(dāng)?shù)木Я４笮〔⑶野l(fā)光效率更好的MicroLED。所以在智能頭燈應(yīng)用的MicroLED就不需要超高分辨率，也不用全彩，而是要去找出發(fā)光效率與體積的最佳組合的大小。
2018年OSRAM公布其1,024顆MicroLED(從尺寸看應(yīng)該是MiniLED)的Eviyos智能頭燈，這相對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的LED車頭燈已經(jīng)是數(shù)百倍的倍數(shù)數(shù)量。所以Eniyos的車燈能投影呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的影像與文字示范。將來大電流的驅(qū)動(dòng)、適當(dāng)尺寸高效率的MicroLED，應(yīng)該能提供兼顧亮度與分辨率的智能車頭燈。
智能車頭燈有趣的應(yīng)用是車輛以相機(jī)(Camera)、光達(dá)(LiDAR)、紅外線與雷達(dá)等等不同的偵測(cè)組合，全時(shí)偵測(cè)前方路況，若偵測(cè)到行人或?qū)ο蜍囕v，車輛的智能處理器會(huì)根據(jù)專家系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)與智能，控制矩陣式頭燈的每個(gè)MicroLED亮度，避免炫光直接照到其他駕駛的眼睛。另外，智能矩陣頭燈還能將斑馬線投射到前方道路，以表示禮讓行人；或是投射提醒大貨車的顯示標(biāo)志、路面狀況等等。一旦能夠大量制造生產(chǎn)，這個(gè)以MicroLED為核心的智能矩陣頭燈將會(huì)為交通安全帶來巨大的正面影響。
臺(tái)廠LED技術(shù)領(lǐng)先 開創(chuàng)藍(lán)海市場(chǎng)有望
臺(tái)灣靠著半導(dǎo)體技術(shù)在IT產(chǎn)業(yè)建立了無可取代的重要地位，雖然IT代工的OEM/ODM利潤不斷被侵蝕，臺(tái)積電在晶圓上下游產(chǎn)業(yè)仍然占據(jù)無法撼動(dòng)的龍頭地位。當(dāng)臺(tái)灣LED產(chǎn)業(yè)面臨中國的低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)威脅，勢(shì)必要走出不一樣的藍(lán)海策略。
最近透過MiniLED與MicroLED的研發(fā)與應(yīng)用熱潮，臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)再度領(lǐng)先在這個(gè)潮流的前端。其中在微小尺寸的MicroLED顯示器，臺(tái)灣Jasper Display與客戶合力開發(fā)的MicroLED顯示器屢屢出現(xiàn)在國際大展，并吸引其他國際大廠慕名前來開發(fā)智能車頭燈等MicroLED應(yīng)用。除了MicroLED的應(yīng)用外，也將其硅基背板與控制器技術(shù)發(fā)展成X-on-Silicon的數(shù)位異質(zhì)整合應(yīng)用平臺(tái)。若是在硅基背板上結(jié)合反射式液晶就成為傳統(tǒng)熟知的LCoS面板，可應(yīng)用于高階顯示器、高分辨率的3D打印機(jī)(3D Printer)或是做為SLM(Spatial Light Modulator)、應(yīng)用在醫(yī)學(xué)以及3D立體顯示的應(yīng)用。最近更有廠商以MEMS的Micro-Mirror微結(jié)構(gòu)結(jié)合硅基背板平臺(tái)，開發(fā)出類似德州儀器的DMD芯片。唯有不斷的以創(chuàng)新精神去開發(fā)出藍(lán)海的應(yīng)用才是臺(tái)灣廠商能靈活的在中國低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)實(shí)困境中脫穎而出，創(chuàng)造出臺(tái)灣特有的附加價(jià)值與貢獻(xiàn)。