什么是MicroLED?MicroLED技術(shù)的難點(diǎn)

01

現(xiàn)狀

根據(jù)業(yè)界（2018年）12月27日透露的消息，LG計(jì)劃明年（小編注：原文發(fā)布時(shí)間為2018年）1月（明天就是1月了）在美國(guó)拉斯維加斯的"CES 2019"上展示其全球第一款A(yù)M MicroLED。目前還沒(méi)有渠道能夠獲知該款產(chǎn)品的具體技術(shù)細(xì)節(jié)，但確實(shí)是值得關(guān)注一下。

在此前的的“CES 2018"中，三星已經(jīng)推出其MicroLED電視”THE WALL"，如下圖所示，這款產(chǎn)品的尺寸是146″。

三星 THE WALL

在更早的“CES 2017”上，索尼就推出了以144片MicroLED拼接而成的CLEDIS 顯示器。但無(wú)論是這里說(shuō)到的三星還是索尼的產(chǎn)品，其采用的都是PM（Passive Matrix）技術(shù)，其背板技術(shù)無(wú)論是在其本身工藝上還是在“巨量轉(zhuǎn)移”上，難度較LG推出的AM（Active Matrix）技術(shù)小不少。。

索尼 CLEDIS

那么，MicroLED的產(chǎn)品是不是馬上就會(huì)走進(jìn)我們的生活中呢？這里讓我們來(lái)談一談這個(gè)技術(shù)。

02

什么是MicroLED

顧名思義，MicroLED就是“微”LED，作為一種新顯示技術(shù)，與其它顯示技術(shù)，比如LCD，OLED，PDP，其核心的不同之處在于其采用無(wú)機(jī)LED作為發(fā)光像素。對(duì)于“Micro”這個(gè)概念，到底定義是多少呢？像素尺寸一般要到100μm以下。

TFT-LCD/OLED/MicroLED技術(shù)比較

LED并不是一個(gè)新事物，作為發(fā)光二極管，其在顯示上的應(yīng)用本應(yīng)該是順理成章的事情。但是很長(zhǎng)一段時(shí)間，除了戶外廣告屏上的應(yīng)用之外，LED顯示應(yīng)用一直不能發(fā)展起來(lái)，其原因是：

要做到手機(jī)屏/電視這種級(jí)別的顯示器，LED像素在尺寸上難以做??；

LED外延晶片與顯示驅(qū)動(dòng)工藝不兼容，且需考慮大尺寸顯示的問(wèn)題，所以針對(duì)MicroLED需要開(kāi)放合適的背板技術(shù)；

如何將“巨量”的三色微小LED轉(zhuǎn)移到制作好驅(qū)動(dòng)電路的基底上去，即“巨量轉(zhuǎn)移”技術(shù)，也是決定MicroLED能否商業(yè)的關(guān)鍵。

MicroLED制作圖示

MicroLED難點(diǎn)

03

MicroLED瓶頸——“巨量轉(zhuǎn)移”技術(shù)（Mass Transfer）

如上面所講，制作好的微小的LED需要轉(zhuǎn)移到做好驅(qū)動(dòng)電路的基底上。想想看，無(wú)論是TV還是手機(jī)屏，其像素的數(shù)量都是相當(dāng)巨大的，而像素的尺寸又是那么小，并且顯示產(chǎn)品對(duì)于像素錯(cuò)誤的容忍度也是很低的，沒(méi)有人愿意去購(gòu)買(mǎi)一塊有“亮點(diǎn)”或“暗點(diǎn)”的顯示屏，所以將這些小像素完美地轉(zhuǎn)移到做好驅(qū)動(dòng)電路的襯底上并實(shí)現(xiàn)電路連接是多么困難復(fù)雜的技術(shù)。實(shí)際上，“巨量轉(zhuǎn)移”確實(shí)是目前MicroLED商業(yè)化上面的一大瓶頸技術(shù)。其轉(zhuǎn)移的效率，成功率都決定著商業(yè)化的成功與否。

巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)（Mass Transfer）

目前看來(lái)，“巨量轉(zhuǎn)移”都還是一個(gè)“量產(chǎn)前”技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)“巨量轉(zhuǎn)移”的目標(biāo)，市面上一些相當(dāng)不一樣的技術(shù)?，F(xiàn)在總結(jié)如下：

巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)路線

如上圖所示，目前根據(jù)已有的資料調(diào)查顯示，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)按照原理的不一樣，主要分為四個(gè)流派：精準(zhǔn)抓取，自組裝，選擇性釋放和轉(zhuǎn)印技術(shù)。

但是即使是屬于同一個(gè)技術(shù)流派，實(shí)現(xiàn)的方式也是很有差別，因此很難給出一個(gè)精準(zhǔn)的劃分。如下列出在巨量轉(zhuǎn)移上開(kāi)展開(kāi)發(fā)的一些廠商：

Luxvue, Cooledge, VueReal, X-Celeprint, ITRI, KIMM, Innovasonic, PlayNitride, ROHINNI, Uniqarta, Optivate, Nth degree, e-Lux, SelfArray

? Pick&Place技術(shù)

? 采用范德華力

如下為X-Celeprint的Elastomer Stamp技術(shù)，這屬于pick&place陣營(yíng)的范德華力派。其采用高精度控制的打印頭，進(jìn)行彈性印模，利用范德華力讓LED黏附在轉(zhuǎn)移頭上，然后放置到目標(biāo)襯底片上去。目前采用的彈性體（Elastomer）一般是PDMS。X-Celeprint也稱其技術(shù)為Micro-Transfer_Printing（μTP)技術(shù)。

X-Celeprint: Elastomer Stamp

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，對(duì)于source基板的處理相當(dāng)關(guān)鍵，要讓制備好的LED器件能順利地被彈性體材料（Elastomer）吸附并脫離源基底，先需要通過(guò)處理LED器件下面呈現(xiàn)“鏤空”的狀態(tài)，器件只通過(guò)錨點(diǎn)（Anchor）和斷裂鏈（Techer）固定在基底上面。當(dāng)噴涂彈性體后，彈性體會(huì)與器件通過(guò)范德華力結(jié)合，然后將彈性體和基底分離，器件的斷裂鏈發(fā)生斷裂，所有的器件則按照原來(lái)的陣列排布，被轉(zhuǎn)移到彈性體上面。制作好“鏤空”，“錨點(diǎn)”和“斷裂點(diǎn)”的基底見(jiàn)下圖所示。

Rogers, J. A., et al. (2011). Unusual strategies for using indium gallium nitride grown on silicon (111) for solid-state lighting, PNAS

X-Celeprint在其發(fā)表在“2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference”上面的論文，展示了一些源基板制作的一些概念。如下圖所示，通過(guò)對(duì)器件底部的一些處理，然后通過(guò)刻蝕的方法，可以制作成時(shí)候這種轉(zhuǎn)移方式的器件結(jié)構(gòu)。但是詳細(xì)的工藝，仍然還有待確認(rèn)。

源基底處理

如下為X-Celeprint公司展示的實(shí)例。

X-Celeprint展示的實(shí)例

? 采用磁力

利用磁力的原理，是在LED器件中混入鐵鈷鎳等材料，使其帶上磁性。在抓取的時(shí)候，利用電磁力控制，達(dá)到轉(zhuǎn)移的目的。

目前ITRI，PlayNitride在這方面做了大量的工作。

? 采用靜電力

Luxvue是蘋(píng)果公司在2016年收購(gòu)的創(chuàng)業(yè)公司。其采用的是靜電力的peak-place技術(shù)。其具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)我沒(méi)有查到，只有如下的兩個(gè)專利或許能透漏出其細(xì)節(jié)的一鱗半爪。希望后面能得到更多的細(xì)節(jié)。采用靜電力的方式，一般采用具有雙極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移頭，在轉(zhuǎn)移過(guò)程中分布施加正負(fù)電壓，當(dāng)從襯底上抓取LED時(shí)，對(duì)一硅電極通正電，LED就會(huì)吸附到轉(zhuǎn)移頭上，當(dāng)需要把LED放到既定位置時(shí)，對(duì)另外一個(gè)硅電極通負(fù)電，轉(zhuǎn)移即可完成。

LuxVue專利

LuxVue專利

? 自組裝技術(shù)

美國(guó)一家新創(chuàng)公司SelfArray展示了其開(kāi)發(fā)的自組裝方式。首先，其將LED外表包覆一層熱解石墨薄膜，放置在磁性平臺(tái)，在磁場(chǎng)引導(dǎo)下LED將快速排列到定位。采用這種方式，應(yīng)該是先會(huì)處理磁性平臺(tái)，讓磁性平臺(tái)能有設(shè)計(jì)好的陣列分布，而分割好的LED器件，在磁場(chǎng)的作用下能快速實(shí)現(xiàn)定位，然后還是會(huì)通過(guò)像PDMS一類的中間介質(zhì)，轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上去。根據(jù)推測(cè)，這種技術(shù)方式的好處有如下：

避免對(duì)源基板的器件進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)去適應(yīng)巨量轉(zhuǎn)移工藝。

因?yàn)長(zhǎng)ED會(huì)批量切割，因此可以在轉(zhuǎn)移前進(jìn)行篩選，先去除不合格的LED。

采用磁性自組裝，預(yù)計(jì)時(shí)間會(huì)更加快速。

源基板不需要過(guò)多考慮目標(biāo)基板的實(shí)際陣列排布，預(yù)期可以有更大的設(shè)計(jì)空間。

Selfarray的官方有視頻，大家可以自己去看一下。

還有一家利用流體進(jìn)行自組裝裝配的企業(yè)是eLux。eLue于2016年在美國(guó)成立，eLux與日本夏普的淵源很深，CEO Jong-Jan Lee與CTO Paul Schuele均出自夏普美國(guó)實(shí)驗(yàn)室（Sharp Laboratories of America）。2017年富士康通過(guò)其子公司CyberNet Venture Capital向其注資1000萬(wàn)美元，2018年有于群創(chuàng)光電,AOT和夏普一起，正式收購(gòu)eLux的全部股權(quán)。所謂流體自組裝，就是利用流體的力量，讓LED落入做好的特殊結(jié)構(gòu)中，達(dá)到自組裝的效果。

eLux流體自組裝

? 選擇性釋放技術(shù)

Uniqarta是一家英國(guó)公司，其采用其成為L(zhǎng)EAP(Laser-Enabled Advanced Placement)技術(shù)。通過(guò)激光束對(duì)源基底的快速掃描，讓其直接脫離源基板而集成到目標(biāo)基板上。對(duì)于這種技術(shù)的前景，目前仍然需要更多技術(shù)細(xì)節(jié)的支持。

Uniqarta's LEAP技術(shù)

而Coherent的方案與Uniqarta有些類似，但其也要用到中介轉(zhuǎn)移的載體，不過(guò)對(duì)于載體和源基底的分離，其采用的是線激光束。而將LED器件從載體轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底，則采用了點(diǎn)激光。

Coherent技術(shù)方案

? 轉(zhuǎn)印技術(shù)

如下為KIMM公司的轉(zhuǎn)印技術(shù)技術(shù)，轉(zhuǎn)印技術(shù)通過(guò)滾輪將TFT與LED轉(zhuǎn)移到玻璃基底上面。對(duì)于這種技術(shù)，技術(shù)難度看起來(lái)非常大，特別是在于如果保證生產(chǎn)良率上面。

KIMM公司的轉(zhuǎn)印技術(shù)

Innovasonic公司的轉(zhuǎn)印技術(shù)

04

MicroLED其它需要關(guān)注的問(wèn)題

除了巨量轉(zhuǎn)移之外，MicroLED的整個(gè)工藝鏈都需要投入大量的時(shí)間去予以改進(jìn)和優(yōu)化。如下圖所示，為MicroLED產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝鏈，其中就涉及到：襯底材料和尺寸的選擇，外延工藝的選擇，彩色實(shí)現(xiàn)的方案，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)的選擇，缺陷的檢測(cè)和維修和整個(gè)工藝鏈上成本的壓縮等等。這必將花費(fèi)業(yè)界大量的時(shí)間去持續(xù)推進(jìn)。

MicroLED工藝鏈

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總結(jié)

MicroLED作為一種新興的顯示技術(shù)，目前在業(yè)界得到了廣泛的關(guān)注。由于其采用無(wú)機(jī)LED發(fā)光，所以較LCD，OLED等技術(shù)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是，目前MicroLED收到一些瓶頸技術(shù)的限制，特別是巨量轉(zhuǎn)移工藝上，即使業(yè)界能夠在有所突破，但要真正提高良率，降低成本，也需要花費(fèi)時(shí)日。并且，整個(gè)工藝鏈的完善也非朝日之功，因此，MicroLED要大規(guī)模量產(chǎn)并替代現(xiàn)有產(chǎn)品，應(yīng)該還需要時(shí)間。