作為閩臺合作的橋梁，廈門依托獨特的區(qū)位優(yōu)勢，通過招商引資和“一企一策”的政策服務，奠定了堅實的光電顯示產(chǎn)業(yè)基礎。經(jīng)過多年的發(fā)展，廈門已形成覆蓋LED、玻璃基板、面板、模組、液晶顯示器、整機等較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈布局。湖里區(qū)作為廈門光電顯示產(chǎn)業(yè)的重要承載區(qū)，不僅在區(qū)域產(chǎn)業(yè)鏈布局上表現(xiàn)突出，而且在企業(yè)技術進化方面也頗具成效，值得深入觀察和研究。
為了更清晰地梳理光電顯示領域的技術難點及未來發(fā)展方向，澎湃新聞記者采訪了廈門大學物理科學與技術學院副院長、嘉庚創(chuàng)新實驗室廈門市未來顯示技術研究院執(zhí)行院長黃凱教授。黃凱教授所在的廈門市未來顯示技術研究院，是廈門光電產(chǎn)業(yè)領域產(chǎn)學研合作的重要環(huán)節(jié)。作為這一領域的杰出科學家，黃凱和他的團隊正致力于為廈門的光電顯示產(chǎn)業(yè)提供技術支撐，并在產(chǎn)業(yè)鏈上下游的溝通協(xié)調(diào)中發(fā)揮重要作用。
澎湃新聞：為什么廈門的光電顯示產(chǎn)業(yè)能夠發(fā)展起來？相關技術最初的來源是從哪里來的？
黃凱：2000年初，廈門開始著重發(fā)展光電產(chǎn)業(yè)，當時投入了大量的精力和資源，包括國家各個部委的支持，廈門市也出臺了一系列政策來扶持LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當時，LED做得比較好的是日本和中國臺灣，但經(jīng)過十多年的發(fā)展，廈門在全球半導體照明領域取得了顯著的優(yōu)勢地位。巔峰時期，廈門LED照明產(chǎn)品占據(jù)了全球市場近40%的份額。近年來，光電和顯示在一定程度上開始相互融合，照明逐漸轉(zhuǎn)型，并與顯示緊密結合。光電LED在顯示行業(yè)中的應用越來越廣，不僅應用面積在增加，價值鏈也在不斷提升。
廈門市在光電顯示領域的發(fā)展，有一定的偶然性和必然性。其地理位置接近臺灣，文化上的天然交融很大程度助推了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，廈門的起步也并不晚，全球的光電顯示產(chǎn)業(yè)化大約在2000年開始。2003年6月，“國家半導體照明工程”啟動，廈門迅速響應并投入了大量資源以支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當時，連街道辦的主任、副主任，甚至普通科員，見面都在談論LED，確實形成了人人都關心、關注LED發(fā)展的氛圍。在技術來源方面，國內(nèi)的LCD和OLED技術主要來自日本、韓國和中國臺灣。中國付出了不小的代價引進這些生產(chǎn)線，并派遣一批技術骨干前往日本學習，他們在國外學習一兩年后，帶回了先進的技術和經(jīng)驗。
在大陸和臺灣地區(qū)科研力量的支持下，中國逐步發(fā)展壯大了自己的光電顯示產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過20年左右的努力，中國培育出了從科學家到工程師再到企業(yè)經(jīng)營人員的完整光電產(chǎn)業(yè)生態(tài)及人才隊伍。
澎湃新聞：技術演進脈絡是怎樣的？
黃凱：筆記本電腦大約從2010年前后開始輕薄化。2010年之前，主要使用的是LCD液晶顯示屏。LCD本身不發(fā)光，需要背光源來實現(xiàn)顯示功能。其作用是通過選擇性地透過或阻擋背光，來實現(xiàn)圖像。屏幕由很多像素構成，每個像素分割成紅、綠、藍三個子像素。為了顯示紅光，屏幕會遮擋藍光和綠光。因此，除了液晶層作為“閥門”，還需要背光源來照亮屏幕。早期的顯示器背光使用的是小型的日光燈，導致屏幕的厚度受到限制。2010年前后，日光燈管被LED背光替代，極大地降低了屏幕的厚度。背光用的LED芯片只有幾百微米，非常纖薄，因而LED背光迅速地替代了傳統(tǒng)的熒光燈背光。這一變化對LED行業(yè)也是巨大的推動，LED背光占據(jù)了整個LED產(chǎn)量的60%。
隨后出現(xiàn)了OLED（有機發(fā)光二極管）顯示屏，這類屏幕不需要背光。商場門口、會場屏幕等都是采用OLED技術。例如，一個4K分辨率的屏幕，橫向有4000個像素，縱向有2000個像素，共有800萬個像素。每個像素需要能夠顯示紅、綠、藍三種顏色，因此需要2400萬個子像素，每個像素點背后還有一套驅(qū)動電路。由于OLED是小分子材料，容易氧化，因此蒸鍍發(fā)光層和后段封裝相對比較復雜。
Micro-LED是一種無機材料，相對于OLED更穩(wěn)定，因此對封裝的要求較低。LED和LCD等技術在發(fā)展過程中相輔相成，如今慢慢成為競爭性技術。盡管筆記本電腦的絕大部分屏幕仍然是LCD，但背光幾乎全部采用了LED，并出現(xiàn)了兩種背光方式：一種是邊緣裝置的LED通過導光板導入光纖，另一種是使用多顆Mini-LED芯片作為背光源。隨著用戶對產(chǎn)品的期望不斷提高，技術也在不斷進步，新的解決方案不斷涌現(xiàn)。
在LED外延芯片方面，廈門處于領先地位。外延芯片的襯底是單晶材料，外延材料一層層生長，形成不同的功能層，每個功能層的主分和摻雜都不同，需要在高溫下通過精確控制氣體流入，使材料在晶體表面分解、重新化合，逐漸生長，控制精度在納米級別�？傮w來說，顯示技術的發(fā)展趨勢是像素密度不斷提升，芯片尺寸不斷縮小。LCD或OLED與Mini-LED、Micro-LED技術在一定程度上是競爭性或并列的技術。目前有一個共識，至少在中短期內(nèi)，不會有某一項技術完全替代其他技術。每種技術都有其適用的場景和優(yōu)勢，例如，LCD的成本優(yōu)勢使得它仍有很好的市場需求。
澎湃新聞：行業(yè)似乎認為Micro-LED這個解決方案可以“包打天下”，真的存在“包打天下”的方案嗎？
黃凱：通常來說，一個東西越難制備出來，相對來說也越難破壞。制備Micro-LED需要一千度的高溫，而有機化合物通常很難耐受一百度以上的溫度，因此需要使用無機化合物才能更穩(wěn)定。Micro-LED通常使用的是50微米以下的芯片，一根頭發(fā)絲直徑方向上能夠擺放5-6顆芯片，制備難度非常高，此前的機械轉(zhuǎn)移技術已經(jīng)無法滿足要求，需要使用印章式或激光的巨量轉(zhuǎn)移技術。
Micro-LED在目前階段表現(xiàn)出色，以其卓越的穩(wěn)定性和全面的性能指標，成為綜合指標最優(yōu)秀的一種顯示技術。Micro-LED需要高速度、高精度和高良率，對工藝和設備提出了極高的要求。相比之下，Mini-LED和常規(guī)LED的芯片尺寸一般到達不到微米級，可能是毫米級，但由于它距離我們足夠遠，顯示效果依然不錯。傳統(tǒng)的顯示方案是通過遮擋另外兩個子像素來讓需要發(fā)光的子像素發(fā)光，而Micro-LED采用的是自發(fā)光技術，每個子像素都可以獨立發(fā)光，從而實現(xiàn)更高的對比度和色彩表現(xiàn)，這使其在顯示應用中具有巨大的潛力，但也意味著制造和工藝的挑戰(zhàn)更大。直接讓需要發(fā)光的子像素發(fā)光。
在應用層面上，目前來看，100寸以上的大屏幕，幾乎只有Micro-LED能夠?qū)崿F(xiàn)。原因在于Micro-LED可以做到無縫拼接。例如，OLED由于蒸鍍工藝限制，無法做到大面積且均勻的顯示。另外，OLED的驅(qū)動電路也存在減損問題。對于一張完整的大屏幕來說，由于電阻材料的存在，左右兩端加電壓后得到的電流會有所不同，這在屏幕尺寸過大的情況下是難以克服的問題。而Micro-LED可以實現(xiàn)無縫拼接，能夠根據(jù)需求拼接出任意尺寸的大屏幕，同時，像素密度還可以非常高，這是一大優(yōu)勢。我們實驗室的極端能力可以做到15000PPI左右（每英寸15000個像素）。
另外，Micro-LED的亮度也顯著高于其他顯示技術，它可以達到幾百萬尼特，而OLED的最大亮度大約只有一萬尼特。這主要也與其材料特性有關，Micro-LED使用的是無機材料，具有更高的穩(wěn)定性和耐用性。相比之下，OLED使用的有機材料穩(wěn)定性會較差，當大電流注入時，有機材料容易分解，熱效應比較強，導致材料燒壞。
我們實驗室目前能夠制作的顯示屏，像素密度達到六十幾微米，無論將屏幕放得多近，都看不到單獨的像素點，這已經(jīng)可以媲美手機屏幕的顯示效果。LED顯示屏原來主要用于工程類應用，現(xiàn)在從技術上已經(jīng)突破這一限制，可以邁向消費電子市場。然而，在產(chǎn)業(yè)化方面仍有很長的路要走，主要挑戰(zhàn)在于目前成本仍然非常高。
澎湃新聞：從LED照明到LED顯示，這個變化是怎樣發(fā)生的？
黃凱：正因為有LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，才會延伸出未來顯示產(chǎn)業(yè)，并逐步向價值鏈的高端延伸。如果沒有中國，LED可能止步于照明。中國人特別擅長把一個東西做成白菜價。上世紀末到2000年初，國產(chǎn)化之前，一顆LED的價格是6美元，現(xiàn)在一顆LED的價格不到一分錢。
半導體產(chǎn)業(yè)有這樣一個特征，即在成本降低的同時，性能通常會穩(wěn)步提升。半導體行業(yè)的一個重要的特點是，隨著產(chǎn)品成本的降低，市場規(guī)模會快速擴大，逐步走進千家萬戶。規(guī)�；蟛粌H能降低成本，還能催生新的應用。原本高昂的生產(chǎn)成本使得LED最多只能用于照明，而現(xiàn)在LED可以廣泛應用于顯示領域。
對LED來說，應用在顯示屏上的芯片性能要求遠高于照明用途。例如，顯示屏要求色度均勻性，不能這邊更亮一點，那邊更紅一點。
目前，全球最大的LED芯片廠是三安光電，其次是晶元光電和乾照光電。值得注意的是，這三家中的兩家都在廈門。廈門在這個行業(yè)有比較強的優(yōu)勢，探索了更多的應用場景。另外，只要形成技術壁壘，這些企業(yè)可以有很強的輸出能力。高科技產(chǎn)業(yè)不像其他產(chǎn)業(yè)有明顯的區(qū)域市場限制，他們面對的是全球市場，關鍵在于各個城市能在全球市場中分到多大一杯羹。
澎湃新聞：從芯片制備工藝的角度，顯示領域的芯片和集成電路的芯片區(qū)別主要在哪里？
黃凱：光電芯片采用的是氣相外延工藝，而集成電路芯片則使用液相外延工藝。顯示領域的芯片根據(jù)功能來分類，光電器件的芯片稱為光電芯片，功率轉(zhuǎn)換器件稱為功率芯片，還有射頻芯片等。集成電路芯片在橫向上的精度要求很高，需要在一塊硅晶圓上刻槽，槽的寬度達到納米級。LED芯片則有其特殊之處，它在縱向上的精度要求非常高。LED芯片是在一個襯底上通過光刻的方式刻制，通常使用砷化鎵或藍寶石作為襯底材料，通過高溫方式把材料生長出來，襯底是六英寸或四英寸，而不是通過單晶拉制的方式。材料生長過程中需要不斷調(diào)整，LED中間通常有量子阱結構，總的層數(shù)可能達到上百層，每一層的厚度需要精確控制在一納米以下。在極端的情況下，甚至要求一個分子層控制在大約0.2納米的精度。
從技術難度的角度看，我們較早攻克了LED芯片的技術。與集成電路芯片相比，各有不同的技術難點。一個產(chǎn)業(yè)一旦攻克了關鍵技術并處于領先位置，整個產(chǎn)業(yè)鏈會逐步平衡，確保其維持在前沿。如果某個問題被卡脖子，長期沒解決，就會越來越容易受到掣肘，并且影響設備、基礎原材料和工藝等各方面。
LED芯片的尺寸也在不斷縮小。在同樣的外延片上，Micro-LED芯片的數(shù)量比Mini-LED多十倍，但成本并不會增加很多。產(chǎn)業(yè)鏈真正成熟后，Micro-LED反而能降低成本。主要的成本來自轉(zhuǎn)移的過程，Micro-LED通過巨量轉(zhuǎn)移將芯片轉(zhuǎn)移到像素上，然后進行封裝，在上面涂膠，蓋上玻璃板和驅(qū)動背板就可以通電了。
澎湃新聞：未來顯示技術研究院在廈門整個光電顯示產(chǎn)業(yè)版圖中的定位是怎樣的？
黃凱：當時規(guī)劃成立研究院時，廈門市給我們的任務就非常明確，就是要支撐廈門市相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，幫助壯大現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)鏈條。廈門市的眼光非常高，所以在整個開發(fā)過程中，我們與三安光電、天馬微電子等企業(yè)形成了良好的互動。研究院以相對獨立的平臺形式，納入嘉庚實驗室的一體化建設。
我們主要開發(fā)一系列的技術，進行技術轉(zhuǎn)讓，并在成熟的情況下做孵化轉(zhuǎn)化。針對Micro-LED的新型研發(fā)機構，我們在國內(nèi)是第一家。我們和企業(yè)的交流互動及聯(lián)合研發(fā)比較成熟，合作對象都是國內(nèi)最大的LED廠商。
研究院不是一個量產(chǎn)的單位，但很多輔材的供應商都在跟我們合作，因為我們有一條實驗線，各企業(yè)開發(fā)出的新材料，可以送一些樣品到我們這里來驗證。這樣企業(yè)在銷售的時候，可以引用在我們這里打樣的數(shù)據(jù)。這也是我們平臺的重要功能之一，能夠帶動上下游產(chǎn)業(yè)之間的互信。
廈門在這個領域繼續(xù)強鏈補鏈。雖然現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)已經(jīng)集聚到一定規(guī)模，但上下游之間鏈條還不夠完整，相關設備的開發(fā)生產(chǎn)能力及基礎原材料仍有欠缺。制造方面已經(jīng)較為出色，在國內(nèi)算是排頭兵。我們希望能夠進一步發(fā)揮作用，推動更深層次的科技成果轉(zhuǎn)化，不僅是服務產(chǎn)業(yè)，還希望在補鏈方面創(chuàng)造更多的價值。
無論是自主研發(fā)，還是協(xié)助引進相關的團隊或引進一些產(chǎn)業(yè)鏈上下游公司，我們要做的都是扎實的事情。關于基礎原材料是否在廈門本地生產(chǎn)，這需要具體情況具體分析。廈門作為“花園城市”，是否適合發(fā)展化工產(chǎn)業(yè)需要與地方政府探討定位。我們肯定會開展相應的研發(fā)，但研發(fā)后是否適合在廈門落地，還需要進一步討論。
澎湃新聞：研究院通過什么方式激勵創(chuàng)新？
黃凱：我們的研發(fā)團隊由廈大兼職的老師和研究院自聘的全職工程師組成。這批工程師對我們來說特別重要，我們能有現(xiàn)在的成績，他們做出了很大貢獻。
高校的科研導向與產(chǎn)業(yè)上往往不同，過多關注高校的考核指標可能不利于技術開發(fā)和產(chǎn)業(yè)服務。比如，工程師需要專心摸索某一道工藝，而這在高校大概是寫不了論文的。
研究院目前投入產(chǎn)出比很好，芯片的一些關鍵指標已領先于國際水平。例如，兩微米Micro-LED的發(fā)光效率，我們已經(jīng)達到藍光41%、綠光34%，而國際上公開報道的最好水平是藍光約12%、綠光只有8%。這主要得益于廈大在這方面的科研實力以及我們的體制優(yōu)勢，使得工程師能夠?qū)Ｐ拿鞴に�，專注調(diào)整細節(jié)參數(shù)，提升各項指標。
如果以盈利為主要目標，企業(yè)的研發(fā)進步可能會是小步快走的方式，即今天你稍微領先，明天我就更努力一些，投入的科研資源剛好超過對手。這種方式通常很難形成突破性的進步。而我們能夠在一些技術上大幅領先于國際同行，很大程度上是因為工程師團隊能夠?qū)Ｗ⒂谘邪l(fā)。
我們主要通過經(jīng)濟獎勵以及對工程師的高度尊重來激勵創(chuàng)新。作為比較純粹的科研單位，我們不怕失敗，鼓勵創(chuàng)新。我們的科研人員有比較豐富的經(jīng)驗和強大的基礎科研實力，他們提出來的很多想法都是經(jīng)過產(chǎn)業(yè)歷練的，我們稍微過濾和判斷這些想法的可行性，就能形成比較好的研究方向。
