為了更清晰地梳理光電顯示領域的技術難點及未來發展方向，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、嘉庚創新實驗室廈門市未來顯示技術研究院執行院長黃凱教授。黃凱教授所在的廈門市未來顯示技術研究院，是廈門光電產業領域產學研合作的重要環節。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業提供技術支撐，并在產業鏈上下游的溝通協調中發揮重要作用。
澎湃新聞：為什么廈門的光電顯示產業能夠發展起來？相關技術最初的來源是從哪里來的？
黃凱：2000年初，廈門開始著重發展光電產業，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產業的發展。當時，LED做得比較好的是日本和中國臺灣，但經過十多年的發展，廈門在全球半導體照明領域取得了顯著的優勢地位。巔峰時期，廈門LED照明產品占據了全球市場近40%的份額。近年來，光電和顯示在一定程度上開始相互融合，照明逐漸轉型，并與顯示緊密結合。光電LED在顯示行業中的應用越來越廣，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業的發展。同時，廈門的起步也并不晚，全球的光電顯示產業化大約在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業發展。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發展的氛圍。在技術來源方面，國內的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驗。
在大陸和臺灣地區科研力量的支持下，中國逐步發展壯大了自己的光電顯示產業。經過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經營人員的完整光電產業生態及人才隊伍。
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本身不發光，需要背光源來實現顯示功能。其作用是通過選擇性地透過或阻擋背光，來實現圖像。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的熒光燈背光。這一變化對LED行業也是巨大的推動，LED背光占據了整個LED產量的60%。
隨后出現了OLED（有機發光二極管）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動電路。由于OLED是小分子材料，容易氧化，因此蒸鍍發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更穩定，因此對封裝的要求較低。LED和LCD等技術在發展過程中相輔相成，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。
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，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勢，例如，LCD的成本優勢使得它仍有很好的市場需求。
澎湃新聞：行業似乎認為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定。Micro-LED通常使用的是50微米以下的芯片，一根頭發絲直徑方向上能夠擺放5-6顆芯片，制備難度非常高，此前的機械轉移技術已經無法滿足要求，需要使用印章式或激光的巨量轉移技術。
Micro-LED在目前階段表現出色，以其卓越的穩定性和全面的性能指標，成為綜合指標最優秀的一種顯示技術。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。傳統的顯示方案是通過遮擋另外兩個子像素來讓需要發光的子像素發光，而Micro-LED采用的是自發光技術，每個子像素都可以獨立發光，從而實現更高的對比度和色彩表現，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更大。直接讓需要發光的子像素發光。
在應用層面上，目前來看，100寸以上的大屏幕，幾乎只有Micro-LED能夠實現。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可以實現無縫拼接，能夠根據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，具有更高的穩定性和耐用性。相比之下，OLED使用的有機材料穩定性會較差，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，現在從技術上已經突破這一限制，可以邁向消費電子市場。然而，在產業化方面仍有很長的路要走，主要挑戰在于目前成本仍然非常高。
澎湃新聞：從LED照明到LED顯示，這個變化是怎樣發生的？
黃凱：正因為有LED照明產業的發展，才會延伸出未來顯示產業，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，國產化之前，一顆LED的價格是6美元，現在一顆LED的價格不到一分錢。
半導體產業有這樣一個特征，即在成本降低的同時，性能通常會穩步提升。半導體行業的一個重要的特點是，隨著產品成本的降低，市場規模會快速擴大，逐步走進千家萬戶。規�；蟛粌H能降低成本，還能催生新的應用。原本高昂的生產成本使得LED最多只能用于照明，而現在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。廈門在這個行業有比較強的優勢，探索了更多的應用場景。另外，只要形成技術壁壘，這些企業可以有很強的輸出能力。高科技產業不像其他產業有明顯的區域市場限制，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功能來分類，光電器件的芯片稱為光電芯片，功率轉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整，LED中間通常有量子阱結構，總的層數可能達到上百層，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。一個產業一旦攻克了關鍵技術并處于領先位置，整個產業鏈會逐步平衡，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芯片的數量比Mini-LED多十倍，但成本并不會增加很多。產業鏈真正成熟后，Micro-LED反而能降低成本。主要的成本來自轉移的過程，Micro-LED通過巨量轉移將芯片轉移到像素上，然后進行封裝，在上面涂膠，蓋上玻璃板和驅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業版圖中的定位是怎樣的？
黃凱：當時規劃成立研究院時，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業的發展，幫助壯大現有的產業鏈條。廈門市的眼光非常高，所以在整個開發過程中，我們與三安光電、天馬微電子等企業形成了良好的互動。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。
我們主要開發一系列的技術，進行技術轉讓，并在成熟的情況下做孵化轉化。針對Micro-LED的新型研發機構，我們在國內是第一家。我們和企業的交流互動及聯合研發比較成熟，合作對象都是國內最大的LED廠商。
研究院不是一個量產的單位，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，各企業開發出的新材料，可以送一些樣品到我們這里來驗證。這樣企業在銷售的時候，可以引用在我們這里打樣的數據。這也是我們平臺的重要功能之一，能夠帶動上下游產業之間的互信。
廈門在這個領域繼續強鏈補鏈。雖然現在產業已經集聚到一定規模，但上下游之間鏈條還不夠完整，相關設備的開發生產能力及基礎原材料仍有欠缺。制造方面已經較為出色，在國內算是排頭兵。我們希望能夠進一步發揮作用，推動更深層次的科技成果轉化，不僅是服務產業，還希望在補鏈方面創造更多的價值。
無論是自主研發，還是協助引進相關的團隊或引進一些產業鏈上下游公司，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，這需要具體情況具體分析。廈門作為“花園城市”，是否適合發展化工產業需要與地方政府探討定位。我們肯定會開展相應的研發，但研發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新？
黃凱：我們的研發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，我們能有現在的成績，他們做出了很大貢獻。
高校的科研導向與產業上往往不同，過多關注高校的考核指標可能不利于技術開發和產業服務。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的發光效率，我們已經達到藍光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勢，使得工程師能夠專心摸索工藝，專注調整細節參數，提升各項指標。
如果以盈利為主要目標，企業的研發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專注于研發。
我們主要通過經濟獎勵以及對工程師的高度尊重來激勵創新。作為比較純粹的科研單位，我們不怕失敗，鼓勵創新。我們的科研人員有比較豐富的經驗和強大的基礎科研實力，他們提出來的很多想法都是經過產業歷練的，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。
