Micro-LED显示中的巨量转移技术_纪骋.pdf

-28-热点研究Hot Research PATENT AGENCY专 利 代 理*作者单位：国家知识产权局专利局电学发明审查部。Micro-LED显示中的巨量转移技术纪骋*摘要：Micro-LED 显示以其优异的性能成为了 VR/AR 应用的首选显示技术，而巨量转移技术作为 Micro-LED 显示中的关键技术，成为了近年迅速发展的技术之一。本文首先从产业和技术的两个角度对巨量转移技术进行了介绍，然后通过专利文献分析的方法，对该技术的发展状况、申请来源地及目标地的区域分布状况以及重要申请人等进行了统计和分析，最后梳理了巨量转移技术的主要技术路线。关键词：Micro-LED；巨量转移；显示；专利分析一、概述随着计算机、互联网技术的进步，给用户带来沉浸式人机交互体验的 AR/VR（增强现实/虚拟现实）技术已经成为新的发展方向。特别是，去年 10 月扎克伯格宣布将 Facebook 改名为 Meta，迅速引燃了人们对于“元宇宙”相关技术的关注，VR/AR 技术作为“元宇宙”底层硬件技术，更加成为了产业的重点关注对象。为了带来更有真实感的视觉体验，VR/AR技术对显示技术提出了更高的要求。Micro-LED 显示相对于现有的主流显示技术，具有功耗低、亮度高、解析度与色彩饱和度超高、响应速度快、寿命长、效率高等优势，是当前最有望满足VR/AR 技术应用的显示技术。2012 年索尼公司推出了世界上第一个 Micro-LED 显示屏，2014 年苹果公司收购了一家专注于 Micro-LED 显示的公司 LuxVue，并着力发展 Micro-LED 显示在其产品中的应用，这引起了业界极大的关注。此后，三星、LG、京东方等显示面板企业也陆续进入赛道，开始推出自己的Micro-LED 显示屏，松下公司旗下的 Shiftall 公司也将于今年推出全球首款采用 Micro-LED 的 VR 眼镜。如图 1 所示，从技术上看，尽管 Micro-LED 显示产业可以直接转用传统显示产业和 LED 产业中已经发展较成熟的 TFT 技术和 LED 技术，不少厂家也很早就推出了样品，但至今很难走上大规模商业化应用的道路，其瓶颈就在于巨量转移技术（也称微转移技术），即如何使得预制的小尺寸 LED 结构按照需求规则地排列在 TFT 背板上。巨量转移技术看似只是传统转移技术小型化的演进，然而，在当前高度集成化的半导体制造领域，将小尺寸的单体精确地转移是非常困难的，主要的问题在于转移的效率和良率这两个方面。例如在 Micro-LED 显示的应用场景下，一块面板所需要转移的单体个数常常在千万量级，如何Hot Research热点研究-29-PATENT AGENCY专 利 代 理把这么大数量的单体快速进行转移，这对于生产来说是一个重要问题；此外，对于如此大量的单体转移工艺，如果转移的良率不高，则会直接给显示面板带来过多的坏点。这两个问题直接导致 Micro-LED 显示的成本居高不下。图1 Micro-LED显示产业结构图从业界动态也能看出巨量转移技术的重要程度。诸如苹果、索尼这样的巨头在这项技术上紧锣密鼓的布局已足以引起行业普遍重视。2013 年伊 利 诺 伊 大 学 的 Roger 教 授 团 队 基 于 微 米 转 印（Micro-Transfer-Printing，TP）的科研成果成立了在业界颇具影响力的 X-celeprint 公司。2016 年台湾工业技术研究院（以下简称“台湾工研院”）推动成立了巨量微组装产业联盟（Consortium for Intelligent Micro-assembly System，CIMS），台 湾 地 区 20 多 个涉及 LED、材料、IC 设计、封装、面板、系统等领域的厂商可以基于此平台积极合作，共同推动台湾地区的巨量转移技术，目前已经涌现出了多家在Micro-LED 显示领域非常活跃的公司，如錼创（Play Nitride）、友达光电、美科米尚（Mikro Mesa）等。近几年，许多传统显示大厂也纷纷与具有巨量转移技术的公司展开合作，开始发力 Micro-LED 显示，如2017 年中电熊猫开始与台湾 Mikro Mesa 公司合作开发产品，2022 年华星光电与三安光电合作成立了联合实验室。此外，还有一些企业以自研巨量转移技术的方式快速进入赛道，如 2019 年康佳集团设立重庆康佳光电技术研究院，截至 2021 年已建成生产线并完成小批量试产；2020 年维信诺设立成都辰显光电，次年即发布产品。另一方面，随着科技的发展，电子产品走向高整合、多功能、微型化的趋势日益明显，巨量转移技术除了首先在 Micro-LED 显示中的发力之外，必将在下一代的新兴技术中占有重要地位。这从 X-celeprint公司、台湾 CIMS 等相关专利申请的表述方式中可见端倪，相信这些单位在成立时对巨量转移技术的这种广阔应用前景是有一定预期的。二、专利文献分析本文针对与巨量转移技术相关的专利文献进行了检索，检索的截止日期为 2022 年 6 月 23 日。检索采用的数据库是中国专利全文数据库（CNTXT）、外国专利全文中文翻译数据库（ENTXTC）和德温特世界专利索引（DWPI），我们以 IPC、CPC 分类号和关键词作为入口在不同库中分别检索，最后将得到的文献统一转库到 DWPI 库，共得到 4641 项专利文献。考虑到基于同一优先权的专利申请可以在不同地区形成多件专利文献，在统计分析时，将不同地区基于同一优先权的专利文献族称为一“项”，而将各个地区的专利文献称为一“件”。（一）申请趋势分析我们利用 DWPI 库的数据统计了各项专利的最早优先权日，以期了解发明活动的整体进行情况。在技术发展的早期，芯片封装行业中的转移技术是巨量转移技术的技术原型，基于半导体行业微缩化的趋势，海外对微小尺寸芯片的转移技术一直有零星的前瞻性研究。如图 2 所示，巨量转移技术相关的发明专利申请可以追溯到上世纪 90 年代，甚至更早，但是直到 2009 年全球申请量一直徘徊在二三十项左右。此时期的申请主要是海外申请，中国大陆的申请几乎没有。加利福尼亚州立大学于 1993 年的专利申请（CN1147153A，下文将详细介绍）是此时期较有代表性的专利申请。-30-热点研究Hot Research PATENT AGENCY专 利 代 理图2 申请量趋势图到 了 2009 年，Rogers 教 授 及 其 合 作 者 在Science杂 志 上 发 表 论 文“Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays”，公布了其应用巨量转移技术制造 Micro-LED 显示器的相关工作，引起了国际上广泛的关注。从图 2 的申请量趋势图也可以看出，2009 年以后的申请量开始逐步增长，包括索尼、夏普在内的诸多公司在这一年提出了相关的专利申请，而且值得注意的是，后来被苹果公司收购的 LuxVue公司恰恰就是在这一年成立的。从图 2 中可以看出，从 2016 年开始国内外申请量呈爆发式增长，并于 2019 年达到巅峰，这与Micro-LED 显示作为下一代显示技术的发展方向开始被业界普遍重视有关。特别是中国大陆的申请量增长迅猛，很快超过海外申请量，可见“集中猛攻”是我国技术研发的一大特色。值得注意的是，尽管 2020年仍然有小部分专利文献尚未公开而导致当年数据不完整，但已经可以看出，相比于海外申请量很可能跌落的趋势，中国大陆的申请量已经有小幅提升。2021年和 2022 年申请的专利大部分因还未公开而数据不全，故总量不具有参考价值。（二）申请的来源和目标区域分析首先，我们利用 DWPI 库的数据统计了每一件专利文献分布的区域。如图 3 所示，中国大陆和美国是专利文献分布的主要区域，两者之和超过了总量的一半，可见中国大陆和美国是全球巨量转移技术最主要的市场。其次是日本、韩国、中国台湾、欧洲和德国，都有数百的文献量，也是巨量转移技术较重要的市场。最后加拿大也有少量的文献分布，该市场也值得关注。图3 专利文献主要区域分布图然后，我们利用 DWPI 库的数据对每一件专利的来源地和目标地进行更细化的统计。如图 4 所示，无论从专利来源还是市场布局来看，中国大陆和美国的文献量都是最大的。可见两个区域在技术研发和市场两方面都是全球最重要的区域。从专利布局来看，来自中国大陆的专利申请主要进入中国大陆和美国两个区域，进入其他区域的量比较少；然而，来自美国的专利申请除了进入中国大陆和美国两个区域之外，在日本、韩国、中国台湾、欧洲等区域都有一定的布局。可见，中国大陆的专利技术主要关注中国大陆和美国市场布局，而美国的专利技术则更加侧重全球的整体布局。从专利来源地看，日本和韩国具有较大文献量，但是从专利目标地来看，这两个地区的专利文献量又 本文中“欧洲”对应欧洲专利局的相应数据。“德国”对应德国专利局的相应数据。Hot Research热点研究-31-PATENT AGENCY专 利 代 理相对较少。由此可见，日本和韩国产生了大量的专利技术，但这些专利技术更倾向于向海外布局，即这两个地区属于技术输出型地区。与此相反，欧洲是个非常有特色的区域，其作为来源地的专利申请并不多，但是相对而言以欧洲为目标地的专利文献量较大，可见欧洲没有产生很多专利技术但该地区是很多专利技术选择布局的地区，即该地区属于技术输入型地区。中国台湾、德国和加拿大的专利来源地-目标地的布局结构都比较均衡，和美国的类似，都属于技术平衡型地区。图4 专利文献主要目标地-来源地区域分布图（三）主要申请人分析我们根据 DWPI 库的数据对申请人进行了统计，并对相同或相关的申请人进行了人工合并，以了解重要申请人的情况。图 6 显示了全球前 20 位申请人的申请量，同时还区分了 2016 年之前和之后的申请量。可以看出，在 2016 年之前的主要申请人是苹果，索尼、三星、X-celeprint 次之，可见，这些海外企业早年就在这一领域有一定的积累。而国内企业的申请全部都是在 2016 年以后的，巧合的是台湾 CIMS 恰好就是在2016 年成立的，可以认为台湾 CIMS 的成立直接引起了国内相关显示企业对 Micro-LED 显示技术的重点关注，同时标志着 Micro-LED 显示作为下一代主流显示技术成为了市场共识。从图 6 可以看出，领域内最主要的申请人仍然是传统的显示企业，如三星、京东方、华星光电、LG等。三星在不同产业都有较均衡的专利布局，故较早进入该产业，其他企业都进入较晚，2016 年以前的申请量较少或没有，但是 2016 年之后专利量增长迅猛、后来居上。特别是康佳，其所有的专利都是在2019 年成立康佳光电技术研究院之后申请的。这与这些公司的经营模式有关。它们一般比较保守，在市场趋势尚未明朗之前，研发力量仍在较主流的 LCD、OLED 显示技术，到 2016 年 Micro-LED 显示被普遍认为是下一代的主流显示技术之后，才开始进行集中研发，并很快出现专利申请的井喷。另一方面，一些知名的下游企业开始涉足显示行业，如苹果、Facebook。这些企业往往是显示企业的客户，对显示行业的发展趋势有很强的话语权，因此，2014 年苹果收购 LuxVue 公司、2020 年 Facebook 与Plessey 公司的合作，对于业界都是一剂强大的兴奋剂。一些基于巨量转移技术研发的新公司开始出现在舞台上，如 X-celeprint、錼创、Point、ELUX、亮锐、成都辰显。要知道半导体行业往往是资本密集型、技术密集型的，长期的技术积累对于一个公司而言是非常重要的，因而很少有初创公司能够在这一行业占据相当的地位。但是 Micro-LED 产业的结构不同，如前文图 1 所示，只需要基于巨量转移这一项技术，就可以将现有较为成熟的技术进行整合，形成完整的结构。这种“以点带面”的结构非常利于初创公司的形