19世紀末Karl Ferdinand Braun用陰極射線讓真空管上的螢光粉發光，直到1940年代，CRT映像管電視才開始流行；1888年，奧地利化學家Friedrich Reinitzer發現了液晶，1960年代第一台液晶顯示器(LCD)誕生，2006年液晶電視才開始普及，成為現在顯示器的主要技術來源。每個技術的開發到其應用，其實都受到當時的環境、相關配套技術的發展成熟度、人們的生活方式等因素的影響。1962年有了第一個發光二極體(紅光)，1980年代實用型OLED開始開發。而下一世代的主流顯示技術會是什麼，成為最近人們熱烈討論的話題，Micro LED會取代現有的顯示技術嗎？
應用場景決定顯示技術發展
從1980年代起，IT資訊產業，無論是軟體或硬體皆快速發展，個人電腦普及率大幅提升，LCD也讓筆記型電腦走進實用化(最早的筆電其實是PDP)這時CRT與LCD還沒有替代關係。直到顯示器從CRT過渡到LCD時，桌上型電腦用的顯示器是最先開始更換的。隨著網路的進步、人們工作形態的轉變，筆記型電腦、手機使用率與普及率大幅上升，LCD的確是一個不錯的技術應用。隨著LCD的製程技術越來越成熟，電視也就開始大量地從CRT移轉到LCD了。但在2000年代，電視市場上還有PDP電漿電視的競爭。
2000年代初期，因LCD工廠的玻璃世代線不大(5世代線，Gen 5)，能做的電視尺寸也不大，影像品質不如電漿電視。但隨著全球LCD面板廠的大量投資，玻璃世代線越蓋越大(到2020年量產生產線的主流世代線為Gen 8，另外還有5條Gen 10+)，上下游供應鏈亦趨成熟完整，最終電漿電視不敵LCD，在2014年全面退出市場。當時LCD與PDP對技術的競爭與進步都是持續在進行的。但若從應用面來看，LCD在個人電腦的顯示器、筆記型電腦、手機都已有很高的滲透率，且出貨量還不斷成長。對於面板廠來說，產品彼此之間的技術與製程基本上差異不大，所以LCD在各產品領域的應用及布局，對比PDP來說是要完整許多。就可攜式移動產品來說，功耗是很關鍵的指標，而以PDP的驅動顯示原理來看，應該很難應用在手機、筆電等產品。
OLED目前在手機與電視都有產品量產，這幾年也開始應用在AR/VR的產品上。但不論是手機、電視或是未來的AR/VR，都是屬於高階的產品。而除了手機外，其他的市場占有率都不高。價格高是主要的因素。但高價格的背後是在於OLED能提供給消費者超過LCD的價值有多少？如果差距不大，那價格還是普及的一個關鍵要素，因此若OLED想成為顯示主流技術，整個OLED產業鏈是否能提供足夠成本競爭力是最大關鍵。
目前全球有將近30座OLED工廠，其中只有2座Gen 8有實際在生產運作，其餘的都是Gen 6以下的世代線，生產以手機面板為主。OLED的生產線投資較高，大尺寸的OLED生產線投資更高。從機台設備、材料、相關零組件都比LCD廠高，所以OLED的產品成本自然也就不低。價格降不下來，市場上較難成為主流產品，目前使用OLED面板的智慧型手機約只占全部手機市場的35%。未來OLED的生產線要擴展也主要在Gen 6以下的投資來提高OLED手機的滲透率。
而大世代線的工廠只有韓國LGD的2座Gen 8生產大尺寸電視。OLED TV從2014年量產發展到現今的市占率不到2%，再加上LGD近期對於Gen 8+OLED產線的擴產投資暫緩及延後，可以看出對於大尺寸OLED的策略還在觀察，這樣一來設備、材料的成本難以降低，OLED的生產線的投資也就還是一直居高不下。這讓OLED產品在市場上局限於智慧手機的應用，無法擴大OLED的應用領域，將難以形成主流技術。
手機、筆記型電腦、Pad等可攜式的產品需求在於輕、薄、省電，因此OLED自發光的特性，相較於LCD只需一片玻璃，是不錯的選擇；而在大尺寸顯示器，像是在電視的應用上，除了輕薄外，暗態更暗，可視對比更高，動態影像的畫質表現都比LCD要好。但OLED在大尺寸顯示器及電視的占有率卻沒有手機市場來得高。成本、價格高固然是一個因素，但從市場消費行為的角度來看，消費者對於一個產品是屬於個人專屬的要比起多人共同使用的，更願意付出較高的價格換來更高階的產品。所以在大尺寸的應用上，OLED的滲透率就不高。Micro LED與OLED一樣，屬於自發光型態的顯示器，擁有極黑的暗態畫面、可視對比高、動態影像畫質優異等優點，在顯示器的應用上是相當不錯的技術，應用領域上從穿戴式的手表、AR/VR、手機到大尺寸的電視，以及戶外看板等，理論上應用領域比OLED更廣。但Micro LED的發展要比OLED來得晚，整體產業鏈還不夠成熟完整，與OLED產品一樣初期面臨著成本過高的問題使得市場難以打開。雖然現在Micro LED的樣品展示從小尺寸的車用螢幕、可攜式產品的應用到大尺寸的電視都有，但目前還沒真正看到商業化成為消費等級的產品出現，消費者對Micro LED的產品還不熟悉，尚未感受到Micro LED帶來的優勢與好處。第一個應用Micro LED的商業化產品就相當關鍵了。Micro LED的晶粒尺寸小，對於畫素極小、極高Pixel Per Inch(PPI)的AR/VR顯示器應用來說相當適合。然而AR/VR屬於高階且是特殊領域的應用場景，而LCD的技術成熟、產業鏈完整、價格極具優勢，Micro LED要從目前的大眾產品出發，推廣普及也會面臨挑戰。
Micro LED關鍵技術剖析
現今LCD產品有不少高規格的頂級產品，如8K、Mini LED背光多分區電視等。但始終還是需要外加背光模組，在動態影像與暗態畫質上比起自發光形態的OLED，Micro LED還是有段差距的。而OLED與Micro LED在畫質、亮度、功耗表現上又有什麼差別呢？OLED是有機發光二極體，而Micro LED則是無機發光二極體，從材料本身及製程技術來看，Micro LED產品的亮度功耗表現、產品壽命、產品解析度上都要比OLED的表現來得好。但OLED發展較早，也已經有商業化的產品在市場上。而Micro LED產品要進入商業化量產，還有很多技術面及材料面要解決。
Micro LED的關鍵技術在巨量轉移，大致上可以分為Pick and Place與Carrier Transferring兩種(圖1)。Pick and Place的技術多以Stamp的方式來取、放，Micro LED轉移速度端看其Stamp的設計，決定一次能取、放多少顆Micro LED；而Carrier Transferring則是Micro LED排列在Carrier上之後，看Carrier上的Micro LED轉印到背板上有多快，目前多以雷射轉印為主。而當Micro LED的晶粒尺寸越來越小，產品的PPI越來越高時，Stamp要能取起這麼小的晶粒又不至於損傷，通常會輔以弱化結構的設計，使得Micro LED容易被取放；而Carrier Transferring的方式則要考慮到雷射光束的大小(Laser Beam Spot Size)。
Micro LED晶粒在EPI Wafer形成，每顆晶粒都是單點發光(圖2)；而OLED因其有機材料的特性，製程概念上與LCD一樣在整面基板上成膜製作成發光層，可把它視為面發光。關鍵的製程技術在成膜。目前OLED的主流生產製造線為6世代線，對於更高的世代線，基板的尺寸面積更大，要將OLED的材料蒸鍍到基板上，則需要更大的真空腔室(Chamber)。但真空腔室體積過大所帶來的問題，一則是所需空間大，投資價格高昂；再者，蒸鍍時所浪費的材料也就更多，所以近來發展噴墨印刷的方式來解決問題。不過OLED的結構中，有發光層、電子電洞傳輸層、阻擋層等多層結構，並非所有的材料都已開發適用於噴墨印刷的方式來製作，部分還是要用蒸鍍的方式來完成，所以還是需要真空蒸鍍腔室，至少金屬電極的製作目前也就只能用蒸鍍的方式，才不會造成OLED結構的損傷。
從生產規模的角度來看，Micro LED的巨量轉移技術是將Micro LED晶粒轉移到TFT背板上。而轉移到的目標背板，也都是已經切割後的目標產品定義出的尺寸大小，故所需的機台設備、廠房面積大小比起LCD廠會小許多；Micro LED的生產線比較像是模組化生產，Micro LED的晶粒製作、轉移、每個區塊獨立製作，最後整合在一起形成Micro LED產品，所以Micro LED廠的投資會比LCD廠來得小；而OLED的生產方式則屬於堆疊式的(圖3)。OLED的關鍵核心技術在於：在LTPS或氧化物半導體(IGZO)的TFT背板上，將OLED發光層、封裝層(白光OLED還需製作色彩轉化層)一層一層製作出來，所需的機台設備與廠房面積大小就與LCD廠(不包含Cell液晶製程段)差不多，跟著玻璃的世代線走。所以產品尺寸越大，玻璃世代線越大，投資也就越大。
因此大尺寸OLED的生產方式就走向噴墨印刷的技術，或可將TFT背板切割成符合現在主流的6世代線後再進行OLED的生產製作。也因為6世代線的產業鏈成熟，成本相對也會比較有優勢。但無論是Micro LED或是OLED，要取代LCD成為下世代的顯示器主流技術，生產規模還是得跟LCD來競爭。以8.5世代線，月產能120K玻璃大板投入，55”LCD主流產品為例，每個月的產出約0.7平方公里，所以Micro LED的產出速度，OLED的蒸鍍或噴墨印刷的產能要能跟上這個水準，才有機會成為主流的顯示技術。整體的產業鏈還在持續開發解決量能的問題。
Micro LED面臨問題與挑戰
Micro LED顯示器的製作過程中，關鍵巨量轉移技術同時也是最耗時的一段。以4K的產品為例，解析度3840×2160，總共需轉移二千多萬顆Micro LED。而Micro LED的晶粒尺寸小，以目前的轉移技術來說，Micro LED與畫素的對位、對位後的Bonding製程都是相當耗時的。巨量轉移速度若不夠快，生產量(Throughput)不夠大，成本也就相對不低。
除了巨量轉移技術之外，全彩Micro LED產品實現上還有另外一個問題。目前Micro LED的藍、綠光以氮化鎵(GaN)為基礎，而紅光多以AlInGaP四元材料為主。當尺寸變小時，AlInGaP會有嚴重的邊緣效應。加上材料本身材質較脆，在巨量移轉程中會有易碎的問題。若產品在製作藍色、綠色與紅色的Micro LED巨量轉移需要2種不同的製程處理，整體的生產效率便會下降。而以GaN基礎的紅光還未達到商業化的應用，這也是目前Micro LED產業極待解決的問題之一。除了紅、綠、藍三色併排外，目前業界也有不同的生產方式：藍光加上色彩轉換。與OLED一樣，三色併排設計要考慮到三種不同LED的特性，加上以電路設計來做迴路補償以解決畫面均勻度的問題；色彩轉換則要考慮到材料本身的特性及轉換效率的問題。Micro LED還未真正量產商品化，各種技術彼此還在競爭進步，或許將來也如同OLED一樣，應用在不同的產品領域，有不同的需求：若需要省電輕薄的行動式產品，就得需要光效率高的技術。
Micro LED擘畫顯示器未來
顯示器的發展從CRT過渡到LCD是一個很大的躍進，至今發展成熟，產品應用層面廣。從2015年開始，三星與LGD陸續關閉10座LCD工廠，策略轉型開發下一世代的顯示技術。三星將OLED鎖定在手機市場的應用，而在大尺寸上三星顯示器致力發展QD-OLED及量子點奈米發光二極體(QNED)，但從三星電子發表多年的「The Wall」來看似乎更青睞Micro LED；LGD獨占OLED TV市場，但在Gen 8+的OLED世代線投資暫緩或延後，其策略轉型似乎還有變數。這對OLED來說將無法擴展產品的應用層面、提高滲透率，整體產業規模也就不容易擴大。
資訊的進步與生活方式的改變，使得「顯示」無所不在，下一世代的主流顯示技術勢必也得涵蓋上述甚至更廣的應用領域。LCD搭配Mini LED背光較現在一般LED背光有更好的畫質表現，但仍屬於液晶顯示器。OLED的產品畫質表現要比LCD好，但投資高、應用局限在行動式領域的產品，產業鏈不若LCD成熟完整。Micro LED為無機發光二極體，畫質及規格表現更好、材料比起OLED更穩定、產品壽命長、應用領域更廣；在產量相當的生產線，其占地面積與投資金額也較小，隨著投入的資源越來越多，紅光、巨量轉移等生產製造上的問題克服解決後，產業鏈漸漸成熟完整，Micro LED將會實現無處不顯示。
(本文作者為Mikro Mesa策略長)
