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產業技術評析

先進顯示技術發展動態
發表日期:2022-06-22
作者:張宏毅(工研院)
摘要:
顯示技術除了基本的LCD外,做為先進顯示技術則有AMOLED、Mini LED、Micro LED等等,而目前有實際產品於我們生活中出現的主要為AMOLED和Mini LED兩種,Micro LED仍在發展階段,本文將著重前兩者的發展動態介紹。

全文:

一、當前已商業化先進顯示技術以AMOLED、Mini LED為主
 

顯示技術除了基本的LCD外,做為先進顯示技術則有AMOLED、Mini LED、Micro LED等等,而目前有實際產品於我們生活中出現的主要為AMOLED和Mini LED兩種,Micro LED仍在發展階段,本文將著重前兩者的發展動態介紹。
 

圖1 顯示技術基本特性比較

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2022/06)
圖1 顯示技術基本特性比較
 

AMOLED相較於LCD的差別主要是在於其為自發光,不需背光源,每一像素都可單獨切換亮暗,所採用的發光材料色純度也較LCD的LED背光源來的高,故可使整體顯示特性在色域、對比、輕薄方面都有更好的表現,但也因其主要為有機小分子的關係,在壽命可靠度表現較差,使用久了易有烙印現象產生,其製作基板除了基本的玻璃外也可採用塑膠(Polyimide類材質),故可使顯示器具有可撓性,而可產出可折疊、可伸縮、可捲曲等多種樣態的面板,也使的終端產品可以有更廣的設計思路。Mini LED則主要是做為LCD背光源的優化技術,藉由多顆Mini LED (Size:0.1mm~0.3mm)晶片取代傳統背光源中所使用的LED(Size≧2.5 mm),同時配合Local Dimming(局部調光)技術,即可一區一區的控制亮暗,另外,Mini LED背光模組中通常會搭配量子點色彩增亮膜,使的色彩表現進一步提升,總體而言,LCD在配搭Mini LED背光後可使對比、亮度、色域都得到大幅提升,但在成本方面則也會有所上升。
 

二、AMOLED主窄小尺寸應用,持續朝TV、IT拓展
 

AMOLED技術發展至今,已主宰小尺寸產品的應用,若以2021年全球面板出貨量來看,AMOLED已分別在智慧手機和智慧手錶中佔有36%和70%的份額,若再以高階手機(售價大於600美元)來看,則將近95%以上都已採用AMOLED。於中小尺寸站穩腳步後,AMOLED近期的發展就是要將應用擴展到大尺寸領域,尤其是在TV產品,2021年OLED TV銷量已達650萬台,相較2020年成長79%,也是除了手機手錶外,AMOLED技術銷量最高的產品。

目前全球有兩家廠商具有生產OLED TV面的能力,即LGD和SDC,兩家所採用的OLED元件設計具有極大的不同,詳細結構整理如圖2所示,LGD是全球第一個開始量產OLED TV的廠商,所採用結構為WOLED,由兩個藍色元件和紅黃色元件彼此堆疊在一個sub-pixel區域形成3 Tandem元件,在電流施加的情況下藉由電荷產生層(CGL)的幫助使電子電洞重新分配後,使藍色和紅黃色得以同時發光,就可呈現出白光,而被稱為W(White)OLED,而RGB三個顏色再藉由白光通過彩色濾光片分別呈現出來,近期為了進一步加強顯示表現,LGD開始導入新技術來增加面板亮度,例如在既有的 2層藍光, 1層黃光和1層紅光的基礎上再新增1層綠光發光層,從而增加元件的亮度並達到更好的色域表現,同時導入由杜邦生產,由氘元素取代氫的藍色發光材料,材料可靠度可以進一步獲得提升,進而使最終產品亮度提升15%以上,LGD也將其命名為OLED evo並搭載在LGE的G1 TV產品中向大眾推廣,比起原有的A1或C1系列擁有更高的亮度及銳利度,提升暗態中的細節,連帶畫面的色彩都有所提升。

SDC則將在今年開始有OLED TV的面板,所採用的架構為QD-OLED,由三個藍色元件和一個綠色元件,彼此堆疊在一個sub-pixel區域形成4 Tandem元件,同樣藉由電荷產生層(CGL)的幫助使電子電洞重新分配,使藍色和綠色得以同時發光,光在通過由量子點技術形成的色轉換層,而呈現出RGB三色,因為使用量子點技術的關係,發光頻譜的半高寬將更窄,顏色更純,使QD-OLED的色域表現將優於WOLED,另外,QD-OLED所採用的是上發光的設計(Top Emission),即是光不會經過TFT驅動結構,而由封裝層出光,開口率較高,故亮度表現也將優於WOLED,因此QD-OLED可說是下一世代的OLED TV技術,但在量產初期,估計成本仍將高於WOLED不少。
 

圖2 OLED TV技術發展比較

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2022/06)
圖2 OLED TV技術發展比較
 

三、Mini LED背光獲蘋果加持,未來朝向TV、Monitor拓展
 

2021年可說是Mini LED背光商轉元年,主因是蘋果去年4月推出的iPad Pro 12.9吋開始搭載Mini LED背光,年底又在MacBook Pro 14.2吋、16.2吋兩個產品也搭載Mini LED背光,並命名為Liquid Retina XDR,對市場和消費者大大提升了本技術的能見度,藉由萬顆左右的Mini LED Chip,搭配2000以上的分區設計,最終產品展現的高亮度、高對比畫質表現獲得消費者不少好評,統計2021年的產銷資料,iPad Pro12.9的面板出貨量達到五百萬台左右,是去年銷售最好的Mini LED產品,兩個尺寸的MacBook Pro也有三百萬台以上的水準,綜觀整個蘋果的策略,目前已在筆電、平板、Monitor (32吋Pro Display XDR)都有採用Mini LED技術,是對Mini LED最積極的品牌商。不過,蘋果其實一直有將OLED導入平板和筆電的計畫,但因對於目前IT OLED面板的壽命表現仍不滿意,畢竟蘋果對IT產品的壽命的要求要高於手機不少,故希望主要供應商SDC、LGD改使用2 Tandem的OLED元件架構,藉以使壽命有效的提升,SDC、LGD甚至京東方都有陸續在評估此架構大幅生產的可能性,故預期在2024~2025年蘋果會將其IT產品線逐漸換為AMOLED技術。

Mini LED近期在技術發展部分,主要是在OD (Optical distance)值的降低,同時希望使用更少的Mini LED晶片數量達到同樣的顯示效果,如圖3所示,OD值指的是晶片到擴散板的距離,OD值越小代表背光模組就越薄,產品就可以越輕薄,通常若要降低OD值,主要就是藉由增加Mini LED數量來達成,但是這樣將使的背光模組的成本大幅上升,所以有多家廠商提出採用新光學材料的方式,使的OD值降低的同時不用大幅增加Mini LED數量,例如京東方導入與康寧合作的Patterned Glass Diffuser (PGD)導光玻璃,經由內部特殊設計的半反半穿透結構使LED Chip的光源分布可以更均勻,進而降低OD值,而使整個背光模組可以薄化,LED Chip的間距可以更遠,使用的數量就可以減少,來達到降低成本的效用。同樣的,華為也在其首款Mini LED TV中,藉由與協力廠商共同開發的特殊設計光學膜,提升光在內部反射的次數,再維持一定光均勻度的情況下降低厚度,提高間距,進而減少LED數量並提高分區數,而目前最為積極投入Mini LED背光 TV的面板廠華星光,也是採用類似的光學模技術,其最新產品X925 Pro,使用25,000顆Mini LED,並使OD值降到0.15mm的水準。
 

圖3 Mini LED背光低OD技術

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2022/06)
圖3 Mini LED背光低OD技術
 

四、結論-未來展望
 

綜觀AMOLED及Mini LED背光兩種先進顯示技術,若以各種終端產品來分析, Mini LED背光應是在TV、Monitor這兩類產品較有競爭性,整理兩種顯示技術於TV、Monitor、筆電及平板四種產品未來面板出貨量的看法如圖4所示。以TV而言,其對於亮度有較高的需求,輕薄在意程度則低,結合目前品牌廠,如TCL、三星電子的積極推廣下,Mini LED背光應可在高階TV領域佔有一席之地,而在AMOLED部分,因其仍具有現今顯示技術中最輕薄的特性,預期在手機領域的滲透率將持續上升達40%以上,而在筆電和平板產品的拓展則是值得期待,尤其是像如筆電大廠華碩積極推廣OLED筆電,去年OLED筆電面板的出貨量也已達500萬片以上,較2020年成長四倍。
 

圖4 先進顯示技術面板未來出貨量預測

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2022/06)
圖4 先進顯示技術面板未來出貨量預測
 

臺灣面板廠因在AMOLED投資相對保守,無法與中韓進行產能競爭,轉而將技術的發展轉向Mini LED背光,並聚焦於IT產品的發展,如蘋果的Mini LED背光筆電及平板,其中影響顯示品質甚鉅的晶粒,幾乎都由臺廠富采投控供應。但IT產品勢必將面臨OLED的強烈競爭,相對於Mini LED 背光TV而言,筆電和平板所追求的輕薄,將對晶粒或是光學設計有更高的要求,預期成本的下降趨勢不會如TV般明顯,終端產品的價格較難下降,故預期未來面板的出貨量會較AMOLED來的少,故建議臺廠除了維持既有IT領域優勢外也需朝其他領域做拓展。展望未來,隨著智慧座艙的概念發想,電動和自駕車的推波助瀾,單台車搭載面板量將持續上升,勢必將推動車用面板市場大幅發展。

若以產品特性來看,在Micro LED問世之前,高階顯示技術在車用領域的首選應會是Mini LED背光,當在大太陽行駛中觀看螢幕,Mini LED的高亮度將使顯示品質優於OLED,較好的熱穩定度也使Mini LED相比OLED更適合應用於車用中,藉由臺廠在車用面板市場已具有的高市佔率的優勢,搭配Mini LED背光為車用面板做加值,可說是除了IT領域外,臺廠提升營運表現的一大利器。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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