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背光應用打頭陣 MiniLED起飛在望

為了將應用觸角從照明進一步擴大到顯示領域,LED相關業者無不積極布局MiniLED技術,並以MicroLED作為終極目標,希望以LED晶粒直接做為顯示畫素,實現功耗、對比度都不遜於OLED,但可靠度卻遠勝OLED顯示的MicroLED顯示。但要用LED取代液晶,構成顯示畫素,有相當高的技術門檻存在,從LED晶粒的設計量產到顯示面板的組裝製造,每個環節都還有許多問題需要克服。雖然許多面板大廠已公開展示MiniLED顯示器,但量產時程大多仍不確定。 因此,在追求以MiniLED或MicroLED做為顯示畫素的同時,LED跟面板產業同時也在發展技術門檻較低,能更快商品化的MiniLED背光,希望藉由這項技術,先拉近LCD與OLED面板之間的性能差異,並為MiniLED,乃至MicroLED的後續發展蓄積能量。 背光應用門檻較低 成本仍有降低空間 聚積科技背光事業處副處長黃炳凱(圖1)表示,與直接用LED晶粒作為畫素的顯示面板應用相比,把MiniLED應用在背光模組的技術難度跟成本較低,因此商品化的進程也快了一截。許多一線TV品牌廠的75吋以上高階產品,已經開始導入MiniLED背光;專為電競玩家設計的電競螢幕(Gaming Monitor),也已經有採用MiniLED背光的實際案例。 圖1 聚積科技背光事業處副處長黃炳凱 MiniLED背光之所以能率先進入量產,跟背光的技術難度較低,以及MiniLED背光為LCD面板帶來的效益十分明顯有關。就技術面而言,目前MiniLED背光所使用的白光LED晶粒,尺寸多半為200微米(µm) x 200µm,晶粒之間的間距(Pitch)則是2公厘(mm),以目前的LED晶粒生產跟組裝技術來說,要量產這種規格的產品不是太困難。 但如果要做直接顯示,畫素間的距離要縮小到0.84mm以下,且由於一個畫素是由紅綠藍三原色組成,故每一顆LED晶粒的尺寸得進一步微縮到40µm x 60µm,甚至30µm x 50µm。這對LED晶粒的設計生產,以及後續的組裝作業而言,都是相當有挑戰性的目標。 不過,跟側光式背光相比,目前MiniLED背光的成本還是明顯高出一大截。因此,如何降低成本,提高MiniLED背光的普及率,是相關業者的當務之急。 黃炳凱分析,MiniLED背光的三大要素--燈(LED晶粒)、驅(驅動晶片)、板(電路板),成本都比側光式背光要高出數倍,導致搭載MiniLED背光的液晶模組(LCM),價格約比採用側光式背光的LCM增加2~3倍之間,使得很多應用產品現階段還無法導入MiniLED背光。 舉例來說,目前50吋以下的中階電視機種,由於價格太過便宜,導入MiniLED背光所造成的售價上揚會十分明顯,消費者恐怕無法接受。但如果是75吋以上的電視,MiniLED背光所增加的成本,就不是那麼明顯。電競螢幕的情況也是如此,一台專為電競設計的高階螢幕,價格可達新台幣數萬元,因此對零組件成本的增加比較不敏感。但一般PC螢幕的零售價只有幾千塊新台幣,現階段要在這種產品上採用MiniLED背光,是十分困難的。 LED晶粒/光學設計改良方向 進一步分析MiniLED模組的成本結構,其中又以LED晶粒成本增加最為顯著,因為MiniLED背光模組使用的LED晶粒數量遠多於側光式背光模組,因此成本的增加是必然的。MiniLED的產能必須擴大開出,創造出足夠的經濟規模,LED晶粒的成本才能明顯下降。 除了創造更大的經濟規模之外,減少LED晶粒的使用量,也是一條可行的路。但由於LED是點光源,如果降低晶粒密度,光斑的現象會更明顯,LED業者必須在晶粒封裝與光學設計上花更多心思,才能取得均勻的混光效果,避免光斑現象產生。 一般來說,為了獲得良好的混光效果,背光模組與面板之間必須保持一定距離,也就是業界所稱的混光區域(Optical Distance, OD)。這會使LCM的厚度增加,不利於實現輕薄的終端產品設計。此外,減少LED使用量,也會影響到背光的亮度,這對於某些終端應用是不利的,例如經常暴露在陽光下的戶外顯示面板。 但這些問題是可以解決的,自2018年即率先量產MiniLED背光的隆達電子,近日發表了四款新一代I-Mini背光模組(圖2),其最大特色之一,就是藉由COB(Chip on Board)技術,直接將隆達自製的Mini LED覆晶晶粒植於燈板上,可達到零OD的超薄設計。此外,新的i-Mini背光模組也搭載了最新的微透鏡陣列技術,其光學設計可達到超廣角的出光(>160o)及較高的取光率,將面板亮度提升至1,600nits,為傳統面板亮度的三倍。 圖2 隆達電子所推出的第二代i-Mini背光模組 矩陣驅動將是大勢所趨 在驅動方面,隨著LED的顆數增加,LED驅動晶片的使用量也會隨之上升,但由於驅動晶片的設計不斷創新,驅動的問題是相對比較容易解決的。例如聚積已經發展出被動矩陣式驅動晶片,單一晶片就可驅動512個LED區塊,未來還可以進一步提高到超過1,000個LED區塊;如果市場需要能驅動上萬個區塊的解決方案,也可以改用主動矩陣驅動的方法來實現。 只是就聚積的觀察,背光模組會不會需要主動矩陣技術,還有待觀察。因為當背光模組的LED區塊數量增加到上萬個,除非面板尺寸極大,否則其所使用的LED晶粒應已是MicroLED等級了。與其用MicroLED做背光,不如直接用來做顯示畫素。 擁有LED一條龍優勢的隆達,則在其新一代i-Mini背光模組上,採用自家開發的驅動技術。i-Mini背光模組採用DOB(Driver on Board)設計,直接將驅動IC與微控制器(MCU)整合於燈板上,進行多分區區域控制。新一代多通道的驅動IC架構將背光控制區域數提升了5倍,可達到1,000分區以上,同時IC顆數可減少50%,並配合微控制器的邏輯迴路控制,達到100萬:1的高對比度。 板材一分錢一分貨 性能/成本必須折衷 至於在電路板方面,考慮到MiniLED雖然相對省電,但仍會散發相當的熱量,因此背光模組製造商多半會採用熱漲冷縮、邊緣撓曲等物理特性較為優異的BT樹脂(Bismaleimide Triazine)作為基板材料。然BT材料的價格比FR4材料昂貴,考慮到成本問題,也有業者開始回頭使用FR4材料。 但如果純粹就成本考量,直接用玻璃作為MiniLED的載板,會是最便宜的,只是相關製程技術目前還不完備,且要將多片模組拼接成跟顯示面板一樣大小,難度會比電路板來得高。此外,玻璃的重量遠比BT、FR4這類材料重,故採用玻璃基板的MiniLED背光模組,現階段還沒有進入量產,以後可能也只適合使用在比較不在意重量的終端應用上。 打通MiniLED產業鏈關卡 蘋果是關鍵 整體來說,MiniLED背光目前已經處於量產階段,例如但由於價格偏高,只有高階產品負擔得起,使得MiniLED背光的市場規模仍然有限。而市場需求有限,又回過頭來成為供應商難以創造經濟規模,驅動成本降低的主因。要打破這個循環,除了相關廠商必須在技術上努力突破外,最好的方法還是找到願意率先將MiniLED導入主流產品的大客戶,藉此創造需求,推動整條供應鏈往前走。 那麼,這家能帶領MiniLED產業鏈打破現況的大客戶,是誰呢?群創執行副總經理丁景隆認為,蘋果(Apple)應該會是促成MiniLED背光從金字塔頂端產品走向主流的最重要推手。由於蘋果向來具有引領業界設計風潮的能力,只要其iPad Pro、Macbook系列產品導入搭載MiniLED背光的顯示器,其他品牌廠將開始群起效尤,創造龐大需求。而需求會帶動供給,只要市場需求大量出現,MiniLED背光相關業者的產能將加速開出,為MiniLED背光在IT面板的普及火上加油。MiniLED背光在IT面板的崛起跟普及,幾乎是一定會發生的事。 黃炳凱也認為,蘋果會是推動MiniLED背光普及的重要推手。現階段MiniLED背光普及的最大障礙並非技術,而是市場規模太小,不足以驅動成本迅速降低。只要有像蘋果這種動見觀瞻的大廠率先導入,就能啟動MiniLED背光市場的正向循環。 事實上,LCD業界一直對MiniLED背光寄予厚望,因為在MiniLED背光跟量子點技術的加持下,LCD面板的顯示性能可以十分接近OLED面板。但因為MiniLED背光的需求規模不足,使得MiniLED背光的降價速度太慢,錯失了搶占市場的機會。其實,MiniLED背光原本最被看好的應用是小尺寸手機面板,但因為中國面板廠如天馬微、京東方的小尺寸硬式OLED面板產能迅速開出,現在手機用的硬式OLED面板報價已經十分便宜,MiniLED背光再進去爭奪這個市場,意義不大了。 相較之下,介於10吋到17吋之間的IT面板,現階段還是LCD面板的天下,OLED面板在這個領域的占有率仍很低。這意味著採用MiniLED背光的LCD面板還有很大的機會,只要蘋果帶頭點火,啟動MiniLED背光平價化趨勢,主流/中階NB、平板顯示器的背光技術,就有可能會轉向MiniLED。但入門級NB或平板的顯示器,應該不會是MiniLED背光可以發揮的舞台,因為側光式背光的技術已十分成熟,這類入門級IT面板對成本又很敏感,MiniLED背光在這個市場上,不容易討到便宜。 為LCD/LED再創第二春 MiniLED背光責任重大 MiniLED背光和量子點、LCD面板互相搭配,可以讓LCD顯示器的對比度大幅提升,縮短與OLED顯示器的差距。對於在OLED技術上投資不多,只是「小打小鬧」的台灣面板廠來說,MiniLED背光的出現與普及,無疑是對OLED陣營發動反擊,為LCD再創第二春的契機。也因為如此,群創、友達等面板廠,均積極布局MiniLED背光,隆達、晶電與聚積等LED相關業者,更是全力衝刺。 歷經數年醞釀,如今MiniLED背光的潛力,已經開始獲得客戶肯定,大規模量產在即。近年來同時面臨中國同業競爭壓力的台灣LCD廠跟LED廠,也可望藉由MiniLED背光重新站穩腳跟,並為日後的MiniLED顯示、MicroLED顯示做好更充分的準備。
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中國面板廠大舉搶攻顯示器應用

根據TrendForce旗下顯示器研究處表示,京東方與華星光電策略性調整8.5代線產能,將電視面板產能轉移至顯示器面板,加上因新冠肺炎疫情衍伸的遠端工作與學習需求帶動IT產品出貨成長,2020上半年中國面板廠在顯示器面板的市占率攀升至38%。 中國面板廠積極搶攻顯示器應用 京東方在武漢的第二座10.5代廠投入電視面板量產行列,並策略性將部分8.5代線產能由生產電視面板轉往顯示器面板,順勢搭上疫情所帶動的宅經濟需求,加上三星(Samsung)宣布將於年底退出LCD面板供應的效應,有利京東方取得更多產能的出海口,上半年出貨量攀升至2,020萬片,年成長19%。 華星光電2019上半年顯示器面板出貨量低於30萬片,2020上半年開始積極搶進三星電子退出後的VA曲面顯示器市場,出貨量快速拉升至220萬片,較去年同期成長近七倍。熊貓電子受惠於同集團顯示器代工大廠冠捷的穩定需求,加上長期對歐美一線品牌客戶耕耘有成,年成長率達4%;而惠科在滁州、綿陽、長沙的8.6代線已於第二季至明年開始陸續供應顯示器面板,預期未來中國面板廠將更積極搶食顯示器市場。 韓系面板僅剩LGD 台廠產品組合最佳化求獲利穩健 三星電子宣布將於今年底前停止自韓國供應LCD面板,而蘇州8.5代線也計畫出售,2021年LGD韓國8.5代線將可能獨撐大局,在陸系面板廠大舉搶進市場的同時,成本競爭力將是嚴峻考驗。 台灣面板廠近年已不再積極建廠,在有效調配現有產能下,出貨量最大化不再是最主要目標,群創的經營策略就以產品獲利為主要考量,除了限縮21.5吋等小尺寸顯示器面板供給及調漲價格外,也試圖調整電視、筆電與顯示器等現有各類應用的生產比例。友達也受惠於三星電子的退出,2020下半年VA曲面顯示器的轉單需求將十分強勁,加上年底是傳統歐美消費性市場旺季,面板供不應求狀態也將成為價格上漲的動能。 TrendForce分析師楊晴翔表示,以產能擴張的角度觀察,未來中國面板廠的成長態勢銳不可擋,在近期三星蘇州面板廠尋求轉售、熊貓電子對外求售南京與成都廠的情況下,將牽動未來顯示器面板供應版圖,面板廠可能透過生產收斂、併購或買廠的方式提前進行整合,預期將使未來顯示器面板產業發展更為健全。  
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