显示技术及发展现状

OLED、LCD技术的发展和挑战——柔化及透明化显示
哈纳| 10061203 | 2013年3月25日
摘要：文章对对显示技术的发展和OLED技术做了简要介绍，着重对柔化及透明化显示两大方向的技术发展进行了综述。

此外，对世界OLED产业的技术分布进行了总结，并提出了对我国OLED产业的发展的建议。

引言
随着人们对显示器的色彩追求和显示实用性的追求，大约15年前基于等离子技术和液晶技术的平板显示器问世，显示器市场发生了翻天覆地的变化。

显示器市场分为两路大军：LCD和OLED。

但是伴随实用性需求的增强，透明化及柔化的显示技术也问世。

1LCD显示技术
LCD（Liquid Crystal Display）的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。

由于LCD的硬质结构所限，其不能作为柔化显示器。

所以柔化显示器都向OLED方向发展
而透明显示技术方面却有一定的进展2010 年日本夏普公司的一个实验小组发表了一
种利用网状聚合物液晶( Polymer Network LiquidCrystal) 制作的 60 inch 的透明显示板。

相对于分散聚合物液晶( Polymer-Dispersed Liquid Crystal) 而言，网状聚合物液晶的优点是其可以用 TFT 有源矩阵进行驱动且所需要的驱动电压较低。

这种透明显示板油两个工作模式：黑白模式及彩色模式。

黑白模式分为透明态及散射态。

如图 1 所示，当面板工作于透明态时，观看者可以透过面板观察到面板后的光源和物体。

当面板工作于散射态时，面板后的光源及物体发出的光到达面板后会发生散射，对观看者而言，面板上的图像将是模糊的，无法分辨光源及物体。

要使显示屏显示彩色图像，传统液晶显示技术主要使用3 种方法实现彩色显示: ①使用红、绿、蓝三色滤色片; ②向宾主模式液晶加入二色性染料; ③采用背光源颜色高速变化的场序模式。

但是这 3 种方法都不适用于透明显示板。

如果使用滤色片，由于滤色片会吸收光线，必然造成面板的透明度降低;如果使用宾主模式，即使二色性染料排列方向与面板平行，倾斜
方向的透光率仍然很低; 而网状聚合物液晶的响应时间是74 ms，满足不了场序模式的要求。

该实验小组采用投影的方法将彩色图案投影到
显示屏上，如图 2 所示。

该 60 inch 透明液晶显示板使用网状聚合物液晶及 TFT 阵列制作而成，其特性如表 1 所示，其中透明度是在正常直射光的条件下测得的。

表160 inch 网状聚合物液晶透明显示板特性
图 3( a) 是该透明显示板工作在黑白模式下的照片。

图中显示屏上显示字符的部分工作于散射态，其余部分工作于透明态。

图 3( b) 是该透明显示板工作在彩色模式下的照片。

图中显示屏上显示图案的部分工作于散射态，其余部分工作于透明态。

投影仪将图案投影在显示屏上工作于散射态的部分，观看者便能够观看到彩色图案。

由于面板是由TFT 阵列驱动，所以图案可以在屏幕上平滑地移动.
图 3 工作状态下的 60 inch 液晶透明显示板
2012 年 2 月，京东方推出了国内首款透明液晶屏，见图4。

这款 32 inch 彩色透明液晶显
示屏采用京东方高世代线所生产的液晶面板，并应用了京东方独有的宽视角技术，具有全高
清、宽视角( 上下左右视角均达到
178°) 和高对比度( 1200∶1) 等特色。

与传统的液晶面板相比，该透明显示
屏可以利用普通的环境光满足背光需
求，而不需要背光模块充当光源来显
示图像，白天几乎不需要开启背光，
其电力消耗只是普通液晶显示的十分
之一左右。

对于液晶显示技术来说，
由于液晶的特性，实现透明显示并不
困难，透明度也比较高。

但是，传统的背光源无法在液晶透明显示板中使用。

对于这个问题，有以下 2 种解决办法: ( 1) 依靠外界
光( 包括自然光或使用投影仪等) 进行显示; ( 2) 将光源置于面板的边侧，辅以导光板。

前一种
方法适于用在大尺寸液晶透明显示板，而后一种方法可用在小尺寸液晶透明显示板。

若能将光源问题解决，并提高液晶分子的响应速度，液晶透明显示有很大的发展空间。

2.1O LED显示技术
有机电致发光显示( OLED) 是自 20 世纪中期发展起来的一种新型显示技术，其原理是通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复合产生可见光。

与LCD 相比，OLED 具有全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超薄、低功耗、无视角限制、工作温度范围宽等诸多优点，加上其器件结构很适合作为透明显示面板，因此目前基于 OLED 的透明显示技术发展十分迅速，是研究的热点。

根据器件电极结构的不同，有源驱动有机电致发光显示( AMOLED) 可以分为顶部发射型、底部发射型和顶部底部同时发射型 3 类
2.2柔性显示技术
2.2.1 柔性显示发展历程
随着社会的发展，柔性显示技术的优势日益突出，由于其轻薄、可弯曲、便于携带的优点在手机、笔记本电脑、电子书等显示方面的应用研究也越来越多。

目前，主要有
LCD、OLED、EPD 三种技术可以用于柔性显示。

针对 OLED 比较薄，能够在柔性基板上制造这一特点，自 OLED 出现以来，就被认为在可弯曲、柔性显示方面具有潜在优势。

1992 年，美国加州大学Heeger 研究小组，在 Nature 上首次报道了柔性OLED，他们采用聚苯胺(PANI)或聚苯胺混合物，利用旋涂法在柔性透明衬底材料PET 上制成导电膜，作为 OLED 发光器件的透明阳极。

这一研究成果拉开了 OLED 柔性显示的序幕。

2003 年日本先锋推出了 15in 像素为 160×120全彩 PM- OLED 柔性显示器，其重量仅有 3g，亮度为 70cd／m2，驱动电压为 9V。

2005 年 Plastic Logic 公司在第 12 届国际显示器产品展上展示了其开发的柔性OLED（FOLED）显示屏，这款 10in 的 SVGA（600x800）有源矩阵性（AM）显示屏支持 100ppi分辨率，四级灰度，厚度不超过 0.4mm。

基板采用了 DuPont Teijin Films 提供的低温 PET，前板为美国 E- Ink 电子纸前板。

这款产品的柔韧性能非常出色，可在显示器下面安放一个压力传感器实现触摸屏的功能而毫不影响其光学性能。

2008 年，三星公司推出了其4in 的柔性OLED显示屏，对比度可达1,000,000：1，亮度为 200cd/m2，而它的厚度非常之薄———仅有 0.05 mm。

目前许多厂商都推出了可折叠或可弯曲的OLED 屏幕，如在今年举行的 CES 2009 展会上，三星和索尼分别推出了可折叠 OLED 显示屏，索尼还宣布可能将这项技术使用在以后推出的音乐播放器上。

但就目前产业发展来说，柔性 OLED 还只是处于样机阶段，距离产业化的完全可卷曲的尤其是大尺寸柔性 OLED 显示还有一段距离。

2.2.2 柔性衬底
柔性显示中柔性衬底的选择至关重要。

柔性衬底包括聚合物柔性衬底、金属箔片、超薄玻璃、石墨烯等。

目前产业中通常所采用聚合物及金属箔片衬底。

柔性聚合物衬底材料主要有 PET、PEN 等。

柔性衬底具有易于制备、质量轻、柔韧性更好等优点，但
是这些材料对氧及水的阻挡作用很弱，不足以达到显示设备的要求。

在实际应用中，还
需要采取其他措施以提高阻隔效果。

如采用聚合物与无机材料交替堆叠的办法，可以将阻隔效果提高几十倍。

另一方面，聚合物衬底不能承受高温，这对在其上制作 TFT及
OLED造成了很多不便。

这些问题极大地限制了聚合物柔性衬底的商业化进程。

相比聚合物衬底，金属箔片（厚度约为几十微米）在高温工艺下的稳定性更好，材料获取也比较容易，因而是目前柔性显示中应用较多的衬底材料。

如LG4- in 的 AMOLED 采用了不锈钢衬底材料作为柔性衬底。

2008 年 UDC 也发布了一款柔性 OLED，厚度不足 50μm，采用 25μm 的金属箔片作为衬底。

但是金属箔片同时也存在一些问题，包括表面粗糙度太大，需要进行平坦化处理；金属的不透明性，需要采用顶发射结构，而研究比较成熟的 OLED 为底发射结构，这就对 OLED 的制备提出了更多要求。

石墨烯具有优异的机械韧性及电学性能，透明并且可以任意弯曲，是一种具有很大优势的潜在柔性衬底材料。

美国IBM的研究人员制作出采用碳材料)单层石墨烯作为透明电极的O比D元件,并获得了与采用ITO时几乎相同的发光特性"该技术采用化学气相沉积法在铜箔上合成的单层石墨烯转印至玻璃基板或柔性树脂基板上,制成了OLED元件"通过涂布工艺向石墨烯中掺杂分子材料,在提高导电性的同时,实现了函数控制并提高了向有机层注入空穴的性能;通过设置界面层,降低了石墨烯与有机层的接触电阻"研究人员分别制作出了采用玻璃基板和柔性基板的绿色发光和白色发光O比D元件"在利用转印到玻璃基板上的石墨烯制作的OLED元件电流发光效率方面,绿色元件达到了80cd/A(亮度为2000cd/m2),白色元件达到了45cd/A(亮度为3000cd/m2)。

均高于此前透明电极采用碳纳米管及多层石墨烯制作的OLED元件。

该OLED元件采用单层石墨烯作为透明电极具有比ITO 元件柔性好且耐弯曲!材料费便宜!制作成本低等特点。

3.1 透明显示技术的发展
2004 年 7 月，UDC 公司得到了美国能源部 10万美元的资助用于研究透明和高效磷光 OLED，仅10 个月后，他们便推出了世界上第一款高分辨率、有源驱动的单色透明 OLED 显示器件。

该器件结合UDC 公司的高效磷光 OLED 技术，采用非晶硅 TFT
驱动，120 x 160 (QQVGA)，200dpi。

2005 年底，德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会的科学家，通过采用一种新型透明金属电极，成功研制出了高性能、长寿命的聚合物透明 OLED 器件，使得人们看到了透明 OLED 商业化的曙光。

2006 年 3 月，德国布伦瑞克技术大学的研究人员首次将透明的 TFT 运用到透明 OLED 中。

采用100nm 厚的氧化锡锌薄膜制备的透明 TFT，其可见光区的透过率高达 90%，可驱动器件亮度在0~700cd/m2间调节，同时，由于该
TFT的厚度较小，且沉积温度较低，使得器件的制造成本较低，并且可以制作在塑料等柔性衬底上。

2007 年 6 月，普渡大学和西北大学合作开发的新型透明 TFT，结合氧化锌和氧铟纳米线结构，其实际表现甚至优于传统的 TFT，并且可以卷曲，更适于制作在柔性衬底上。

2008 年 4 月，UDC 公司的透明 OLED 器件的效率已达到 45 lm/W，欧司朗则在亮度为 1,000 cd/m2下效率达到 20 lm/W。

2008 年 10 月，三星 SDI 在 FPD International上展出了 12.1in 的全彩窗口显示器，采用多晶硅 TFT驱动，亮度达到了 200 cd/m2。

近两年，随着 OLED 产业化的高速发展，越来越多的厂商加入到透明 OLED 显示的研发行列中。

日本索尼公司已将透明 OLED 做到了眼镜的镜片上，飞利浦也将透明 OLED 的研制纳入了未来的计划中。

照明巨头欧司朗则已经在白光透明 OLED 上处于世界领先的地位。

相信随着更多厂商和研究机构的投入，必然会加速透明 OLED 发展。

3.2 透明显示技术面临的问题
透明 OLED 本质上讲，仅仅是在 OLED 基础上的改进，因此，一些 OLED 亟待解决的问题，同时也是制约透明 OLED 发展的因素，如器件的发光效率、寿命、全彩等方面的问题。

另外，在可见光区高透过率的金属电极、以及透明 TFT则是今后透明 OLED 研发的两个重要方向。

小结
专利申请量近年呈稳定增加趋势，是OLED 产业的主要发展方向；韩国、日本、中国台湾占
优势地位；三星和 LG 是此领域的龙头企业；技术领域主要集中在电致发光光源、控制装置和电路上。

我国液晶产业由于不掌握核心技术，重蹈 CRT 彩电技术“引进——落后——再引进——再落后”的覆辙。

为避免这一状况再次发生，在第三代显示技术差距并未太远之际，我
国应大力扶持 OLED 尤其是 AMOLED，争取显示领域的主动权，重视与技术、产业具同等重要地位的该领域的专利布局。

一方面积极争取知识产权实力雄厚的大厂（如三星）的许可授权，另一方面在其还未充分开展专利申请的领域积极研发，掌握具有自主知识产权的核心技术。

参考文献
[1]AMOLED技术领域全球专利布局分析《中国集成电路》 2012 1-2.
[2]透明显示技术的进展《电子器件》 2012.12.
[3]用于低功耗_非刚性平面应用的柔性AMOLED器件《Information Display》2010.
[4] OLED_柔性_透明化显示技术及有机发光材料的发展和挑战《现代显示》2009.6。