作為閩臺(tái)合作的橋梁，廈門依托獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，通過招商引資和“一企一策”的政策服務(wù)，奠定了堅(jiān)實(shí)的光電顯示產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。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(jī)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(shù)進(jìn)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(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展方向，澎湃新聞?dòng)浾卟稍L了廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)、嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室廈門市未來(lái)顯示技術(shù)研究院執(zhí)行院長(zhǎng)黃凱教授。黃凱教授所在的廈門市未來(lái)顯示技術(shù)研究院，是廈門光電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研合作的重要環(huán)節(jié)。作為這一領(lǐng)域的杰出科學(xué)家，黃凱和他的團(tuán)隊(duì)正致力于為廈門的光電顯示產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)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(lái)？相關(guān)技術(shù)最初的來(lái)源是從哪里來(lái)的？
黃凱：2000年初，廈門開始著重發(fā)展光電產(chǎn)業(yè)，當(dāng)時(shí)投入了大量的精力和資源，包括國(guó)家各個(gè)部委的支持，廈門市也出臺(tái)了一系列政策來(lái)扶持LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)時(shí)，LED做得比較好的是日本和中國(guó)臺(tái)灣，但經(jīng)過十多年的發(fā)展，廈門在全球半導(dǎo)體照明領(lǐng)域取得了顯著的優(yōu)勢(shì)地位。巔峰時(shí)期，廈門LED照明產(chǎn)品占據(jù)了全球市場(chǎng)近40%的份額。近年來(lái)，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(jié)合。光電LED在顯示行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣，不僅應(yīng)用面積在增加，價(jià)值鏈也在不斷提升。
廈門市在光電顯示領(lǐng)域的發(fā)展，有一定的偶然性和必然性。其地理位置接近臺(tái)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(shí)，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(guó)家半導(dǎo)體照明工程”啟動(dòng)，廈門迅速響應(yīng)并投入了大量資源以支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)時(shí)，連街道辦的主任、副主任，甚至普通科員，見面都在談?wù)揕ED，確實(shí)形成了人人都關(guān)心、關(guān)注LED發(fā)展的氛圍。在技術(shù)來(lái)源方面，國(guó)內(nèi)的LCD和OLED技術(shù)主要來(lái)自日本、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣。中國(guó)付出了不小的代價(jià)引進(jìn)這些生產(chǎn)線，并派遣一批技術(shù)骨干前往日本學(xué)習(xí)，他們?cè)趪?guó)外學(xué)習(xí)一兩年后，帶回了先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。
在大陸和臺(tái)灣地區(qū)科研力量的支持下，中國(guó)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(guó)培育出了從科學(xué)家到工程師再到企業(yè)經(jīng)營(yíng)人員的完整光電產(chǎn)業(yè)生態(tài)及人才隊(duì)伍。
澎湃新聞：技術(shù)演進(jìn)脈絡(luò)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(lái)實(shí)現(xiàn)顯示功能。其作用是通過選擇性地透過或阻擋背光，來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像。屏幕由很多像素構(gòu)成，每個(gè)像素分割成紅、綠、藍(lán)三個(gè)子像素。為了顯示紅光，屏幕會(huì)遮擋藍(lán)光和綠光。因此，除了液晶層作為“閥門”，還需要背光源來(lái)照亮屏幕。早期的顯示器背光使用的是小型的日光燈，導(dǎo)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(duì)LED行業(yè)也是巨大的推動(dòng)，LED背光占據(jù)了整個(gè)LED產(chǎn)量的60%。
隨后出現(xiàn)了OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）顯示屏，這類屏幕不需要背光。商場(chǎng)門口、會(huì)場(chǎng)屏幕等都是采用OLED技術(shù)。例如，一個(gè)4K分辨率的屏幕，橫向有4000個(gè)像素，縱向有2000個(gè)像素，共有800萬(wàn)個(gè)像素。每個(gè)像素需要能夠顯示紅、綠、藍(lán)三種顏色，因此需要2400萬(wàn)個(gè)子像素，每個(gè)像素點(diǎn)背后還有一套驅(qū)動(dòng)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(duì)比較復(fù)雜。
Micro-LED是一種無(wú)機(jī)材料，相對(duì)于OLED更穩(wěn)定，因此對(duì)封裝的要求較低。LED和LCD等技術(shù)在發(fā)展過程中相輔相成，如今慢慢成為競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)。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(dǎo)光板導(dǎo)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(duì)產(chǎn)品的期望不斷提高，技術(shù)也在不斷進(jìn)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(lǐng)先地位。外延芯片的襯底是單晶材料，外延材料一層層生長(zhǎng)，形成不同的功能層，每個(gè)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(zhǎng)，控制精度在納米級(jí)別�？傮w來(lái)說(shuō)，顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(shù)在一定程度上是競(jìng)爭(zhēng)性或并列的技術(shù)。目前有一個(gè)共識(shí)，至少在中短期內(nèi)，不會(huì)有某一項(xiàng)技術(shù)完全替代其他技術(shù)。每種技術(shù)都有其適用的場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)，例如，LCD的成本優(yōu)勢(shì)使得它仍有很好的市場(chǎng)需求。
澎湃新聞：行業(yè)似乎認(rèn)為Micro-LED這個(gè)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(lái)說(shuō)，一個(gè)東西越難制備出來(lái)，相對(duì)來(lái)說(shuō)也越難破壞。制備Micro-LED需要一千度的高溫，而有機(jī)化合物通常很難耐受一百度以上的溫度，因此需要使用無(wú)機(jī)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(jī)械轉(zhuǎn)移技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足要求，需要使用印章式或激光的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)。
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(biāo)，成為綜合指標(biāo)最優(yōu)秀的一種顯示技術(shù)。Micro-LED需要高速度、高精度和高良率，對(duì)工藝和設(shè)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(dá)不到微米級(jí)，可能是毫米級(jí)，但由于它距離我們足夠遠(yuǎn)，顯示效果依然不錯(cuò)。傳統(tǒng)的顯示方案是通過遮擋另外兩個(gè)子像素來(lái)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(shù)，每個(gè)子像素都可以獨(dú)立發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)更高的對(duì)比度和色彩表現(xiàn)，這使其在顯示應(yīng)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(yīng)用層面上，目前來(lái)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(wú)縫拼接。例如，OLED由于蒸鍍工藝限制，無(wú)法做到大面積且均勻的顯示。另外，OLED的驅(qū)動(dòng)電路也存在減損問題。對(duì)于一張完整的大屏幕來(lái)說(shuō)，由于電阻材料的存在，左右兩端加電壓后得到的電流會(huì)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接，能夠根據(jù)需求拼接出任意尺寸的大屏幕，同時(shí)，像素密度還可以非常高，這是一大優(yōu)勢(shì)。我們實(shí)驗(yàn)室的極端能力可以做到15000PPI左右（每英寸15000個(gè)像素）。
另外，Micro-LED的亮度也顯著高于其他顯示技術(shù)，它可以達(dá)到幾百萬(wàn)尼特，而OLED的最大亮度大約只有一萬(wàn)尼特。這主要也與其材料特性有關(guān)，Micro-LED使用的是無(wú)機(jī)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(jī)材料穩(wěn)定性會(huì)較差，當(dāng)大電流注入時(shí)，有機(jī)材料容易分解，熱效應(yīng)比較強(qiáng)，導(dǎo)致材料燒壞。
我們實(shí)驗(yàn)室目前能夠制作的顯示屏，像素密度達(dá)到六十幾微米，無(wú)論將屏幕放得多近，都看不到單獨(dú)的像素點(diǎn)，這已經(jīng)可以媲美手機(jī)屏幕的顯示效果。LED顯示屏原來(lái)主要用于工程類應(yīng)用，現(xiàn)在從技術(shù)上已經(jīng)突破這一限制，可以邁向消費(fèi)電子市場(chǎng)。然而，在產(chǎn)業(yè)化方面仍有很長(zhǎng)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(gè)變化是怎樣發(fā)生的？
黃凱：正因?yàn)橛蠰ED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，才會(huì)延伸出未來(lái)顯示產(chǎn)業(yè)，并逐步向價(jià)值鏈的高端延伸。如果沒有中國(guó)，LED可能止步于照明。中國(guó)人特別擅長(zhǎng)把一個(gè)東西做成白菜價(jià)。上世紀(jì)末到2000年初，國(guó)產(chǎn)化之前，一顆LED的價(jià)格是6美元，現(xiàn)在一顆LED的價(jià)格不到一分錢。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有這樣一個(gè)特征，即在成本降低的同時(shí)，性能通常會(huì)穩(wěn)步提升。半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)重要的特點(diǎn)是，隨著產(chǎn)品成本的降低，市場(chǎng)規(guī)模會(huì)快速擴(kuò)大，逐步走進(jìn)千家萬(wàn)戶。規(guī)模化后不僅能降低成本，還能催生新的應(yīng)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(yīng)用于顯示領(lǐng)域。
對(duì)LED來(lái)說(shuō)，應(yīng)用在顯示屏上的芯片性能要求遠(yuǎn)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(diǎn)，那邊更紅一點(diǎn)。
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(gè)行業(yè)有比較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，探索了更多的應(yīng)用場(chǎng)景。另外，只要形成技術(shù)壁壘，這些企業(yè)可以有很強(qiáng)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(chǎng)限制，他們面對(duì)的是全球市場(chǎng)，關(guān)鍵在于各個(gè)城市能在全球市場(chǎng)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(lǐng)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(lǐng)域的芯片根據(jù)功能來(lái)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(dá)到納米級(jí)。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(gè)襯底上通過光刻的方式刻制，通常使用砷化鎵或藍(lán)寶石作為襯底材料，通過高溫方式把材料生長(zhǎng)出來(lái)，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(zhǎng)過程中需要不斷調(diào)整，LED中間通常有量子阱結(jié)構(gòu)，總的層數(shù)可能達(dá)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(gè)分子層控制在大約0.2納米的精度。
從技術(shù)難度的角度看，我們較早攻克了LED芯片的技術(shù)。與集成電路芯片相比，各有不同的技術(shù)難點(diǎn)。一個(gè)產(chǎn)業(yè)一旦攻克了關(guān)鍵技術(shù)并處于領(lǐng)先位置，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈會(huì)逐步平衡，確保其維持在前沿。如果某個(gè)問題被卡脖子，長(zhǎng)期沒解決，就會(huì)越來(lái)越容易受到掣肘，并且影響設(shè)備、基礎(chǔ)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(huì)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(lái)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(jìn)行封裝，在上面涂膠，蓋上玻璃板和驅(qū)動(dòng)背板就可以通電了。
澎湃新聞：未來(lái)顯示技術(shù)研究院在廈門整個(gè)光電顯示產(chǎn)業(yè)版圖中的定位是怎樣的？
黃凱：當(dāng)時(shí)規(guī)劃成立研究院時(shí)，廈門市給我們的任務(wù)就非常明確，就是要支撐廈門市相關(guān)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(gè)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(dòng)。研究院以相對(duì)獨(dú)立的平臺(tái)形式，納入嘉庚實(shí)驗(yàn)室的一體化建設(shè)。
我們主要開發(fā)一系列的技術(shù)，進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓，并在成熟的情況下做孵化轉(zhuǎn)化。針對(duì)Micro-LED的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)，我們?cè)趪?guó)內(nèi)是第一家。我們和企業(yè)的交流互動(dòng)及聯(lián)合研發(fā)比較成熟，合作對(duì)象都是國(guó)內(nèi)最大的LED廠商。
研究院不是一個(gè)量產(chǎn)的單位，但很多輔材的供應(yīng)商都在跟我們合作，因?yàn)槲覀冇幸粭l實(shí)驗(yàn)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(lái)驗(yàn)證。這樣企業(yè)在銷售的時(shí)候，可以引用在我們這里打樣的數(shù)據(jù)。這也是我們平臺(tái)的重要功能之一，能夠帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)之間的互信。
廈門在這個(gè)領(lǐng)域繼續(xù)強(qiáng)鏈補(bǔ)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(guān)設(shè)備的開發(fā)生產(chǎn)能力及基礎(chǔ)原材料仍有欠缺。制造方面已經(jīng)較為出色，在國(guó)內(nèi)算是排頭兵。我們希望能夠進(jìn)一步發(fā)揮作用，推動(dòng)更深層次的科技成果轉(zhuǎn)化，不僅是服務(wù)產(chǎn)業(yè)，還希望在補(bǔ)鏈方面創(chuàng)造更多的價(jià)值。
無(wú)論是自主研發(fā)，還是協(xié)助引進(jìn)相關(guān)的團(tuán)隊(duì)或引進(jìn)一些產(chǎn)業(yè)鏈上下游公司，我們要做的都是扎實(shí)的事情。關(guān)于基礎(chǔ)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(huì)開展相應(yīng)的研發(fā)，但研發(fā)后是否適合在廈門落地，還需要進(jìn)一步討論。
澎湃新聞：研究院通過什么方式激勵(lì)創(chuàng)新？
黃凱：我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(duì)我們來(lái)說(shuō)特別重要，我們能有現(xiàn)在的成績(jī)，他們做出了很大貢獻(xiàn)。
高校的科研導(dǎo)向與產(chǎn)業(yè)上往往不同，過多關(guān)注高校的考核指標(biāo)可能不利于技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)服務(wù)。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(guān)鍵指標(biāo)已領(lǐng)先于國(guó)際水平。例如，兩微米Micro-LED的發(fā)光效率，我們已經(jīng)達(dá)到藍(lán)光41%、綠光34%，而國(guó)際上公開報(bào)道的最好水平是藍(lán)光約12%、綠光只有8%。這主要得益于廈大在這方面的科研實(shí)力以及我們的體制優(yōu)勢(shì)，使得工程師能夠?qū)Ｐ拿鞴に嚕瑢Ｗ⒄{(diào)整細(xì)節(jié)參數(shù)，提升各項(xiàng)指標(biāo)。
如果以盈利為主要目標(biāo)，企業(yè)的研發(fā)進(jìn)步可能會(huì)是小步快走的方式，即今天你稍微領(lǐng)先，明天我就更努力一些，投入的科研資源剛好超過對(duì)手。這種方式通常很難形成突破性的進(jìn)步。而我們能夠在一些技術(shù)上大幅領(lǐng)先于國(guó)際同行，很大程度上是因?yàn)楣こ處焾F(tuán)隊(duì)能夠?qū)Ｗ⒂谘邪l(fā)。
我們主要通過經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)以及對(duì)工程師的高度尊重來(lái)激勵(lì)創(chuàng)新。作為比較純粹的科研單位，我們不怕失敗，鼓勵(lì)創(chuàng)新。我們的科研人員有比較豐富的經(jīng)驗(yàn)和強(qiáng)大的基礎(chǔ)科研實(shí)力，他們提出來(lái)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。
