文 / 高偉男、畢勇
中國科學院理化技術研究所
顯示作為信息技術的重要組成和信息鏈的終端人機界面，應用領域遍及工業(yè)、交通、通訊、教育、航空航天、衛(wèi)星遙感、娛樂、醫(yī)療等日常生活各方面，是信息產業(yè)的重要支柱。放眼全球，新一輪科技和產業(yè)革命加速興起，顯示與 5G、大數(shù)據、人工智能等新一代信息技術不斷發(fā)展和融合，呈現(xiàn)出超高清、泛在、融合、智能和綠色的新型發(fā)展態(tài)勢。本文梳理了具有代表性的新型顯示技術的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，將結合新型顯示技術的發(fā)展現(xiàn)狀，分析和展望各種顯示產業(yè)的發(fā)展方向和前景。
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國內外新型顯示技術的發(fā)展現(xiàn)狀
顯示產業(yè)是我國電子信息產業(yè)的基石之一，也是信息領域為數(shù)不多的每年千億美元級的產業(yè)，帶動力和輻射力極強，吸引了國內外眾多研究機構、企業(yè)的目光，成為了電子信息產業(yè)領域競爭的新高地。
2020 年，我國在新型顯示產業(yè)領域投資超過 1.3 萬億元，已建成 6 代及以上面板生產線 35 條，實現(xiàn)直接營收 4460 億元，同比增長19.7%，全球占比達到 40.3%，增長速度和市場占有率均處于全球首位，全球顯示產業(yè)正加速向我國轉移，新型顯示已經成為我國后續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢產業(yè)，在我國國民經濟中占有重要的戰(zhàn)略地位。當前顯示產業(yè)發(fā)展到了“更新?lián)Q代大洗牌”階段，多種技術 / 產業(yè)競相發(fā)展，如液晶顯示（LCD）、有機發(fā)光（OLED）顯示、量子點（QD）顯示、發(fā)光二極管（LED）顯示、電子紙（E-paper）顯示、三維（3D）顯示、激光顯示（LDT）等。我國產業(yè)規(guī)模已經成為全球第一，正處在由大變強的產業(yè)轉型機遇期，在日益復雜國際形勢下，亟需全面分析各種新型顯示技術特點和發(fā)展現(xiàn)狀，梳理產業(yè)發(fā)展方向和制定相應展路線圖，確保新型顯示產業(yè)自主可控、安全發(fā)展。
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圖 1 顯示技術發(fā)展歷程[1]顯示是將信息顯示給人眼觀看的人機界面終端，集觀賞 / 娛樂應用和信息應用于一身，其發(fā)展方向是超高分辨（幾何 / 顏色雙高清）、全色化（大色域，最大色彩范圍還原）和真三維（高觀看舒適度）。20 世紀 30 年代出現(xiàn)的黑白顯示解決了視頻圖像的有無問題，20 世紀 50 年代的彩色顯示解決了視頻圖像無顏色問題，20 世紀末出現(xiàn)的數(shù)字顯示解決了視頻圖像易受干擾、清晰度差的問題。當前的激光顯示是要解決視頻圖像的全色問題，將來基于全息術的三維顯示技術有望解決真三維（3D）顯示問題?？梢哉f，顯示技術的發(fā)展歷程（如圖1）就是圖像保真度不斷提高，從而走向人眼視覺極限的過程。
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各種新型顯示技術原理與態(tài)勢分析
01
激光顯示
激光顯示是以紅、綠、藍三基色（或多基色）激光為光源的新型顯示技術，具有大尺寸 / 超大尺寸、大色域、超高清、高觀賞舒適度等優(yōu)點。在現(xiàn)有激光光源中，三基色半導體激光（LaserDiode，LD），具有直接電激發(fā)、高效率、高偏振度、長壽命、高可靠、小型化、頻域 / 空域/ 時域綜合參數(shù)易于調控，以及可用半導體制造工藝實現(xiàn)大規(guī)模量產降低成本等優(yōu)勢，將是激光顯示產業(yè)化發(fā)展的核心。
據統(tǒng)計，2019 年我國激光顯示銷售額已超過 150 億元，2017-2019 年銷售量同比增長了162%、483%、106%，預計到 2025 年激光顯示出貨量將超過 100 萬臺。我國激光顯示已走在世界前列，產業(yè)規(guī)模上已達國際領先水平，激光顯示正在成為下一代電視機、計算機、游戲機、電影機、工程機以及超大屏幕產品主流[2]。圖2是激光顯示產業(yè)發(fā)展路線。
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圖 2 激光顯示產業(yè)發(fā)展路線[1]
02
液晶顯示（LCD）
LCD 是利用液晶材料的電控雙折射性能實現(xiàn)的顯示技術。2019 年，LCD 顯示屏占手機屏幕的 60% 以上，在高端電視占比超過 50%，技術經過多年的發(fā)展已趨于成熟，是目前中小尺寸顯示產品的主流，我國大陸 LCD 面板產能已超全球 50% 份額[3]。但是 LCD 相比于其他產品，色彩豐富程度較低、顏色不鮮艷、可視角度有限、響應速度慢（ms 級），亟需探索新材料（低溫多晶硅、金屬氧化物等）、新工藝（快響應、高對比度），解決以上技術問題，將推動產業(yè)升級換代。
03
有機發(fā)光二極管（OLED）顯示
OLED 是用有機電致發(fā)光材料開發(fā)的發(fā)光二極管顯示技術，包括其響應速度快（μs 級）、工作溫度范圍寬（-30℃ ~+85℃）、對比度高（5000:1）、可視角度大（150 度）、面板超?。╩m 級），能使用多種材質基板，實現(xiàn)柔性顯示和透明顯示[4]。
由于 OLED 發(fā)光材料存在壽命問題導致“紅臉現(xiàn)象”和燒屏現(xiàn)象，應繼續(xù)發(fā)展手機屏、可穿戴小屏幕短使用周期的產品，同時探索透明、柔性等特殊用途產品的市場應用。目前基于蒸鍍工藝的 OLED 產品已經占據手機、可穿戴等小尺寸移動顯示產品部分市場，基于印刷工藝的 OLED 顯示屏已實現(xiàn)中小屏的小批量生產。OLED 顯示屏幕已廣泛應用于手機，如圖3。
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圖 3 OLED 顯示屏幕已廣泛應用于手機
04
量子點顯示
量子點顯示是利用發(fā)光量子點材料的一種顯示技術，改變量子點尺寸就能實現(xiàn)色彩的調控，具有高亮度、較大色域、高對比度、低功耗的優(yōu)點。根據發(fā)光形式的不同，量子點顯示可分為光致發(fā)光和電致發(fā)光。光致發(fā)光量子點顯示可與現(xiàn)有液晶電視工藝結合提高畫質，電致發(fā)光量子點顯示可實現(xiàn)自主發(fā)光顯示[5]，但是較為成熟的技術路線基于含鎘量子點材料，有毒性，歐盟等國家已禁止銷售，應著力探索無毒電致發(fā)光 QLED顯示在中小尺寸、短使用期等市場應用。圖4為量子點顯示材料種類。
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圖 4 量子點顯示材料種類
05
Mini/Micro-LED 顯示
Mini/Micro-LED 顯示是由微米級半導體發(fā)光像元陣列組成的新型顯示技術，將 LED 器件微小化（<100 μm）、薄膜化、陣列化后，批量轉移至電路基板上形成的顯示器件，具有高亮度、超高分辨率與色彩飽和、發(fā)光效率高的特點，不易受水汽、氧氣或高溫的影響，穩(wěn)定性、使用壽命、工作溫度較好。圖5為 Micro-LED 工藝流程。
目前小間距顯示（屏）如 mini-LED 已在室內公共信息大屏幕廣泛應用，已有較大的市場，下一步可加強改善觀看舒適度，獲得更大的市場份額。對于 Micro-LED 顯示產品，其巨量轉移等實用化技術尚需進一步攻關，尤其是隨著分辨率的提高，如何進一步提高良率成為關鍵。
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圖 5 Micro-LED 工藝流程（來自 :YOLE）
06
電子紙顯示（E-paper）
電子紙顯示是電場驅動帶電材料（電子墨水或膽固醇液晶）實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)，通過反射環(huán)境光達到的類紙型顯示技術。電子紙顯示原理如圖6所示。
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圖 6 電子紙顯示原理圖：黑白（左）；彩色（右）（來源：中關村在線）1. 屏幕正面 2. 透明電極層 3. 透明微膠囊；4. 帶正電荷的白色粒子；5. 帶負電荷的黑色粒子；6. 透明液體；7. 點擊像素層；8. 基板；9. 入射光；10. 白色出射光；11. 黑色出射光因觀看舒適度高（環(huán)境光反射式顯示）、輕薄、近零功耗、低成本等優(yōu)點，電子紙顯示特別適合發(fā)展靜態(tài)顯示產品，如電子書、電子價簽、可穿戴等，在人眼健康（類紙顯示）、超低功耗、低成本等方面有顯著優(yōu)勢，有可能成為類紙顯示產品的主市場。目前電子紙顯示尚存在對比度低、 分辨率較低、響應時間慢等問題，應著力解決彩色化和可動化關鍵技術，實現(xiàn)快速響應和彩色顯示的突破。
07
三維顯示（3D 顯示）
3D 顯示，也稱立體顯示，實現(xiàn)三維視覺效果。主要分為雙目視差三維顯示、集成成像三維顯示、立體三維顯示和全息真三維顯示。相比較與雙目視差會產生眩暈等不舒適感，全息三維顯示能夠記錄并恢復物光波的全部信息，其再現(xiàn)像與原物體有著完全相同的三維特征，人眼觀看的不適感非常弱。
三維顯示方式的發(fā)展趨勢，將實現(xiàn)高動態(tài)、寬視角、高臨場感的全息三維圖像再現(xiàn)，即大景深、大視場、高分辨率和真彩色的實時三維顯示[6]。由于全息三維顯示仍面臨空間帶寬積小、計算和傳輸量大等關鍵技術制約，還處于技術研發(fā)階段，市場化尚需很長時間。圖7為全息三維顯示效果圖。
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圖 7 全息三維顯示效果圖（來源：www.hanvei.com）
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國內產業(yè)鏈情況及面臨的挑戰(zhàn)
我國非常重視新型顯示產業(yè)的發(fā)展， 從“十二五”期間的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要 (2006-2020 年 )》，到“十三五”期間的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等一系列重要政策的出臺，上述顯示技術如激光顯示、OLED、三維顯示等已被列入未來發(fā)展規(guī)劃，力爭在全球顯示產業(yè)的技術創(chuàng)新和產業(yè)升級的新機遇期，進一步提升顯示產品的競爭力、創(chuàng)新力和對終端消費者的吸引力，來提升顯示產品的產值和利潤。
到 2020 年，我國新型顯示全產業(yè)累積總投資已超過 1.3 萬億元，顯示產業(yè)規(guī)模已經超過 3 萬億元，生產的顯示面板占全球總產量的 50%，電視屏幕占 70%，電腦和手機產量超過 90%，其中 LCD、激光顯示、OLED 等顯示技術的產業(yè)規(guī)模已經全球領先，中國已經超過韓國成為全球規(guī)模最大、市場最大、最具競爭力的顯示市場。
但是我國的顯示產業(yè)依然大而不強，在超過60% 的關鍵核心材料與工藝裝備依賴進口，產業(yè)關鍵環(huán)節(jié)尚難以自主可控，潛在發(fā)展壁壘日益顯現(xiàn)。在上游材料方面，液晶、玻璃基板、光學膜、光刻膠材料、OLED 發(fā)光材料、空穴 / 電子傳輸材料、電極材料、RGB 激光器和成像材料、MicroLED 外延材料、鍵合材料、電子紙油墨材料等等關鍵材料與配套材料國產化率低，亟需發(fā)力關鍵顯示材料國產化及其上游原料的開發(fā)。
顯示的前端工藝設備、生產設備、檢測設備對外依存度同樣很高，日、韓、德、美在精密涂布設備、曝光設備、蒸鍍設備、精密檢測設備等等高端設備方面長期壟斷，例如液晶顯示用框膠涂布機、CF 光阻涂布機、CF 曝光機、液晶滴下機，OLED 用 RGB 打印機、蒸鍍機、熱退火裝置、像素缺陷檢測及修復設備、QD 打印機、激光器半導體工藝設備、巨量轉移設備、高精度巨量MicroLED 芯片陣列檢測機等等，部分設備受制于開發(fā)難度，100% 依賴進口。材料和裝備的對外依存度過高不利于我國產業(yè)地位的穩(wěn)固和自主可控安全發(fā)展。
新型顯示的自主創(chuàng)新必然以相關材料、工藝與裝備的創(chuàng)新為基礎。我國科研院所、高等學校和企業(yè)在新型顯示相關的關鍵材料、器件及工藝、核心裝備的基礎研究和應用方面開展了大量工作，積累了良好基礎，我國替代性材料以及設備本土化覆蓋率正逐年提升。
材料國產化開拓方面，國內京東方等在具備了 LCD 顯示面板大規(guī)模生產能力，圍繞產業(yè)上游的玻璃基板、偏光片、薄膜材料開展攻關，國產化率穩(wěn)步提升，中游面板制造企業(yè)的現(xiàn)地采購比例也逐漸上升。廣州華睿、北京鼎材、吉林奧來德等 OLED 顯示發(fā)光材料方面，以及廣東聚華、納晶科技、華南理工大學在柔性、大面積印刷顯示材料方面已實現(xiàn)自主研發(fā)與應用。激光顯示的發(fā)光和成像材料方面，中科院理化所、半導體研究所、海信、長虹等研究單位和企業(yè)已實現(xiàn)部分國產替代。
在設備的國產化提升上，據 CINNO Research 顯示，在17 大類的設備中，檢測設備國產化完成度超過60%，目前基本可以實現(xiàn)替代，如在面板后道檢測設備方面，測試機領域國產替代成果顯著，國內企業(yè)占據國內市場的 82%。
在自動化、模組貼合 / 綁定等領域，國產化提升較為迅速，超過30%。另外，多種關鍵工藝設備，如激光切割機、曝光機、有機材料蒸鍍機、自動光學檢測儀器等實現(xiàn)了零的突破。
可以說，我國已充分意識到新型顯示材料、工藝和裝備對于發(fā)展新型顯示產業(yè)的重要性，并通過自主創(chuàng)新，逐步形成和完善了以企業(yè)為主體、市場為導向、產學研用相結合的創(chuàng)新體系，有望在新一輪科技和產業(yè)革命到來之時主導全球顯示產業(yè)發(fā)展。
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總 結
當今時代，全球顯示產業(yè)正加速向我國轉移，迎來了顯示產業(yè)由大變強的機遇期，也存在外部形勢復雜、全產業(yè)鏈布局、顯示產業(yè)的更新與轉型等新挑戰(zhàn)。我們應針對各自顯示技術特點與發(fā)展趨勢，整合相關領域材料、工藝、器件方面有優(yōu)勢的企業(yè)、高校、科研院所等單位研發(fā)資源，提前布局未來顯示技術創(chuàng)新開發(fā)能力，形成對我國顯示技術長遠創(chuàng)新發(fā)展的有力支撐。最終開拓多種新型顯示的特色市場，百花齊放，全面發(fā)展，圓“十三億中國人看中國（安全）電視”的中國夢，推動我國顯示產業(yè)由大變強，成為顯示產業(yè)強國，為中華民族百年復興做出應有貢獻。
參考文獻：
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作者簡介
高偉男，中國科學院理化技術研究所，高級工程師，研究方向為高功率激光、激光全色顯示技術等。
畢勇，中國科學院理化技術研究所，研究員/ 中心主任，研究方向為激光顯示、激光全息三維顯示、激光散斑技術等激光技術及應用研究。
