今年以来,“元宇宙”概念持续升温,被视为元宇宙入口的AR/VR设备也被推至浪尖,AR/VR硬件成为国际科技巨头抢夺元宇宙蛋糕重要一环,苹果、Meta、三星、微软、任天堂纷纷宣布其布局AR/VR硬件设备的计划。

行业机构预测,巨头“带路”VR/AR硬件设备有望迎来大幅增长。IDC预测,VR头戴设备的出货量将从2020 年的约500万台增加到2025年的2800万台以上。AR头戴设备出货量预计将从2020年约30万台增加到2025年的2100万台。

据作为AR/VR硬件重要组成部分近眼显示也将受VR/AR硬件驱动,迎来新一轮产业春天。目前,快速响应液晶屏产品凭借成熟的工艺、充足的量产和最高的性价比,成为VR硬件设备中应用最广泛的显示方案;AR方面,硅基液晶和硅基OLED成为AR终端两大近眼显示解决方案,现阶段硅基OLED因在功耗、对比度等指标优于硅基液晶而成为AR主流产品的选择;Micro LED成为近眼显示产业探索的重点方向,有望乘着“元宇宙”东风,加快产业化和产品化进程。

硅基OLED最先乘风

今年11月,“苹果头号预言家”郭明錤透露,苹果2022年Q4发布的首款AR头显设备将配备索尼4K Micro OLED(硅基OLED)显示屏,目标是在10年内取代iPhone,预计出货将超过10亿部。

作为苹果首款AR设备的显示方案选择,Micro OLED(硅基OLED)有何魔力?

记者了解到,硅基OLED是一种融合了显示和半导体的技术,具有高分辨率、高集成度、低功耗、体积小、重量轻等优势,像素尺寸为传统显示器件的1/10,精细度远远高于传统器件,适用于头盔显示器、立体显示镜以及眼镜式显示器等。

“玻璃基的AMOLED受制于FMM工艺,像素尺寸做不小,PPI不高导致画面颗粒感比较明显。”京东方科技集团股份有限公司显示事业VR/AR BU总经理杨婷婷早前接受《中国电子报》记者采访时解释说。而硅基OLED微显示器的像素密度可达5000PPI,可以削弱用户因画面响应速度慢和分辨率不足导致“纱窗效应”产生的眩晕感。

赛迪智库集成电路所马蓓蓓博士在接受《中国电子报》记者采访时表示,硅基OLED+光波导是目前高端AR硬件的不二之选。她解释说,理论上硅基OLED也可作为VR显示屏,但受制于硅片特性原因,硅基OLED尺寸还无法做到更大,目前更多应用于AR硬件。

“超高PPI、分辨率大于4K、大于等于90赫兹的刷新率、以及大于等于3000尼特的亮度。满足以上所有指标的近眼显示方案才能给用户呈现出逼真画面。”产业专家对《中国电子报》记者说,此外,近眼显示方案还要兼顾轻薄、功耗低和像素密度高、技术成熟度高等。

硅基显示方案在各项指标上已经很好满足近眼显示的需求,但是技术成熟度和量产能力还有待加强。“受光学镜头能力限制和硅片价格昂贵导致成本偏高,硅基OLED应用在高端产品上,未来随着技术和市场的发展,硅基OLED若具成本竞争力,会掀起革命式的爆发。”杨婷婷表示。

近年来,国内掀起硅基OLED投资热潮,仅2020年产线投资规模超过200亿元,奥雷德、京东方、维信诺旗下昆山梦显、熙泰科技、合肥视涯等企业纷纷入局。根据厂商披露的产线建设规划,2022年部分产线将完成建设进入点亮甚至开始爬坡和量产。如京东方发布的公告显示,12英寸OLED微显示器件(硅基OLED)项目将分3期实施,项目第一阶段预计于2021年点亮,第二阶段于2022年点亮,第三阶段于2023年点亮,预计将于2024年1月全部完成。

随着京东方、视涯等厂商产线点亮和产能提升,硅基OLED有望成为最先“乘风”元宇宙,产能和市场都有望迅速扩张。中国电子信息产业发展研究院预计,2023年硅基OLED市场规模有望达900亿美元。

Micro LED还在产品化路上

相比硅基OLED,Micro LED是科技巨头押宝的另一个AR/VR近眼显示方案。国外厂商Vuzix、TCL旗下雷鸟科技、小米等厂商已经发布Micro LED智能眼镜或AR设备概念产品。有消息显示,苹果也在和中国台湾的LED厂商晶元光电 (Epistar) 合作研发Micro LED显示产品。

中国科学院院士郑有炓曾表示,Micro LED可应用于VR/AR两个微显示领域,他认为Micro LED应该最先突破AR。他解释说,AR眼镜用近眼Micro LED显示要求极小面积、高分辨率,由于传统的精准拾放、转印等巨量转移技术面临挑战,另辟蹊径可以借助Si微电子技术实现。因此与VR相比,由于AR产品上的Micro LED可以单色、单片、用硅材料支撑,进而可以批量生产。

据了解,Micro LED具有超薄、低功耗、高亮度、高对比、体积小、功耗低、寿命长、反应速度快等优点。 

赛迪智库集成电路研究所光电子研究室主任耿怡早前向《中国电子报》记者介绍说,从参数上来看,相比硅基OLED的微秒级响应,Micro LED已经能够实现纳秒级响应,响应速度进一步提升;在对比度指数上,相比硅基液晶的1000∶1,Micro LED已经提升至100000∶1,亮度提升至100000尼特。此外,Micro LED可搭配光波导成像方案,生产的产品厚度更低。由于Micro-LED具备的上述特点,该类型屏幕更容易实现高PPI、体积小、易于携带、功耗低,更适合应用于近眼显示设备。由于单个LED灯珠的体积更小,Micro-LED将能够在单位面积的尺寸上实现更高的分辨率。从这个角度来看,Micro-LED将在AR/VR应用中具备更大的优势。

尽管Micro LED具有诸多显示优点,但是其产业化程度较低、良率较低、成本较高导致AR硬件产品近一两年还不可能实现大规模使用Micro LED方案。

“Micro LED正经历从样品到商品化的过程,但还无法实现产品化。 ”产业专家指出,Micro-LED的发展还处于早期阶段,外延成本高、产线不成熟、掌握该技术的厂家极少,仍未真正进入消费级市场。   

据了解,台积电和苹果正在合作研发Micro LED显示技术。业内预测,Micro LED是否具备大规模生产能力,需要到2022年之后才有更清晰的判断。半导体分析机构Yole预测,2022至2023年,Micro LED 的应用将会有很大的突破。在技术发展较为乐观情况下,到2025年,Micro LED才能够逐渐商业化;2026年Micro LED面板出货量有望达到1.34亿片,2027年总产量可达2.51亿片。