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平板显示技术比较及研究进展

李继军 聂晓梦 李根生 王安祥 张伟光 郎风超 杨连祥

李继军, 聂晓梦, 李根生, 王安祥, 张伟光, 郎风超, 杨连祥. 平板显示技术比较及研究进展[J]. 中国光学, 2018, 11(5): 695-710. doi: 10.3788/CO.20181105.0695
引用本文: 李继军, 聂晓梦, 李根生, 王安祥, 张伟光, 郎风超, 杨连祥. 平板显示技术比较及研究进展[J]. 中国光学, 2018, 11(5): 695-710. doi: 10.3788/CO.20181105.0695
LI Ji-jun, NIE Xiao-meng, LI Gen-sheng, WANG An-xiang, ZHANG Wei-guang, LANG Feng-chao, YANG Lian-xiang. Comparison and research progress of flat panel display technology[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 695-710. doi: 10.3788/CO.20181105.0695
Citation: LI Ji-jun, NIE Xiao-meng, LI Gen-sheng, WANG An-xiang, ZHANG Wei-guang, LANG Feng-chao, YANG Lian-xiang. Comparison and research progress of flat panel display technology[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 695-710. doi: 10.3788/CO.20181105.0695

平板显示技术比较及研究进展

doi: 10.3788/CO.20181105.0695
基金项目: 

国家自然科学基金 11562016

国家自然科学基金 11762013

国家自然科学基金 11672045

内蒙古自然科学基金 2018MS01013

国家留学基金项目 20145049

陕西省自然科学基金 2016JM1018

陕西省教育厅科研项目 16JK1327

内蒙古工业大学科研项目 16JK1327

详细信息
    作者简介:

    李继军(1977-), 男, 内蒙古呼和浩特人, 博士, 副教授, 主要从事主要从事光学测试技术方面的研究。E-mail:ji_jun_li@163.com

  • 中图分类号: TN27;TN873

Comparison and research progress of flat panel display technology

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 11562016

National Natural Science Foundation of China 11762013

National Natural Science Foundation of China 11672045

Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region 2018MS01013

Foundation of China Scholarship Council 20145049

National Natural Science Foundation of Shaanxi Province 2016JM1018

Scientific Research Project of Shaanxi Education Department 16JK1327

Scientific Research Project of Inner Mongolia University of Technology 16JK1327

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-05
  • 修回日期:  2018-04-09
  • 刊出日期:  2018-10-01

平板显示技术比较及研究进展

doi: 10.3788/CO.20181105.0695
    基金项目:

    国家自然科学基金 11562016

    国家自然科学基金 11762013

    国家自然科学基金 11672045

    内蒙古自然科学基金 2018MS01013

    国家留学基金项目 20145049

    陕西省自然科学基金 2016JM1018

    陕西省教育厅科研项目 16JK1327

    内蒙古工业大学科研项目 16JK1327

    作者简介:

    李继军(1977-), 男, 内蒙古呼和浩特人, 博士, 副教授, 主要从事主要从事光学测试技术方面的研究。E-mail:ji_jun_li@163.com

  • 中图分类号: TN27;TN873

摘要: 平板显示因具有体积小、重量轻、功耗低、画质好等优点,已被广泛应用于电子仪表显示、车载显示、数码相机、智能手机、个人电脑、电视产品等领域之中。本文介绍了薄膜晶体管液晶显示(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD)、有机发光二极管Organic Light Emitting Diode(OLED)显示、量子点发光二极管Quantum Dot Light Emitting Diode(QLED)显示及微发光二极管(Micro-LED)显示这几种平板显示技术的结构及原理。从结构、材料、性能、应用几方面对这几种平板显示技术进行了比较。最后给出了这几种平板显示技术的最新研究进展。LCD显示经过多年发展,技术成熟,成本低廉,仍然在显示市场占据主流地位。OLED显示技术摆脱了传统LCD的背光源,开创了自发光显示的未来发展方向。在相当一段时期内,LCD和OLED仍将会共存于市场中,相互竞争和补充。QLED显示和Micro-LED显示这两种显示技术,在理论上较OLED显示具有更好的颜色表现、更长的工作寿命等优势,具有非常广阔的发展前景,将为未来显示行业提供更多更好的选择。

English Abstract

李继军, 聂晓梦, 李根生, 王安祥, 张伟光, 郎风超, 杨连祥. 平板显示技术比较及研究进展[J]. 中国光学, 2018, 11(5): 695-710. doi: 10.3788/CO.20181105.0695
引用本文: 李继军, 聂晓梦, 李根生, 王安祥, 张伟光, 郎风超, 杨连祥. 平板显示技术比较及研究进展[J]. 中国光学, 2018, 11(5): 695-710. doi: 10.3788/CO.20181105.0695
LI Ji-jun, NIE Xiao-meng, LI Gen-sheng, WANG An-xiang, ZHANG Wei-guang, LANG Feng-chao, YANG Lian-xiang. Comparison and research progress of flat panel display technology[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 695-710. doi: 10.3788/CO.20181105.0695
Citation: LI Ji-jun, NIE Xiao-meng, LI Gen-sheng, WANG An-xiang, ZHANG Wei-guang, LANG Feng-chao, YANG Lian-xiang. Comparison and research progress of flat panel display technology[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 695-710. doi: 10.3788/CO.20181105.0695
    • 诞生于上个世纪60年代的薄膜晶体管液晶显示(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT-LCD)技术[1-4]经过近30年的不断发展和改良, 于1991年由日本企业率先正式应用于商业化笔记本电脑, 逐步取代传统的CRT显示产品, 开创了平板显示的新时代。TFT-LCD具有色彩逼真、画质清晰、轻薄节能等优点, 在许多领域都有着广泛的应用[5-7]。除TFT-LCD外, 平板显示技术还包括有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode, OLED)显示[8-13]、量子点发光二极管(Quantum Dot Light Emitting Diode, QLED)显示[14-17]、微发光二极管(Micro-LED)显示[18-21]等新型显示技术。OLED技术的研究起源于美籍华裔科学家邓青云教授。1979年,邓青云教授于在伊士曼柯达公司Rochester实验室发现了OLED。直到1987年,邓青云和Steven Van Slyke等人发明了以真空蒸镀法制成的多层结构的高性能OLED器件后,关于OLED技术的研究才逐渐活跃起来。1997年, 日本先锋公司在全球率先推出了OLED车载显示器,使OLED显示屏首次进入商业化领域。近年来,OLED显示技术逐渐发展成熟,OLED显示产业正处于快速发展阶段。胶体量子点的量子限域效应于上世纪80年代初由贝尔实验室的Louis Brus博士和前苏联Yoffe研究所的Alexander Efros和Victor.I.Klimov博士发现。近年来, 随着量子点制备技术的不断提高, 量子点在显示领域的应用得到了广泛关注。采用量子点背光源技术, 可大幅提高LCD器件的色域和亮度, 从而使LCD器件拥有更高的显色性和色彩还原能力。但量子点背光源技术属于光致发光, 仍然是依托于背光源的被动发光技术, 光利用率不高。QLED显示作为电致发光的自发光显示技术, 其在色彩纯度、稳定性、发光效率及制造成本等方面较OLED显示更具有优势。Micro-LED显示是LED显示技术发展的必然趋势。Micro-LED显示技术已经发展了十几年,世界上多个研究组在开展相关的研究工作。尤其在过去的5年里,Micro-LED显示技术的研发进度明显加快,开发基于micro LED的显示器件已成为显示行业的研究热点之一。在2014年苹果公司收购Micro LED屏公司LuxVue Technology之后,Micro-LED显示技术已经陆续吸引了Sony、Goggle、Facebook及全球显示器供应链多家企业的积极投入。Micro-LED显示作为一种自发光显示技术,具有更宽的色域、带来更高的亮度、更低的功耗、更长的使用寿命、更强的耐用性和更好的环境稳定性,被认为是继TFT-LCD和OLED显示技术之后全新的颇具活力的显示技术。

      不同的平板显示技术各有优点,也存在不足,对不同的平板显示技术做一个比较和分析是十分必要的。本文将从结构、原理、性能及应用领域几个方面对TFT-LCD OLED显示、QLED显示、Micro-LED显示这几种平板显示技术做一比较, 并给出这几种平板显示技术的最新进展。

    • 典型的TFT-LCD显示的基本结构如图 1所示,在上、下两层玻璃基板之间夹一层液晶材料, 形成平行板电容器, 其中上玻璃基板贴有彩色滤光片, 下玻璃基板则有薄膜晶体管镶嵌于上[22]。上下两块偏光板的光学偏振方向互相垂直, 即相位差为90°。背光模组用来提供均匀的背景光源。以不加电压液晶面板为亮态(即常白态)为例, 背光源发射出来的非偏振光通过下偏光板成为线偏振光, 下玻璃极板上的薄膜晶体管用来对每个像素位置施加电压, 以控制液晶转向。如果某个像素位置没有电压, 由于晶体的旋光特性, 该线偏振光的偏振方向将旋转90°, 正好与上偏光板的偏振方向相同, 则光线顺利通过, 则该像素显示状态为亮。如果某个像素位置有电压, 该像素区域的液晶的旋光特性将消失, 通过液晶的光线的偏振状态不变, 因此光线无法通过上偏光板, 则该像素显示状态为暗。此外,因为上层玻璃基板与彩色滤光片贴合, 彩色滤光片使每个像素包含红蓝绿三原色, 从而使其呈现出某一特定的颜色,这些不同颜色的像素呈现出来的就是面板前端的图像。

      图  1  TFT-LCD的基本结构

      Figure 1.  Basic structure of TFT-LCD0

    • OLED显示属于自发光显示技术,典型的有源矩阵有机发光二极管(Active Matrix Organic Light Emitting Diode, AMOLED)显示的基本结构如图 2所示。在玻璃基板上通过喷墨打印、有机气相沉积或真空热蒸发等工艺,形成阳极、空穴传输层、有机发光层、电子传输层和阴极.当对OLED器件施加电压时, 金属阴极产生电子,ITO阳极产生空穴,在电场力的作用下,电子穿过电子传输层,空穴穿过空穴传输层,二者在有机发光层相遇, 电子和空穴分别带正电和负电,它们相互吸引,在吸引力(库仑力)的作用下被束缚在一起,形成了激子。激子激发发光分子,使得发光分子的能量提高,处于激发状态,而处于激发状态的分子是不稳定的,它想回到稳定状态,在极短的时间内,它放出能量回到稳定状态,而放出的能量就以光子的形式发出。由于ITO阳极是透明的,所以可看到发出的光。不同的有机发光材料发出不同颜色的光,依配方不同, 可产生红,绿,蓝三原色,构成基本色彩。AMOLED的每个像素都配备具有开关功能的低温多晶硅薄膜晶体管(Low Temperature Poly-Si Thin Film Transistor, LTP-Si TFT),通过TFT开关控制电流大小来改变器件发光亮度,从而实现对每个像素点的精确控制。每个OLED显示单元(像素点)都能产生3种不同颜色的光, 从而可实现彩色显示[23]

      图  2  AMOLED显示的基本结构

      Figure 2.  Basic structure of OLED display

    • QLED显示属于自发光显示技术, 其基本结构如图 3所示,与OLED技术非常相似, 由玻璃基板、阳极、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层、阴极等组成[24]。量子点是一种无机半导体纳米晶体, 其晶粒直径在2~10 nm之间。量子点的光电特性很独特, 当受到光或电的刺激,量子点便会发出色纯度非常高的高质量单色光,光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定。量子点层夹在电子传输和空穴传输有机材料层之间,外加电场使电子和空穴移动到量子点层中,它们在这里被捕获到量子点层并且重组,从而发射光子。通过控制无机物成分和颗粒尺寸等性状来显示不同的颜色,从而实现画面显示功能的一种应用。

      图  3  QOLED显示的基本结构

      Figure 3.  Basic structure of QLED display

    • Micro-LED显示属于自发光显示技术。如图 4所示, Micro-LED?显示的结构是微型化LED阵列,也就是将LED结构设计进行薄膜化、微小化以及阵列化后,然后将Micro-LED巨量转移到电路基板上,再利用物理沉积技术生成上电极及保护层,形成微小间距的LED[25]。Micro-LED的尺寸仅在1~10 μm等级左右, 是目前主流LED大小的1%, 每一个Micro-LED可视为一个像素, 同时它还能够实现对每个像素的定址控制、单独驱动发光自发光。Micro-LED的典型结构是一个PN结面接触型二极管,由直接能隙半导体材料构成, 当对Micro-LED施加正向偏压,致使电流通过时,电子、空穴对于主动区复合,发出单色光。Micro-LED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极连结每一颗Micro-LED的正、负极,通过过电极线的依序通电,以扫描方式点亮Micro-LED以显示影像。

      图  4  Micro-LED显示的基本结构

      Figure 4.  Basic structure of Micro-LED display

    • 表 1给出了LCD、OLED、QLED及Micro LED显示技术的结构及材料比较,可以看出:

      表 1  不同平板显示的结构及材料比较

      Table 1.  Comparison of structures and materials among the different flat panel display technologies

      LCD显示 OLED显示 QLED显示 Micro-LED显示
      背光模组 需要 不需要 不需要 不需要
      液晶材料 需要 不需要 不需要 不需要
      发光层 背光源发光 有机发光材料 量子点发光材料 微型LED灯珠
      基板 玻璃基板 玻璃/塑料基板 玻璃/塑料基板 玻璃/塑料基板
      驱动背板 a-Si/LTPS LTPS LTPS/IGZO LTPS/IGZO
      彩色滤光片 需要 视技术路线 不需要 不需要
      偏光板 2层偏光板 1层偏光板 不需要 1层偏光板

      (1) 结构方面,LCD器件属于被动发光器件,需要背光源;利用液晶的光学各向异性特性对外照光进行调制,还需要偏光板;实现彩色显示,还需要使用彩色滤光膜/片。因此LCD显示器件结构复杂。而OLED、QLED、Micro-LED器件都属于自发光器件,无需背光模组,没有液晶层,也无需滤光片,这使得它们的结构更简单,产品更轻薄。

      (2) 材料方面,LCD显示的液晶材料具有良好的物化稳定性、适当的光学各向异性、较低的阈值电压、较高的电压保持率等优点,但液晶材料的粘滞系数较大,使得LCD显示器件的响应时间较长。OLED显示采用有机半导体发光材料, 具有自发光性、低耗电、高反应速率、全彩化及制程简单等优点, 但有机材料极易受到周围水气及氧气的影响, 存在寿命较短和稳定性较差的固有缺陷。QLED显示采用无机纳米级的量子点材料作为发光材料, 由于无机物的受热稳定性和化学稳定性等指标普遍要高于有机物,所以理论上,QLED的光源稳定性和寿命等关键指标要强于OLED。但电致发光QLED显示的应用还处于实验研究阶段, 量子点材料还存在成本高、含有有毒重金属、无法规模化生产等问题。Micro-LED显示的发光器件是固体化的微型LED灯珠,它承继了无机LED的高功率、高亮度、高牢靠度及反应时刻快等特点,但是Micro-LED灯珠是一种正负电极性的微结构,不像OLED和QLED是一种单纯材料,其产品在TFT基板上的迁移过程、移植工艺难度最高,工艺可靠性也最低。此外,由于技术瓶颈及工艺问题, Micro-LED晶粒的光效、波长的一致性、良率还未达到Micro-LED彩色化显示的要求。

    • 表 2给出了LCD、OLED、QLED及Micro-LED显示技术的性能比较, 可以看出:

      表 2  不同平板显示的性能比较

      Table 2.  Comparison of performance among the different flat panel display technologies

      LCD显示 OLED显示 QLED显示 Micro-LED显示
      对比度 5 000:1
      可视角 ≤160°×90° 180°×180° 180°×180° 180°×180°
      响应时间 ms μs ns ns
      解析度 中等
      亮度
      色域 70%NTSC 110%NTSC 140%NTSC >120%NTSC
      厚度/mm ≥2.5 ≤1.5 ≤1.5 ≤1.5
      寿命/万小时 7 5 10 10
      功耗 中等
      成本 中等
      工作温度范围
      柔性显示 容易 容易

      (1) 由于LCD显示的技术最为成熟,使得LCD显示在成本、寿命方面明显优于其它平板显示。但由于LCD显示需要背光源入射光通过液晶,配向膜等结构,使得输出光线具有一定的方向性,导致LCD显示存在可视角度小,响应速度慢,显示动态画面时有拖尾现象。此外,LCD显示器件的结构复杂,这导致其在厚度、功耗等方面不能做到很低,柔性化显示也比较困难。

      (2) 由于OLED显示属于自发光器件,结构简单,这使其在诸多性能方面都优于LCD技术,例如OLED的对比度是LCD的3~5倍,响应速度是LCD的上千倍,厚度是LCD的1/3,色彩范围超过LCD技术40%,OLED显示拥有完美的可视角度、更低功耗、更高亮度、更高的动态分辨率,还可实现柔性显示。但由于OLED有机发光材料容易与环境中的水氧发生反应而使器件失效,这使得OLED产品的使用寿命比较低。此外,由于OLED显示器件的繁复,良率低下,也导致其较高。但随着OLED技术的不断成熟和产量提升,OLED产品的寿命水平会不断提升,生产成本也将会大幅降低。

      (3) QLED显示采用的无机纳米级的量子点材料, 与OLED有机材料相比,具有寿命更长、成本更低、色域更广、色彩更纯、亮度更高等优势。所以QLED显示在峰值亮度、白场亮度、黑色亮度、动态对比度、NTSC色域等方面的画质表现力都优于OLED显示及LCD显示。此外,自发光QLED显示技术使用量子点材料直接发光而无需背光模组等,使得QLED产品结构简单,更轻薄,更节能,还可实现弯曲显示。从原理上看,QLED显示在诸多性能上都优于OLED及LCD显示,但QLED显示目前仍处于技术研发阶段,还存在可靠性低、蓝色元件寿命不稳定、溶液制程研发困难等缺陷,真正的电致发光QLED显示产品还未实现量产。

      (4) Micro-LED显示承继了LED的特性,具有低功耗、高亮度、超高分辨率与色彩饱和度、反应速度快、功耗低、寿命较长、效率较高等优点。例如,Micro-LED产品的功耗仅为OLED的50%、LCD的10%;Micro LED产品的亮度比OLED高30倍,分辨率是OLED的5倍多。但Micro-LED显示在磊晶设计、巨量转移、全彩化等方面还存在许多技术瓶颈,使其生产成本远高于现有显示技术产品。此外,Micro-LED自身是刚性结构,也不利于制成柔性产品。

    • 表 3给出了LCD、OLED、QLED、Micro LED显示技术的主要应用领域, 可以看出:

      表 3  不同平板显示的主要应用领域比较

      Table 3.  Comparison of application fields among the different flat panel display technologies

      LCD显示 OLED显示 QLED显示 Micro-LED显示
      微显示(<1英寸)(可穿戴设备等) 可用 可用
      小屏(1~10英寸)(手机、Pad、车载显示等) 可用 可用
      中屏(10~32英寸)(个人电脑等) 可用 可用
      大屏(32~80英寸)(家用电视等) 可用 可用
      超大屏(>80英寸)(家庭影院、室内外公共显示等) 可用 可用

      (1) LCD显示经过多年的发展,技术成熟,成本较低,高中低端产品都有,能够实现从1英寸到100英寸之间各种尺寸的显示,其应用已经广泛应用到车载显示、数码相机、智能手机、IT显示、电视产品、医疗器械显示、商用显示等各个领域之中。

      (2) 由于OLED显示较LCD显示有响应速度快、功耗低、重量轻、可柔性显示等优点,OLED显示在可穿戴设备、车载显示、智能手机、平板电脑、电视、超大屏幕显示、特种显示等领域应用潜力巨大。此外,值得关注的是近年来虚拟现实(Virtual Reality, VR)市场发展迅速, OLED可以做到低余辉显示,并且响应时间是LCD的千分之一, 而且具有响应时间短、视角广、轻薄的特点, 可有效解决拖影、延迟问题, 消除VR使用者的晕眩感, 减轻VR设备对头部的负担,大幅提升沉浸感, 使得OLED在VR领域应用广泛。目前市场上主流VR设备如Gear VR、HTC Vive、Oculus Rift、Sony Play Station VR、Razer OSVR等均已采用OLED屏幕。但由于VR市场需求高于预期以及智能手机积极导入OLED面板,目前VR产品所采用的OLED面板还存在供应量不足的问题。

      (3) 从理论上讲,QLED显示在色域、稳定性、寿命、制造成本等方面较OLED显示更具优势,但目前电致发光QLED显示技术还处于起步阶段, 许多技术问题还有待突破, 离商用化应用至少需要5年以上。一旦电致发光QLED技术取得突破并能够实现量产,它将会在微显示、小屏、中屏、大屏、超大屏幕显示的各个领域的应用中占据重要位置。

      (4) 由于Micro-LED显示的良好性能,其在穿戴设备、车载显示、手机、电视等领域具有广阔的应用前景。但由于技术难度大、成本高,Micro-LED显示将首先应用在高端的超大屏幕室内外显示和小尺寸的智能型手表、手环等可穿戴式装置。

    • 量子点背光源技术利用量子点的发光特性,通过绿色、红色量子点将蓝色LED光转化为高饱和度的绿光和红光,并同其余未被转换的蓝光混合得到白光等各种颜色,在屏幕上显示宽广色域的颜色[26-27]。量子点背光源相比普通LED背光具有更高纯度的三基色,通过调整量子点材料大小分布,可获得更真实、更均衡的色彩表现[28-29]。目前主要有两种方法将量子点封装进LCD显示器。第一种封装方法On-surface是将量子点嵌入两层氧气阻隔薄膜中,再将量子点薄膜贴附在整个液晶面板导光膜的上方、彩色滤光片的下方。这种方法的技术最为成熟, 但消耗的量子点材料较多会使成本增加, 而且量子点薄膜也会增加面板厚度, 。目前主要是3M和Nanosys的QDEF技术以及Nanoco的CFQD技术采用这种封装方法[30]。第二种封装方法On-edge是与背光系统结合,在侧边背光与面板之间加入一条含有量子点的长条机构。该方法消耗的量子点较少,但放入侧边背光模组,温度过高会导致量子点失效。目前主要是QD Vision的Color IQ技术采用这种封装方法。为解决上述两种封装方法存在的问题, 各家量子点制造商均朝量子点滤光片的方向迈进。2017年12月, 量子点技术与产品提供者Nanosys与日本化学厂商DIC合作,将量子点以喷墨印刷方式制成薄膜,替代原始LCD面板的彩色滤光片,可将亮度提升300%,提升能源效率的同时也拥有更广的显色色域范围[31]

      钙钛矿量子点具有高效发光及窄半峰宽的特性, 而且成本低廉、工艺简单, 是一类极具成长潜力的新型显示材料, 近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。北京理工大学大学钟海政教授课题组在钙钛矿量子点的LCD显示背光技术方面开展了卓有成效的研究工作。2015年3月,该课题组研究人员采用配体辅助再沉淀的方法成功合成出了CH3NH3PbX3(X=Br,I,Cl)有机无机杂化钙钛矿量子点,材料的荧光量子产率达到了70%,经过优化之后已经超过90%[32]。在此基础上, 将绿光钙钛矿量子点与一种红光K2SiF6:Mn4+荧光粉混合封装在蓝光LED芯片结构中,最终得到的白光LED器件的色域为130%NTSC[33-34]。2016年8月, 该课题组发明了一种基于溶加工工艺的钙钛矿量子点光学膜的“原位制备技术”, 将制备的大面积钙钛矿量子点光学膜集成到“光学膜集成型”的背光结构中,获得的背光源色域为124%NTSC,进一步地与液晶面板集成后得到的液晶显示器样机的最终色域为105%NTSC[35]。2018年2月,该课题组发展了氢溴酸辅助的常温溶液降温制备技术,并制备出厘米尺寸的荧光量子效率高达97%高效率绿色发光Cs4PbBr6单晶,利用该单晶材料、红光K2SiF6:Mn4+(KSF)荧光粉与蓝光芯片集成,实现了流明效率151 lm/W、色域90.6% Rec. 2020的高显色、高效率白光LED原型器件,这是目前面向液晶显示背光应用的LED器件实验室最优结果[36]。这些钙钛矿量子点光学膜及其制备技术具有很高的综合性能表现,将为量子点LCD显示背光技术的发展提供更加广阔的空间。

      近年来, 三星、飞利浦、TCL等多家公司推出了基于量子点背光源技术的LCD显示产品。三星从2011年就开始研究量子点背光源LCD显示技术,并于2015年2月推出第一代SUHD量子点电视产品,2016年推出第二代量子点SUHD电视,2017年推出了第三代量子点SUHD电视产品。三星第三代量子点SUHD电视相比以往发布的量子点电视,在色彩方面有了很大提升,可以呈现DCI-P3色彩空间,首次实现对100%显色体积进行还原,峰值亮度也高达1 500~2 000 nits。2015年6月飞利浦显示器(MMD)与QD Vision共同发布了全球首款量子点LCD桌面276E6ADS。276E6ADS的大小为27英寸,采用了QD Vision公司的Color IQ量子点光学系统,色域覆盖达到了99%Adobe RGB、100%sRGB,配合IPS-ADS面板,能够提供比普通液晶屏更鲜艳的色彩和更逼真的图像,画面亮度、色彩纯度也都优于普通的WLED背光系统,而且节能环保。TCL公司作为国内最早开始研究并推广量子点背光源LCD显示技术的企业及机构之一,于2014年率先推出了中国第一款量子点电视产品H9700,2016年推出第二代量子点电视X1S-CUD、C1-CUD及C2-CUDG,2017年又推出第三代量子点电视XESS X2、和X3。TCL第三代量子点电视在提升画质的基础的上降低了厚度,并通过技术改进实现成本控制,将量子点电视价格首次带入主流价位段。

    • 纯色硬屏技术是在广色域背光灯和液晶模组之间添加一层纳米颗粒,这层纳米颗粒是一种直径在1 nm左右的均匀微型粒子,专门吸收背光源发出的杂光,提升红绿蓝三原色光的纯度,进而能够更加准确的表现画面色彩,呈现真实画面。由于纯色硬屏技术中的纳米颗粒比量子点背光源技术中的量子点更小, 所以可产生更精细更准确的色彩。此外,纯色硬屏技术可以增强离轴时的色彩一致性,消除由于观看角度改变而产生的色彩失真。传统屏幕的可视角度在大于30°时色差会非常明显,而纯色硬屏在可视角度达到60°的时候,依然没有色差,保持100%高色域,形成最逼真的图像。纯色硬屏技术作为目前最先进的液晶改良技术, 已吸引了众多厂商的投资研发。2017年, LG、创维等公司都推出了搭载纯色硬屏技术的液晶显示产品, 其在图像峰值亮度、黑色暗度、对比度、鲜艳度、真实度、细节还原等属性上,均高于其它液晶显示产品[37-38]

    • 2017年2月,美国University of Central Florida的Shin-Tson Wu教授的研究团队与液晶制造商日本JNC和显示器制造商台湾友达光电公司合作研发的新一代蓝相液晶技术获得成功, 使这种先进技术进一步接近量产阶段[39]。尽管第一个蓝相液晶原型在2008年由三星展示,但由于高工作电压和电容充电时间较长等问题,该技术未能进入生产阶段[40-41]。而新一代蓝相液晶技术成功解决了上述问题,它具有超精细显示能力,像素密度高达1 500 ppi,是目前苹果Retina屏幕的三倍; 其颜色切换速度是普通液晶屏幕的10倍,响应速度低于1 ms, 色彩更加鲜艳, 还可以同时可以降低屏幕所需功耗。目前,台湾友达光电公司已经在适用于这项技术的电极结构上有所突破,预计将在2018年生产出可装配在原型设备上的蓝相LCD屏幕。

    • 2016年12月, 日本Tohoku University的Hideo Fujikake和Takahiro Ishinabe为主导的研究团队, 利用厚度仅几微米的塑料薄膜取代传统既厚且坚硬的玻璃基板,开发出一种超级柔软的液晶显示面板,屏幕大小为5.5英寸,即使进行曲率半径达3 mm的抗卷性测试,也能保持这种元件的均匀度,因而适合可卷曲与可摺叠的应用[42]。2016年12月, 英国FlexEnable公司, 基于塑料基板,采用有机晶体管驱动背板,成功开发了12.1英寸柔性有机液晶显示器。对比传统的玻璃基板的显示器,厚度小于其四分之一(小于0.3 mm),重量不到其十分之一。这项柔性有机LCD技术与现有的TFT-LCD生产线兼容,并且易于实现更大尺寸的显示[43]。2017年7月, FlexEnable与中国信利半导体有限公司(Truly Semiconductors)签署了一份技术转让与许可协议, 计划在2018年将FlexEnable的柔性有机液晶显示技术应用于信利公司生产线的大批量生产中[44]。2017年1月, 日本显示公司(Japan Display incorporated, JDI)在新研发的薄膜基板的基础上, 进一步通过改进LCD成盒工艺及采用最新的最新的低温氧化物半导体(Low Temperature Oxide Semiconductor, LTOS)TFT技术, 成功研发出一种5.5英寸柔性液晶显示面板FULL ACTIVETM FLEX, 并计划在2018年开始量产Full Active Flex面板[45]

    • 2018年1月,LG Display首次推出了了65英寸卷轴式超高清OLED电视。这款产品拥有3 840×2 160的超高清分辨率,在不用的时候可直接卷成一卷,从而方便携带和安装,是罕有的可以充分卷曲的大尺寸显示产品[46]。2018年2月, 三星官方宣布今年将会推出全球首款商用的可折叠屏幕手机Galaxy X。Galaxy X采用三星自研的柔性的4K分辨率OLED屏幕,其弯曲系数为1.0R,用户可以直接把屏幕进行弯曲、折叠,甚至可以调整到任意角度。这款产品屏幕尺寸将达到7.3英寸,但通过折叠可以分为5英寸的小屏,具有极高的便携性。

      我国的京东方、维信诺、天马、和辉光电、华星光电、信利、柔宇等企业等多家新型显示企业通过持续的技术创新,在柔性OLED显示的多个关键技术方向上,也取得丰硕成果。京东方目前已经拥有折叠显示、腕带显示、双边固定曲率显示等多款柔性AMOLED产品,为智能显示终端的创新释放无限潜能[47]。维信诺先后推出全球首款3毫米弯曲半径下可全屏卷曲柔性AMOLED显示屏、全球首款3毫米弯曲半径180度对折柔性AMOLED显示屏模组、全球首款任意折叠柔性屏模组,为柔性显示提示了新的应用方向,为行业柔性技术发展树立了标杆[48]。维信诺也是我国唯一一家主导制定柔性显示国际标准的中国企业。到目前为止,维信诺已经主导制定了《 IEC 62715-6-2柔性显示器件环境试验方法》及《IEC62715-6-3-柔性显示器件机械耐久性测试方法》2项柔性显示国际标准, 为中国新型显示企业的发展争取国际话语权的同时,也推动了国际柔性显示技术的规范与发展[49]。2017年10月,我国首条也是全球第二条第6代柔性AMOLED生产线“BOE(京东方)成都第6代柔性AMOLED生产线”实现了提前量产, 打破了韩国企业在这一领域的垄断, 对中国OLED产业和全球柔性显示产业加速发展具有划时代意义[50]。此外,京东方绵阳第6代柔性AMOLED生产线、维信诺支持建设的河北云谷(固安)第6代柔性AMOLED生产线、华星光电第6代柔性AMOLED生产线等都在建设中。2018年~2020年, 我国柔性AMOLED产能会逐步释放,会在很大程度上解决华为、中兴、OPPO、VIVO、小米等国内终端厂商度对柔性AMOLED显示屏的需求。

    • 2017年9月,苹果公司推出了采用OLED全面屏的iPhone X手机。iPhone X利用柔性OLED显示、异形切割、Face ID人脸识别等技术,实现了超窄边框屏幕设计, 使其前部只保留顶部的听筒、自拍相机和传感器,整机正面看起来就是一块几乎整面的屏幕,其屏占比达到了82.9%。iPhone X的OLED屏幕尺寸为5.8英寸, 分辨率达到了超视网膜(Super Retina)级别的2 436×1 125像素,像素密度为458 ppi, 对比度为1 000 000:1,最大屏幕亮度达到了625尼特(cd/m2)[51]。苹果推出了采用OLED全面屏的iPhone X的之后,OLED全面屏已经彻底被引爆,三星Note8、三星Galaxy S8、LG V30、索尼Xperia XZ Pro、Nokia10、华为Mate10 Pro、vivo X20、小米7、OPPO R11s等OLED全面屏手机已成为当前主要的旗舰机型,智能手机市场已经进入了全面屏的时代。

    • 2018年1月, 创维集团推出了77英寸的折叠分离式OLED电视W8。这款创维W8采用折叠分体式设计,也即OLED屏+Smart Bar,3.65 mm超薄OLED屏体吸附在钢化玻璃背板上,用于电视成像、系统运算的电路主板、各类芯片以及音响等等原件都集成在屏体下方的Smart Bar内。此外,OLED屏每个像素点精准发出成像所需的光,不含对人眼有强刺激作用的有害蓝光波段,可有效保护眼睛[52]。2018年1月,LGD成功研发出全球首款88英寸8K OLED电视面板,作为目前OLED电视面板中尺寸最大、分辨率最高的高端产品,再次证明并巩固了LG在显示行业的领导地位。面板像素点数量多达3 300万,该面板的分辨率达到7 680×4 320,其分辨率是目前4K超高清(UHD)电视的4倍、全高清(FHD)电视的16倍,可呈现极致逼真的清晰画面[53]。目前,LG电子,索尼和松下三家厂商已从LG Display公司购买88英寸8K的大尺寸OLED电视面板。

      此外, 通过OLED曲面拼接屏还可实现超大屏幕显示。2017年11月, 由LGD开发的中国首个“OLED新视界”视觉互动体验项目落户广州塔。广州塔内的“OLED新视界”设有两处OLED拼接超大屏幕:一是由75张形态各异的OLED面板拼接而成的被称为“OLED波浪穹顶”的波浪形超级大屏幕,;二是由144张OLED面板组成的长为15米的全球最大规模的“OLED隧道”[54]。2018年1月, LGD公布了一条“OLED峡谷”。这个“OLED峡谷”有28 m, 由246块凹凸有致的LG Open Frame OLED 4K超高清显示屏组成,总像素超过了20亿。与传统的大屏显示产品相比,OLED曲面拼接屏不仅在外观更为轻薄、多变,同时还可以根据复杂的设计需求组合显示,这是液晶拼接、DLP拼接以及小间距LED都无法企及的[55]

    • OLED产业链包括上游的原材料生产及设备制造、中游的OLED面板制造和模组组装、下游的显示应用领域这3个环节, 产业链纵深较长,涉及到的产业和领域较多。目前是OLED产能和市场规模快速增长的时期,整个产业链将爆发性增长, 尤其上游材料上产与设备制造受益明显。

      OLED产业上游的原材料包括传输层材料、有机发光层材料、封装材料、ITO玻璃、偏光板等。其中传输层材料和发光层材料与LCD中的材料不通用,属于OLED的核心材料。电子传输层材料通常采用萤光染料化合物, 主要种类有Alq、Znq、Gaq、Bebq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT等。空穴传输层材料通常为芳香胺萤光化合物,主要种类有TPD、TDATA等有机材料。有机发光层材料使用通常与电子传输层或电洞传输层所采用的材料相同,例如Alq被广泛用于绿光,Balq和DPVBi则被广泛应用于蓝光。OLED材料技术壁垒较高,市场竞争小,相对利润率也高,其市场份额基本被韩国及日本企业所垄断。目前中国企业主要从事有机发光材料中间体和单体粗品的生产,万润股份和濮阳惠成等一些企业已经形成规模化生产, 进入全球OLED材料供应链。OLED材料在产品总成本中占比为30%左右,根据IHS的预测,2019年OLED材料市场规模将达到176亿美元。国内厂商有望分享行业发展所带来的机会, 在有机发光材料方面存在弯道超车机会。

      OLED生产设备按照制程工艺大致可分为前道背板类设备、中道蒸镀与封装类设备以及后道模组类设备等, 其中背板类设备在OLED设备投资中所占的比重最大, 达到69%, 蒸镀与封装类设备所占比重为17%, 模组类设备所占比重为14%。前道背板工艺通过成膜, 曝光, 蚀刻叠加不同图形不同材质的膜层以形成LTPS驱动电路,为发光器件提供点亮信号以及稳定的电源输入。背板工艺流程中涉及的主要设备有光刻机、湿刻机、干刻机、PVD、CVD、TEOS CVD、HF清洗机、激光晶化机、离子注入机、快速热退火机等。中道前板工艺通过高精度金属掩膜板将有机发光材料以及阴极等材料蒸镀在背板上,与驱动电路结合形成发光器件,再在无氧环境中进行封装以起到保护作用。前板工艺流程中涉及到的主要设备有蒸镀机、基板转移设备、基板清洗设备、张紧机、固化机等。后道模组工艺将封装完毕的面板切割成实际产品大小,之后再进行偏光片贴附、控制线路与芯片贴合等各项工艺,并进行老化测试以及产品包装,最终呈现为客户手中的产品。模组工艺流程中涉及到的主要设备有偏光片贴合机、ACF贴附机、COG邦定机、FOG邦定机、OLB邦定机等。此外, 在OLED生产的各个工艺段都会涉及到检测设备。OLED背板类设备、蒸镀与封装类设备基本被韩国和日本企业垄断,中国企业缺乏相关的技术储备, 很难进入。但在模组类设备上,联得装备、智云股份、正业科技、深科达、大族激光等国内企业有机会实现国产替代。另外,在检测设备上,精测电子、天通股份等国内企业在前板工艺和模组工艺段可能实现国产替代。受益于OLED需求量大增,预计未来三年OLED上游设备制造厂商将充分受益于行业的高增长。

      此外, 为应对OLED下游的需求爆发,中韩面板厂商积极扩产, 日台企业也纷纷参与到竞争中。国内厂商方面,京东方、深天马、华星、和辉光电、信利等大陆厂商投资计划总计已达2 880亿元;国外厂商则由三星、LGD主导,2016年以来计划投资额已经达到3 189亿元。到2020年,三星仍继续保持最高的市场占有率,中国国内总AMOLED产能将达到与三星同一水平。

    • 浙江大学彭笑刚教授研究组与金一政教授研究组合作, 通过其基于低成本、有潜力应用于大规模生产的溶液工艺, 制备出了无镉及含镉量子点试剂, 性能稳定、一致性好, 质量领先或达到同等水平[56-58]。由彭笑刚教授创立的杭州纳晶科技有限公司在新型量子点材料的设计、合成方面处于全球领先地位。纳晶科技正在浙江衢州建立生产基地,该基地建成后可以为客户提供约1 500万台大尺寸量子点电视所需求的量子点材料。

      2016年5月, 美国著名的量子点材料初创公司Nanosys推出了名为“Hyperion”的量子点技术,把原来含镉的发红色光的量子点置换成不含镉的发红色光量子点,而发绿色光的量子点不变,仍为硒化镉。这个技术方案以在性能上较小的代价换取其在镉含量上的达标[59]。2017年11月, 南通惟怡新材料科技有限公司引进的美国Pure Nanotech科技公司的专利技术并与其联合开发成功的PureNano系列产品不但在镉含量上达标,更在色彩还原能力和能耗上取得重大突破。这个技术由于克服了红色量子点对520~550 nm的绿色光的二次吸收转换,不但使镉的含量大大低于100 ppm的RoHS国际标准,同时总体光转换效率超过原含镉量子点,明显提升了使用这种技术的显示器的能耗效率,降低了制造成本,并且色域覆盖范围比使用上一代的量子点膜更广。

    • 杭州纳晶科技有限公司利用自身在量子点材料方面的独特优势,将QLED器件的电光转化效率提高到了接近理论极限的水平,将使用亮度条件下的器件寿命推进到大于10万小时的实用水平,从实验上验证了QLED器件实用性。2017年6月,该公司实现了喷墨打印法制备量子点电致发光QLED器件,未来的目标是加快产业化进程,实现QLED的整体产业布局。2017年10月,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室彭俊彪教授研究团队,联合广州新视界光电科技有限公司研究开发了世界首款电致发光QLED墨水印刷显示全彩样品,该产品采用电致发光QLED材料、稀土掺杂氧化物TFT(Ln-IZO TFT)技术,解决了溶液加工型多层电致发光器件结构设计、界面互溶等科学问题,突破了新材料体系的氧化物TFT基板制备技术、表面特性调控技术、溶液法制备量子点薄膜技术、薄膜封装技术等技术难点,实现了彩色图像显示[60-61]。2017年3月, 京东方成功研制出5英寸主动式电致量子点发光显示产品(AMQLED),有别于LCD背光利用量子点材料来拓展色域的方式,该产品直接采用喷墨打印工艺制备电致量子点发光器件(QLED)实现全彩显示,色域超过100%。此次京东方研制出电致发光QLED产品,虽然只有小小的5英寸,但却颠覆了一直以来日韩厂商掌控核心技术的局面,核心技术的掌控也将助力京东方QLED产品新一轮的国际竞争中实现弯道超车[62]。印刷量子点电致发光显示技术已被工业和信息化部列为国家重点发展的关键技术,同时也受到了国家“十三五”规划的重点关注。在国家、企业、研发机构的合力之下,中国的电致发光QLED显示技术,将有望率先在全球实现新的突破,成为领先全球的技术。

    • 2017年4月,全球最大蓝宝石晶圆供应商俄罗斯Monocrystal公司针对未来Micro-LED所需,发布了UltraClean等级的蓝宝石磊晶晶圆,Monocrystal公司利用最新进的洁净技术,将蓝宝石晶圆表面1 μm以下的污染物清除到20~50个左右。UltraClean等级的蓝宝石晶圆,在进行图形化蓝宝石晶圆基板制程时,就不须进行前段洗净的作业工程,这可使图形化蓝宝石晶圆基板制程的良率提升到95%~99%,进而减少耗损以及降低成本[63]。2017年11月,Veeco公司和ALLOS Semiconductors公司达成合作,将Veeco领先的MOCVD专业技术和ALLOS的硅基氮化镓外延晶片技术相结合, 可生产出高质量的GaN晶圆,从而在现有的硅生产线上实现生产低成本的micro-LED[64]

    • 巨量转移技术作为Micro-LED制程中最困难的关键制程, 未来将以薄膜转移的各种技术为主。五大薄膜转移技术包含静电吸附、范德瓦尔斯力转印、雷射激光烧蚀、相变化转移、流体装配。转移技术的选择需视不同的应用产品而定,最主要是考量设备投资、产出量及加工成本、各厂家之制程能力及良率的控制等因素[65]。目前,全球已有多家厂商投入到巨量转移技术的研发中,如LuxVue、eLux、VueReal、X-Celeprint、法国研究机构CEA-Leti、Sony及冲电气工业(OKI);台湾则有錼创、工研院、Mikro Mesa及台积电(2330-TW)。但考量每小时产出量、良率及晶粒大小(<100 μm)尚无法达到商品化的水准,厂家纷纷寻求晶粒大小约150 μm的“类Micro LED”解决方案,预计2018年“类Micro LED”显示与投影模组产品将率先问世,待巨量转移制程稳定后再朝向Micro LED规格产品迈进。

    • 目前备受期待的是将全彩显示屏制作方式缩小至Micro等级,其将R、G、B三色LED芯片进行排列及移转,但三色LED电流设计截然不同、色彩易偏移是必须解决的首要难题。另一类作法是使用单一蓝光LED芯片,搭配量子点材料或特殊荧光粉,达成全彩化显示效果,但面临的技术门槛包括荧光粉粒子体积较大,无法配合微型化LED芯片尺寸,而量子点的材料有使用寿命问题,因耐热度偏低及快速衰竭,导致无法大量使用,业界初估透过量子点材料达成全彩化显示,可能仅有数百小时的寿命。2015年,VerLASE Technologies提出Chromover波长变换技术, 该技术是在蓝光LED芯片阵列上,采用将共振器腔面围绕在半导体量子阱,进而能在同一材料晶圆上将薄膜变换层进行重叠,就能够在薄膜激发蓝光的时候,进行绿光和红光的变换[66]。这一技术有望能够取代目前利用荧光粉以及量子点来进行发光颜色改变的构想。由法国的Aledia以及瑞典的Glo等机构所共同开发的Micron(Nano)Wire LED芯片技术则是在晶圆上进行纳米等级的柱状立体加工制程,让每根柱状都形成发光层。这样的立体加工制程所生产出来的LED,其发光亮度会比普通制程LED来的更高,并且能够达到在同一个晶圆上,甚至于同一个芯片上能够激发出多色彩的能力。近期,Google公司和Intel公司分别投资了瑞典Glo公司和法国Aledia公司, 正积极布局Micro LED显示[67]

    • 综上所述,LCD显示经过多年发展, 技术成熟, 成本低廉,仍然在显示市场占据着主流地位。OLED显示技术的出现使显示行业摆脱了传统LCD的背光源, 开创了自发光显示的未来发展方向。OLED显示具有画质优良、轻薄、功耗低、可柔性显示等优点,将成为新一代显示技术。虽然目前OLED显示技术发展较快,但与LCD显示相比,其技术还不够成熟,一些显示优势还只是理论或实验室成果,OLED材料的稳定性以及封装密闭性技术还有待提高,OLED成本还很高,尚待新的技术和材料突破。而LCD显示正通过量子点背光技术、蓝相液晶技术、纯色硬屏技术、柔性显示等技术创新来不断提高其综合性能,保持其主流地位。在相当一段时期内,LCD和OLED仍将还会共存于市场中,相互补充,激烈的竞争有望让消费者以更低的价格获得更好的显示效果。QLED显示和Micro-LED显示这两种自发光显示技术, 在理论上较OLED显示拥有更好的颜色表现、更久的工作寿命等优势, 但目前还处在实验室研究阶段。在越来越多显示企业及科研机构的共同推动下, QLED显示和Micro-LED显示技术在近年内将会有突破性进展。随着5G网络及工业4.0时代的到来, 互联网+、物联网、人工智能、虚拟现实及增强显示等新技术的出现,对平板显示提出了更高的要求,这必将推动平板显示技术的快速发展和更加广泛的应用。

参考文献 (67)

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