1、Micro LED显示行业发展研究报告2019年Micro LED显示行业发展研究报告一、Micro LED 显示发展背景 4（一）产业背景：三大因素驱动技术迭代 41. 产业结构优化调整 42. 行业应用加速拓展 43. 节能成为竞争焦点 5（二）技术背景：多种显示技术竞相发展 51. LED 显示 62. 液晶显示 73. OLED 显示 84. 激光显示 95. 电子纸显示 10（三）发展基础：LED 显示进入微型化阶段 111. 小间距 LED 111. Mini LED 112. Micro LED 12二、Micro LED 显示概述 13（一）显示原理 131. 像素结构 132
2、. 阵列驱动 143. 背板键合 17（二）核心工艺 191. 芯片制备 192. 薄膜转移 19三、Micro LED 显示发展现状 21（一）产业发展现状 211. 产业化进程萌芽初显 212. 器件性能不断提升 223. 跨国公司抢抓布局 234. Mini LED 进入量产阶段 23（二）区域发展现状 241. 美国：专利布局较早，企业并购活跃 242. 中国大陆：紧跟国际步伐，龙头企业带动 253. 中国台湾：产业链较完整，力图弯道超车 264. 日本和韩国：大型企业牵头，重视对外合作 28（三）知识产权发展现状 281. 专利申请构成 282. 专利技术分布 303. 标准化推进
3、32（四）存在问题 321. 量产技术仍有困难 322. 生产成本高居不下 323. 产业环节较为分散 334. 设备工艺有待革新 33四、Micro LED 显示发展研判 34（一）市场展望 341. 量产进程有待推进 342. Mini LED 最早得到商业化应用 353. 中小尺寸智能终端市场是发展方向 354. 大尺寸产品性价比优势值得关注 365. 透明显示优势明显 37（二）竞争格局展望 371. TFT-LCD 仍是未来主流显示技术 372. 对现有产业格局带来深远影响 373. 跨界合作加速产业发展 38五、Micro LED 显示发展建议 38（一）加强顶层设计，强化产业政策
4、支持 38（二）优化投资机制，完善产业发展环境 39（三）实施技术创新，提高产业竞争力 39一、Micro LED 显示发展背景（一）产业背景：三大因素驱动技术迭代新型显示在信息交流中承担了人机交互作用，是信息传输过 程中的关键环节。围绕新型显示技术发展起来的产业具有投资规 模大、技术进步快、辐射范围广、产业集聚度高等特点，对上下 游产业的拉动系数在 4 左右，是各国及地区近年来竞相发展的战 略性新兴产业。经过十多年的努力追赶，我国新型显示产业迅速 发展壮大，已成为供给侧结构性改革的成功典型。截止到 2018 年底，我国面板生产线的投资总额已超过万亿元，薄膜晶体管液 晶显示（TFT-LCD）面
5、板年出货面积位居世界第一，全球占比达 到了 40%。1. 产业结构优化调整近年来，全球显示面板产业开始出现结构性调整迹象。一方 面，大屏化促进面板产能持续增长。另一方面，由于传统面板同 质化竞争不断加剧，产业产值出现下滑趋势，显示产品的不断升 级成为产业发展驱动力。据中国光学光电子行业协会液晶分会（CODA）预测，2018 年全球显示面板出货面积预计将达到 2.1 亿平方米，同比增长 9%，但整体产值预计同比下滑 7.1%。其中， 传统的 TFT-LCD 产值下滑趋势明显，新兴的低温多晶硅液晶显 示（LTPS-LCD）、氧化物液晶显示（Oxide-LCD）、主动矩阵 有机发光二极管显示（AMO
6、LED）和小间距发光二极管显示（Mini/Micro LED）产值均呈稳定或出现增长。 2. 行业应用加速拓展智慧城市、智能网联汽车以及虚拟现实等应用的兴起带动新型显示技术和产品进一步拓展。智慧城市建设的加速发展促进大 屏商用显示面板销售出现爆发式增长态势，据 IHS 预测，2018-2021 年全球商用显示收入的复合年均增长率（CAGR）将 达到 18%，远高于显示面板行业 4%的年均增长率。智能网联汽 车的发展为显示技术提供了新的应用场景，车载显示面板继手机 之后成为中小尺寸应用的第二大市场。虚拟现实技术逐步走向成 熟，对显示技术进步和性能提升将产生重要推动作用。轻薄、柔 性、环保、个性化
7、是虚拟现实显示器件必须符合的标准，未来将 给新型显示产业带来新的挑战与机会。3. 节能成为竞争焦点消费电子产品加速升级对节能环保提出新的要求，智能手 机、平板电脑、可穿戴设备等智能移动终端的续航、环境友好已 成为消费者日益关心的焦点。另一方面，随着更为严格的节能降 耗标准的实施，新型显示产业加快向高光效发光材料、低能耗背 光模组、健康化用眼环境等节能、环保、绿色方向发展。韩国、 日本和我国台湾地区的显示协会共同发起成立了 WLICC（世界 液晶产业合作委员会），旨在通过全球性的产业合作，敦促各个 国家及地区在进行显示器件生产时能够兼顾环境保护，促进产业 可持续发展。（二）技术背景：多种显示技术
8、竞相发展根据显示原理的不同，新型显示器件可以分为主动发光显示（像素发光，短程成像）、被动发光显示（像素不发光，依靠外部光源）、激光投影显示（像素发光，长程成像）3 种类型。其中，主动发光显示主要包括电致发光显示（EL）、等离子体显 示（PDP）、半导体发光二极管显示（LED）、激光荧光体显示（LPD）等。被动发光显示主要包括液晶显示（LCD）、电子纸 显示（EPD）等。当前，主动发光显示中的主动矩阵有机发光二 极管显示（AMOLED）和被动发光显示中的薄膜晶体管液晶显 示（TFT-LCD）是最主流的显示技术，两者市场份额之和接近 90%。图 1 显示技术分类1. LED 显示数据来源：赛迪智库
9、，2019 年 3 月LED 显示的原理是利用半导体二极管的电致发光效应，使 像素单元主动发光。在电场驱动下，半导体发光二极管中的电子 和空穴经电极注入和相向传输，成对地结合为激子。特定材料中 的激子衰变，可产生 RGB 三原色。在驱动电路的控制下，LED 像素矩阵即可实现彩色图像显示。当前，LED 显示产业已经步入成熟期，相关产品在照明装饰、高动态范围图像（HDR）显示（影院、酒吧与主题乐园）、背光指示器、广告租赁、零售百货、 会议会展等应用领域的市场渗透率逐步提高。根据集邦咨询 LED 研究中心（LEDinside）测算，2018 年全球 LED 显示市场规模达 到 59.4 亿美元。随着
10、未来 LED 显示屏市场需求进一步增加，2022 年全球市场规模将达到 93.5 亿美元，CAGR 达到 12%。图 2 2018-2022 年全球 LED 显示市场规模预测2. 液晶显示数据来源：LEDinside，2018 年 8 月液晶显示的原理是利用外加电压实时控制液晶分子的透光率，在背光源照射下实现被动发光显示。在外加电压下，每个像 素单元内的液晶材料能够快速改变排列方式，动态地调整背光源 光束的透光率。具有红黄蓝（RGB）滤色片的像素矩阵在驱动电 路的控制下，能够在较高刷新率下实现动态彩色图像的显示。TFT-LCD 显示是目前应用最广泛的显示技术。除太空、大温差、高湿等少数特殊环境
11、外，TFT-LCD 产品覆盖了所有的民 用显示领域，如手机、电视、电脑显示器、平板电脑、笔记本电 脑、公共显示屏等。据 CODA 统计，2018 年前三季度，全球 TFT-LCD 营收规模为 509 亿美元，同比下降 16%，在新型显示 器件营收中占比超过 60%；出货面积接近 1.49 亿平方米，同比 增加 5%，面积占比超过 95%。未来 5 年，随着多条高世代生产 线产能释放，TFT-LCD 市场整体呈现“量增价跌”的发展态势， 产能和出货面积逐年增加，但出货金额将逐年减少，利润率不断 下降。图 3 2018-2024 年全球 TFT-LCD 营收预测3. OLED 显示数据来源：赛迪智
12、库，2019 年 1 月有机发光二极管（OLED）显示被认为是最具发展前景的新 型显示技术之一。其中，AMOLED 显示器件凭借高对比度、可 柔性、色彩艳丽等优点，近年来已实现快速商业化应用。2018年，全球 AMOELD 面板出货金额预计将超过 250 亿美元，主要应用以智能手机为主。未来五年，智能手机用 OLED 显示面板仍 将保持快速增长，出货金额和面积将出现“量价齐升”的发展势 头。图 4 2016-2024 年全球 AMOLED 市场规模预测增长率4. 激光显示数据来源：赛迪智库，2019 年 3 月激光显示（LPD）的原理是将 RGB 单色激光混合成全彩色 光，经高频扫描投影实现彩
13、色显示。激光显示具有色域空间大、 色彩丰富、色饱和度高等特点，理论上能够再现 90%以上的人眼 色域，远超液晶显示 27%的再现率，而功耗仅为同尺寸 LCD 显 示产品的三分之一。LPD 的使用寿命可达 10 年，是传统光源的 10 至 20 倍。现阶段，激光显示大多通过蓝光激光激发荧光粉产 生白光，窄谱三基色激光合成白光的技术仍处于研发状态。目前激光显示主要聚焦大屏市场，日本三菱公司开发出65/75 英寸激光背投电视，索尼开发出激光数字影院技术，美国ES 公司开发出飞行员仿真视景平台，德国耶拿光学开发出天文馆天象显示等，都各具特色。根据 QY Research 数据，2018 年全 球激光投
14、影显示市场规模为 42.9 亿美元，2025 年将达到 117 亿 美元，CAGR 为 15.4%。自 2013 年以来，海信、坚果、长虹、 小米、光峰光电等国内企业相继推出激光电视产品，我国成为全 球激光电视的主要生产国。据奥维云网（AVC）统计，2017 年 中国激光电视总销量为 7 万台，较 2016 年增长 226%，2018 年 激光电视销量有望达到 16 万台。随着全息显示等需求的增长， 激光显示仍有较大的成长空间。5. 电子纸显示电子纸显示（EPD）是视觉效果接近纸张的被动显示技术。 电子纸显示有多种实现技术，其中电泳式电子墨水技术目前市场 占有率最高。电子纸显示技术具有超轻薄、
15、可重写、低功耗、无 闪烁、易携带、断电保持等特性，相比其他显示技术对视觉最友 好，可以让用户在阳光直射下无障碍阅读，适合在户外使用。但 是，电子纸产品刷新率和灰度级别偏低、延迟较大，也影响了用 户体验，限制了这一显示技术的普及。目前，电子纸技术主要应 用于电子书、智能手表和电子标签等领域，还占据一部分智能终 端细分市场。据 Allied Market Research 公司统计和预测，2016 年全球电子纸显示市场规模为 13.5 亿美元，2025 年将达到 70.1 亿美元，CAGR 为 37.5%。图 5 2015-2025 年全球电子纸显示营收预测数据来源：Allied Market R
16、esearch，2019 年 2 月（三）发展基础：LED 显示进入微型化阶段2. 小间距 LED小间距 LED 是指相邻 LED 灯珠点间距在 2.5 毫米（P2.5） 以下的 LED 背光源或显示屏产品。相比传统背光源，小间距 LED 背光源发光波长更为集中，响应速度更快，寿命更长，系统光损 失能够从传统背光源显示的 85%降至 5%。相比传统 LED 显示器 件，小间距 LED 显示器件具有高的亮度、对比度、分辨率、色 彩饱和度，以及无缝、长寿命等优势，在影视娱乐、购物零售、 文化教育、安全监控、公共广告等应用领域具有广阔的应用前景。 据 LEDinside 预测，2022 年小间距 L
17、ED 显示产品（包括 Mini LED 和 Micro LED）的市场销售额将达到 13.8 亿美元。3. Mini LEDMini LED 为点间距在 2.5 毫米（P2.5）和 0.1 毫米（P0.1） 之间的小间距 LED 产品。相比点间距小于 0.1 毫米的 Micro LED， Mini LED 显示一方面可作为液晶显示直下式背光源获得主流市场应用，如手机、电视、车用面板及电竞笔记本电脑等；另一方面，Mini LED 有望衍生出背光高端机型，与 OLED 高端机型相 抗衡。据 LEDinside 估算，相同对比度条件下，采用 Mini LED 背光的液晶面板价格仅约为 OLED 面板
18、的 70-80%，可以大幅提 升现有液晶画面效果。由于具有性能和成本优势，近年来 Mini LED 在视频会议、 会展广告、虚拟现实、监控调度等领域得到快速应用，逐渐侵蚀 LCD 和 DLP 拼接屏应用市场，有望成为市场主流。据 LEDinside 最新报告，2022 年 Mini LED 的产值将达到 6.89 亿美元。各大企 业纷纷开展研发，Mini LED 产品的 LED 点间距记录被不断刷新。 2018 年 6 月，国星光电 P0.9 产品已正式量产，洲明科技也已开 发出 P0.7 的产品。2018 年 7 月，日亚化宣布已开发出 P0.1 的 Mini LED 产品。4. Micro
19、 LEDMicro LED 的像素单元在 100 微米（P0.1）以下，并被高密 度地集成在一个芯片上。微缩化使得 Micro LED 具有更高的发光 亮度、分辨率与色彩饱和度，以及更快的显示响应速度，预期能 够应用于对亮度要求较高的增强现实（AR）微型投影装置、车 用平视显示器（HUD）投影应用、超大型显示广告牌等特殊显示 应用产品，并有望扩展到可穿戴/可植入器件、虚拟现实（VR）、 光通讯/光互联、医疗探测、智能车灯、空间成像等多个领域。由于像素单元低至微米量级，Micro LED 显示产品具有多项 性能指标优势。Micro LED 功率消耗量仅为 LCD 的 10%、OLED的 50%，
20、其亮度可达 OLED 的 10 倍，分辨率可达 OLED 的 5 倍。在设备兼容性方面，Micro LED 有望承接液晶显示高度成熟的电 流驱动 TFT 技术，在未来显示技术演进进程中具有一定优势。 根据 LEDinside 预估，2022 年 Micro LED 显示的市场销售额将 达到 6.94 亿美元，略高于 Mini LED 显示。Micro LED 与 LCD、 OLED 和量子点 LED（QLED）显示的性能比较如表 1 所示。表 1 Micro LED 与 LCD、OLED 和 QLED 性能比较显示技术Micro LEDLCDOLEDQLED技术类型自发光背光板/LED自发光自
21、发光亮度（nits）50005005002000色域（NTSC）140%70%110%140%视角大较大大大对比度1,000,000:110,000:11,000,000:11,000,000:1功耗低高中等低响应时间纳秒毫秒微秒毫秒寿命长中等中等长器件成本高低中等较低工作温度（摄氏度）(-100,120)(-40,100)(-35,80)/厚度（mm）0.052.51.51.5二、Micro LED 显示概述数据来源：赛迪智库整理，2018 年 10 月Micro LED 是指将微米量级尺寸的发光二极管（LED），以 矩阵形式高密度地集成在一个芯片上的显示器件。由于采用主动 选址驱动，Mic
22、ro LED 显示器件的任何像素都能定址控制并单点 驱动发光。按照当前行业共识，“微米量级”一般指相邻 LED 点间距在 100 微米以下（即 P0.1 以下）。（一）显示原理1. 像素结构Micro LED 显示一般采用成熟的多量子阱 LED 芯片技术。以典型的 InGaN 基 LED 芯片为例，Micro LED 像素单元结构从 下往上依次为蓝宝石衬底层、25nm 的 GaN 缓冲层、3m 的 N 型 GaN 层、包含多周期量子阱（MQW）的有源层、0.25m 的 P 型 GaN 接触层、电流扩展层和 P 型电极。像素单元加正向偏电 压时，P 型 GaN 接触层的空穴和 N 型 GaN 层
23、的电子均向有源层 迁移，在有源层电子和空穴发生电荷复合，复合后能量以发光形 式释放。图 6 Micro LED 像素单元结构与传统 LED 显示屏相比，Micro LED 具有两大特征，一是 微缩化，其像素大小和像素间距从毫米级降低至微米级；二是矩 阵化和集成化，其器件结构包括 CMOS 工艺制备的 LED 显示驱 动电路和 LED 矩阵阵列。2. 阵列驱动InGaN 基 Micro LED 的像素单元一般通过以下四个步骤制 备。第一步通过 ICP 刻蚀工艺，刻蚀沟槽至蓝宝石层，在外延片上隔离出分离的长条形 GaN 平台。第二步在 GaN 平台上，通过ICP 刻蚀，确立每个特定尺寸的像素单元。
24、第三步通过剥离工艺， 在 P 型 GaN 接触层上制作 Ni/Au 电流扩展层。第四步通过热沉 积，在 N 型 GaN 层和 P 型 GaN 接触层上制作 Ti/Au 欧姆接触电 极。其中，每一列像素的阴极通过 N 型 GaN 层共阴极连接，每 一行像素的阳极则有不同的驱动连接方式，其驱动方式主要包括 被动选址驱动（Passive Matrix，简称 PM，又称无源寻址驱动）、 主动选址驱动（Active Matrix，简称 AM，又称有源寻址驱动） 和半主动选址驱动三种方式。图 7 Micro LED 像素连接结构其中，被动选址驱动是把像素电极做成矩阵型结构，每一列（行）像素的阳（阴）极共用
25、一个列（行）扫描线，两层电极之 间通过沉积层进行电学隔离，以同时选通第 X 行和第 Y 列扫描 线的方式来点亮位于第 X 行和第 Y 列的 LED 像素，高速逐点（或 逐行）扫描各个像素来实现整个屏幕画面显示的模式。图 8 被动选址驱动示意图主动选址驱动模式下，每个 Micro LED 像素有其对应的独立 驱动电路，驱动电流由驱动晶体管提供。基本的主动矩阵驱动电 路为双晶体管单电容电路。每个像素电路中，选通晶体管用来控 制像素电路开关，驱动晶体管与电源连通为像素提供稳定电流， 存储电容用来储存数据信号。为了提高灰阶等显示能力，可以采 用四晶体管双电容电路等复杂的主动矩阵驱动电路。图 9 主动选
26、址驱动示意图半主动选址驱动方式采用单晶体管作为 Micro LED 像素的驱动电路，从而可以较好地避免像素之间的串扰现象。半主动驱 动由于每列驱动电流信号需要单独调制，性能介于主动驱动和被 动驱动之间。图 10 半主动选址驱动示意图对比来看，主动选址方式相比另外两种驱动方式具有显著优势：一是无扫描电极数限制，可实现更大面积的快速驱动；二是 有更好的亮度均匀性和对比度，像素亮度不受同列点亮数的影 响；三是没有行列扫描损耗，可实现低功耗高效率；四是具有高 独立可控性, 被点亮像素周围不受电流脉冲影响；五是兼容更高 的分辨率。3. 背板键合从基板材质看，Micro LED 芯片和背板的键合的基材主要
27、有 PCB、玻璃和硅基。根据线宽、线距极限的不同，可以搭配不同 的背板基材。表 2 背板材料应用场景背板材料应用特点大尺寸中尺寸小尺寸PCB应用于显示面积大、画素间距较大的显示场景Glass线宽、线距尺寸范围大，可有望应用于大中小等多种领域Si 基应用于线宽、线距尺寸小于 30m的场景数据来源：赛迪智库，2019 年 3 月其中，PCB 基板的应用最为成熟。2017 年 Sony 推出 Micro LED 显示屏 CLEDIS，采用 PCB 基板作为背板，封装后与微米 级别的 LED 键合。2018 年，台湾地区工研院展出了将 Micro LED 芯片直接转移至 PCB 基板上的显示模块，为该
28、技术增加了更多 的应用场景。依托 TFT-LCD 工业的成熟度，以玻璃基板替代 PCB 基板被 认为是 Micro LED 未来发展的主流方案。相较于 PCB 基板法， 该方案更容易实现巨量转移，不仅有望大幅降低成本，同时更适 用于对线宽、间距要求较高的工艺。CMOS 工艺采用键合金属实现 LED 阵列与硅基 CMOS 驱动 背板的电学与物理连接。制作过程中，首先在 CMOS 驱动背板 中通过喷溅工艺热沉积和剥离工艺等形成功能层，再通过倒装焊 设备即可实现 LED 微显示阵列与驱动背板的对接。2018 年，英 国普莱思公司和台湾地区和莲光电联合推出点间距 8m，分辨 率为 19201080 的
29、 Micro LED，通过专有电流源像素及灵活定 位，该背板能够提供极好的电流均匀性。图 11 芯片 CMOS 倒装键合示意图（二）核心工艺1. 芯片制备与 LED 显示相同，Micro LED 芯片一般采用刻蚀和外延生 长（Epitaxy，又称磊晶）的方式制备。芯片制作流程主要包括以 下几步。一是衬底制备，用有机溶剂和酸液清洗蓝宝石衬底后， 采用干法刻蚀制备出图形化蓝宝石衬底。二是中间层制备，利用 MOCVD 进行气相外延，在高温条件下分别进行 GaN 缓冲层、N 型 GaN 层、多层量子阱、P 型 GaN 层生长制备。三是台阶刻蚀， 在外延片表面形成图形化光刻胶，之后利用感应耦合等离子体刻
30、 蚀（ICP）工艺刻蚀到 N 型 GaN 层。四是导电层制备，在样品表 面溅射氧化铟锡（ITO）导电层，光刻形成图形化 ITO 导电层。 五是绝缘层制备，利用等离子体增强化学的气相沉积法（PECVD）沉积形成 SiO2 绝缘层，之后经光刻和湿法刻蚀。五 是电极制备，采用剥离法等方法制备出图形化光刻胶，电子束蒸 发 Au 后利用高压剥离机对光刻胶进行剥离。2. 薄膜转移薄膜转移指将 Micro LED 芯片转移到由电流驱动的 TFT 背板上、并在微米级组装成为两维周期阵列的过程。由于转移的像 素颗粒数量极多（500 PPI 的 5 英寸手机屏幕需要 800 万个像素 颗粒）、尺寸极小（要求微米级
31、安装精度），薄膜转移又被称为 “巨量转移”。Micro LED 的薄膜转移主要有物理转移和化学转 移两种方法。其中，物理转移方法主要包括以 LuxVue 为代表的 静电吸附转移技术；而化学转移方法主要包括以 X-Celeprint 为 代表的微转移打印技术（TP 技术）。表 3 Micro LED 两种主要转移技术比较转移技术静电吸附转移微转移打印技术基本原理利用静电作用力，将 Micro LED芯片吸附到基板上。使用弹性印模（stamp）结合高精度运动控制打印头，通过控制打 印头速度调整弹性印模和被转移 Micro LED 芯片间的范德瓦尔斯 黏附力，有选择地拾取 Micro LED 芯片并将其打印到目标基板上。转移过程第 一 步拾取：构造类似介电层两侧硅电极的转移头平台，使两 边硅电极带相反电荷，利用 静电力实现目标 Micro LED 芯片拾取；第
