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產業技術評析

從SID 2020會展觀察顯示技術發展趨勢
發表日期:2020-12-02
作者:林研詩(工研院)
摘要:
SID 2020 LCD亮點主要以mini LED背光技術升級與新功能整合加值為主,技術發展趨勢包括大尺寸朝AI 8K TV、極窄邊框、mini LED背光、HDR、Dual cell、電競面板發展;手機面板則透過持續精進全螢幕規格與整合感測器應用提升顯示器附加價值。

全文:

SID 2020 LCD亮點主要以mini LED背光技術升級與新功能整合加值為主,技術發展趨勢包括大尺寸朝AI 8K TV、極窄邊框、mini LED背光、HDR、Dual cell、電競面板發展;手機面板則透過持續精進全螢幕規格與整合感測器應用提升顯示器附加價值。下一波OLED重點發展技術包括QD OLED、IJP、LTPO、自由型態面板、螢幕下相機整合、光場技術等。而Mini與Micro LED顯示器仍是SID 2020最受矚目的技術之一,今年已有三十多場演講主題提到包括驅動電路、巨量轉移、單晶製造、檢測修補、色轉換材料、任意拼接等,皆有進一步的突破,是各界關注能否成為與OLED競爭並開創新應用領域的下世代顯示技術。

 

一、 LCD技術進展

 

在大尺寸的電視產品上,高階LCD TV持續面臨OLED TV的挑戰,除了以高解析度8K提升競爭門檻外,透過導入AI晶片或者以QD材料提升色彩、Mini LED背光達到高對比等,都是LCD持續與OLED技術抗衡的武器。特別是後疫情時代,宅經濟需求更凸顯電視為遊戲、電影、OTT服務等重要的影音串流媒介。

 

圖1 LCD TV面板可與OLED抗衡的技術-以Mini LED分區調控成本比較為例

資料來源:SID2020

圖1 LCD TV面板可與OLED抗衡的技術-以Mini LED分區調控成本比較為例


本屆SID以AUO展示8K極窄邊框(最窄非顯示BM區僅0.9mm),超高螢幕占比面板為LCD TV亮點之一,具備120Hz高刷新率,同時整合8K(7,680 x 4,320)高解析度、QD量子點廣色域及HDR超高動態範圍技術,局部超高亮度(1,200nits),可因應運動賽事及電玩遊戲等需求,達到高沉浸感以及流暢無殘影的高畫質動態影像。BOE則以65吋BD Cell TV與蘋果Pro Display XDR、三星折疊顯示Galaxy Fold同獲SID 2020年度最佳顯示產品獎(Display of the Year)。 BOE BD Cell顯示技術是以黑白Cell搭配原本彩色濾光片共兩層Cell設計,能夠將背光劃分為百萬分區,使顯示器可實現像素級超精細調光,並配合調光驅動電路設計(一般TV使用三顆晶片,分別是SoC主晶片、畫質晶片、面板時序控制晶片。BD Cell需五顆晶片,分別是雙TCON晶片、SoC AI晶片、影像晶片以及Local Dimming背光控制晶片),可達百萬級超高對比度以及12bit色深,還原自然影像畫面,畫質體驗可媲美OLED。


如圖1所示,目前LCD陣營有幾種主要技術升級選項,可與高階OLED TV抗衡,例如本屆BOE的BD Cell技術即主要應用在高階電視產品,包含110吋8K BD Cell、75吋8K BD Cell、98吋4K BD Cell,另有3.5吋BD Cell VR面板。BD Cell已經導入品牌商海信,稱之為疊屏電視,海信認為成本是同尺寸OLED電視的2/3,對LCD而言具有成本優勢。整體而言,Dual cell LCD雖然有不錯的畫質,但使用兩層Cell的方式,在厚度上仍比OLED略遜一籌。


另外則是Mini LED背光技術,透過分區調控(Local Dimming)的原理提升對比,若再以電路驅動方式細分Mini LED背光技術,種類又可分為PM驅動Mini LED背光或者AM驅動Mini LED背光。若為AM驅動Mini LED背光,所採用的TFT背板又可再分為a-Si、Oxide、LTPS技術,依據推估,若Mini LED背光技術要有相當的成本競爭力,依據不同驅動方式設計,調光區數量需落在3,000區至5,000區之間。再比較Mini LED背光與Dual Cell技術在亮度與對比的表現:Mini LED背光LCD的亮度為1,000~1,500nits,對比度為100萬:1; Dual cell LCD的亮度為400到450 nits,對比度為100,000:1〜150,000:1。在本屆Mini LED背光,中大尺寸LCD應用由小至大分別為:AUO全球最高刷新率17.3吋Full HD 300Hz Mini LED電競NB面板、AUO 17.3吋UHD 4K電競NB面板,結合Mini LED背光技術與超高刷新率技術,達到VESA Display HDR1,000最高等級,在電競遊戲領域,特別鎖定第一人稱射擊遊戲可清楚呈現暗部場景細節,瞄準玩家競速需求。BOE 27吋 4K Mini LED螢幕,峰值亮度可達1,500 nits,對比度高達1,000,000:1,可達HDR(高動態顯示範圍)效果。而對照Apple 32吋6K Pro Display XDR,其32吋IPS LCD面板,具有6K Retina解析度,最大特色為獨特的背光光學整體解決方案,包括2D背光系統採用576個藍光LED組成超高亮度背光陣列,其LED尺寸已接近mini LED,具有1,000 nits的全螢幕持續亮度,以及1,600 nits的峰值亮度,可進行一般白光LED無法做到的區域調光亮度控制。預期在Apple的帶頭效應下,將有更多品牌廠商考慮讓現有LCD高階產品導入Mini LED 背光方案,包含電視、筆電、電競產品等,待成本下降後將可望加速Mini LED背光應用的普及。

 

二、OLED技術進展

 

IJP除了生產大面積RGB OLED的應用外,在下世代顯示器的應用尚有QD OLED、QNED、EL QD的發展潛力。QD OLED為三星顯示器重點發展的新一代大尺寸OLED面板事業,預計2025年前投資約110億美元至QD OLED,其中QD作為色彩轉換層,也可能採用IJP製造方式;而另外一種QNED結構,是以奈米大小的藍光LED取代藍色OLED作為發光源,搭配紅色與綠色QD濾光片進行色彩轉換,在奈米藍光LED以及QD的製造上,也需要IJP的製造方式;IJP亦可對應QLED電致發光量子點顯示器: EL-QD的製造。而本屆SID GE也發表以IJP噴塗在塑膠基板的紅色螢光粉(PFS-KSF)材料,有機會應用於mini/micro LED顯示器。自從LTPO技術首度應用在Apple Watch 4後,Apple面板供應商包括LGD、JDI、Sharp、SDC陸續揭露透過LTPO TFT技術達到窄邊框(Slim border)與低刷新率(1-60Hz)的方式,達到省電功能。如Sharp以IGZO優勢持續發展IGZO7,並強調結合LTPS與IGZO的LTPO技術電子遷移率快、穩定性高、TFT均勻性佳、漏電流少,同時也因可減少穿戴裝置的耗電量,這樣的結構下一步可應用在6吋的手機面板,預期可替目前智慧型手機功耗節省至少10%~15%。SDC開發類似技術稱為HOP(Hybrid Oxide and Polycrystalline Silicon)。

 

圖2 SID2020 OLED展品技術亮點-螢幕下相機、可折、可捲、可拉伸、光場

資料來源:SID2020

圖2 SID2020 OLED展品技術亮點-螢幕下相機、可折、可捲、可拉伸、光場

 

自由型態OLED面板朝螢幕下整合、可折、可捲、可伸縮找尋新應用,螢幕可折疊手機已商用化,解折痕問題需保護蓋板材料持續精進,由高分子鏈結合形成的CPI因彎曲產生變形的問題無可避免,而玻璃缺乏彎曲性,仍須膠合保護層,使用可吸收變形的彈性體(Elastomer),同樣有技術上難題尚未克服。因此折疊螢幕保護蓋板仍有精進空間。此外,折疊面板的結構改良還有以彩色濾光片取代偏光板的課題,主要是需要解決偏光板的厚度依然過厚(>100um),影響OLED亮度的問題。更多廠商投入可捲式面板,可拉伸面板應用至電子織物,螢幕下元件整合為新課題,OLED材料包括TADF(Kuylux)、透明陰極材料(OTI)也有突破進展。

 

三、Micro LED技術進展

 

本屆SID Yole提出Micro LED專利申請人分析數據,表示Micro LED技術的投入者涵蓋多個產業鏈業者,包含手機品牌、顯示器產業、LED產業、半導體產業、新創公司…等,再從技術佈局的方向來看,巨量轉移與接合方式、顯示單元畫素結構設計、晶粒製造、色彩轉換、光路與光形、驅動手法、單晶、檢測…為發展Micro LED的技術重點。在會展上有多家公司與錼創合作開發展示軟性顯示器,瞄準穿戴裝置、車用、PID市場。

圖3 與錼創合作的Micro LED展品

資料來源:SID2020

圖3 與錼創合作的Micro LED展品

 

巨量轉移與檢測技術進展包括:XDC畫素引擎(Pixel Engine)結構,採用異質整合方式製造,將CMOS電路整合至畫素單元中,類似拼接LED看板中所使用的4-in-1驅動。Vureal開發micro solid printing技術,可以選擇性地將部分Micro LED直接印在顯示基板上,提高巨量轉移量產速度。V -Technology以10s/25mm2的雷射剝離(LLO)技術提出快速Micro LED取下方案;ADRC 則開發不需要LLO的Dual-gate a-IGZO Lateral Micro LED結構,適合軟性顯示器應用。Rohinni(與BOE合資)介紹量產AR眼鏡的Micro LED技術。InZiv結合光測PL及電測EL的高解析度檢測程序能檢驗小於1 µm的LED晶片。康寧則是開發拼接大尺寸Micro LED特殊50µm WAE結構所需玻璃。


不需巨量轉移的Monolithic單晶方案以AR應用為主,需持續突破全彩化製造。在製造1吋以下的微型Micro LED顯示器技術上,有許多廠商使用在矽基板製造Monolithic(單晶) Micro LED的技術,亦即單一成形的Micro LED晶圓貼合技術。如英國公司Plessey,使用磊晶成長GaN於矽晶圓的技術,在微小的空間製作出百萬顆等級的Micro LED晶圓,再以Wafer bonding技術,將Micro LED晶圓與矽基背板結合。另外包含JBD、香港科大皆是SID有展出Monolithic展品,但多為單色,並且需透過色彩轉換技術。Sharp表示預計在2023~2024年,有機會量產矽基全彩Micro LED顯示器,並朝正單色轉換彩色及降低色斑的方式邁進。而美國新創公司NS nanotech,則是開發半高寬(FWHM)小於5nm的無磷InGaN綠光LED奈米晶柱,可以不使用催化劑讓GaN奈米晶柱大規模的在SiOx基板上長出垂直取向並且均勻性高的異質結構,欲解決LED光色中長久存在某段綠光頻譜效率低的Green gap問題。


AM Micro LED驅動電路進展包括:日本面板廠Kyocera(京瓷)與Osram共同開發3.9吋LTPS AM驅動的Micro LED顯示器,TFT背板以PWM調光改善畫面品質,驅動方式為混合電流與8bit PWM驅動的新技術。


四、結論

 

LCD與OLED之間的競爭腳步仍未停歇,LCD可透過Mini LED追上OLED的對比;OLED也逐漸改善材料壽命以及burn-in(燒灼殘影)問題,並且領導廠商三星開始以QD-OLED佈局大尺寸應用市場。而IT類產品上,電競產業崛起為硬體廠商帶來產品升級機會,並且LCD在經濟規模與成本結構上都具優勢,相關LCD技術仍為IT顯示器市場的主流。OLED的市場擴大應用,若跨入NB、Monitor、TV領域,必須提高印刷式OLED的製造良率,並有賴於材料端的改善,方有機會滲透至主流市場。新興技術Micro LED近兩年已有許多關鍵技術突破,包括巨量轉移良率持續飛躍提升,不管是結合傳統PCB的生產與設計方式,或者是搭配TFT背板技術,已經看到許多可與OLED競爭的應用雛形誕生,再加上臺灣優勢產業鏈逐漸成形,若持續受到有力的終端品牌廠主導與扶植,未來將有機會取代部分OLED產品,並透過整合感測器應用,開創更多利基市場。除了透過創新顯示技術提升之外,如何創造未來智慧生活所需的多螢連結需求,創造更便捷的互動體驗,並且透過開發新的商業模式,延伸顯示產業價值鏈,找到對的應用市場,亦是業者在技術突破之外,需長久思考的課題。

 

(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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