新型屏显技术发展与应用

导读

屏幕显示技术的发展迭代具有从厚到薄、从小到大、从刚到柔的特点。目前，AMOLED、QLED、Micro LED、激光显示及电子纸显示技术是5个最热门的新型显示技术，在手机显示、电视显示、AR/VR等应用领域拥有广阔的发展前景。

1 AMOLED

1.1 技术

OLED（Organic Light-Emitting Diode），即有机发光二极体，指采用极薄的有机材料涂层和玻璃基板构成且当电流通过时会发光的有机半导体，OLED具有自发光特性。AMOLED（Active-matrix organic light-emitting diode），即有源矩阵有机发光二极体，具有TFT（Thin Film Transistor）阵列，即薄膜晶体管阵列，可独立地控制每个像素点的发光情况，使得像素点可连续且独立发光，最终形成所需图像。AMOLED通过驱动电路驱动发光二极管，最大程度减少控制线路数量。AMOLED是目前OLED行业的主流应用，目前主要分为WOLED、QD-OLED及印刷OLED共计3种技术路线，各技术路线结构原理如图1所示。

图1 AMOLED结构原理图

1.2 特点

AMOLED具备自发光、轻薄性、全柔性、色彩艳丽、高对比度以及低能耗等优势，但存在图像残留和寿命低等缺点，目前主要应用于中小场景，如智能手机、平板显示、可穿戴器件等，并在小尺寸显示上逐渐替代传统LCD显示。大尺寸AMOLED的良品率目前仍较低，限制了其在大屏显示领域的应用。

1.3 产业链

AMOLED需求端渗透率提升，供给端产能向国内转移。中国AMOLED产业链上游蒸镀设备、有机材料、驱动芯片等环节重度依赖进口，中游面板厂商大规模投资柔性OLED产线。

上游：制造设备（显影、刻蚀、蒸镀、封装、检查、测试）、原材料（玻璃基板、有机材料、封装材料等）、组装零件（驱动芯片、电路板、被动元件等）。

中游：面板制造（Array阵列、Cell成盒、Module模组）和模组组装。

下游：智能手机（曲面屏手机和可折叠手机）、电视机和裸眼3D设备等终端产品。

2 QLED

2.1 技术

QLED（Quantum Dot Light Emitting Diodes），即量子点发光二极管。量子点（Quantum Dots，QDs）是一种新兴的发光材料，根据发光形式的不同可分为光致发光和电致发光。每当收到光或电的刺激，量子点便会发出有色光线。以电致发光为例，如图2所示，QLED通常由阳极、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层和阴极这五部分组成。在外加电压的驱动下，空穴从阳极注入，电子从阴极注入，通过各自的传输层运输后到达量子点，形成激子复合发光。

图2 QLED显示原理图

2.2 技术

QLED具备超薄、柔性、自发光、高色域、低能耗和响应时间短等优势，与结构类似的OLED显示相比，QLED具有更宽的色域和更好的稳定性。但QLED屏幕的最佳视角是正中间，无论颜色、对比度还是图像质量都会随视角的变大而逐渐降低。

2.3 产业链

21世纪以来，随着QDs材料相关技术的进步，QLED显示技术快速发展。QLED上游材料生产被韩国和欧美公司垄断。在中下游，TCL（华星光电）等国内厂商积极布局，已推出对应大屏产品。

上游：QDs材料、电荷传输层。早期的QDs材料为有毒性的镉基材料，已逐渐淡出商业应用。目前磷化铟（InP）QDs是较为主流商用方案，钙钛矿QDs和碳点等属于新兴的QDs材料研究方向。目前生产QDs材料和QDs背光源器件的上游企业主要有三星公司、Nanosys公司，英国NANOCO集团等。

中游：实现全彩的红/绿/蓝像素图案化是当前实现大面积QLED全彩显示器的生产最关键的技术问题。三星电子公司正在实施印刷QLED材料与技术研发。

下游：手机（曲面屏手机和可折叠手机）和电视机等终端产品。

3 Micro LED

3.1 技术

Micro LED（Micro Light Emitting Diode），即微型发光二极管，由微米级半导体发光单元阵列组成，通过微米级LED芯片与TFT驱动基板相连，对每个芯片的放光亮度进行精确控制，从而实现点间距小于0.1 mm的图像显示。Micro LED 的结构原理如图3所示。

图3 Micro LED结构原理示意图

3.2 特点

Micro LED像素单独寻址和自发光，拥有轻薄、光电转换效率高、反速度快、宽色域、高亮度、高对比、高集成、高可靠、低功耗以及寿命长等特点。

3.3 产业链

Micro LED从2000年起开始发展，2014年后热度提升，当前全球的开发机构超过140家，但目前全球市场化发展仍处于起步阶段。纵观全球Micro LED竞争态势，美国Micro LED产业布局较早，技术研发成熟度较高。2020年中国Micro LED申请数量已超越韩国位居全球第一。上游芯片、中游巨转和面板，以及下游应用等各产业环节龙头企业相继布局Micro LED，加速中国行业追赶态势。

上游：设备制造（显影刻蚀、模组贴附、检查/测试）、材料制造（玻璃基板、有机材料、偏光板、封装胶）、组装零件（驱动芯片、电路板、被动元件）等。

中游：巨量转移、面板制造和模组组装。中国在显示组件和封装结构等技术上具备优势，主要生产厂家包括京东方、华星光电及辰显光电等。

下游：大型显示屏的逐渐成熟，智慧手表的快速崛起，AR眼镜和车载显示的潜力无穷构成了当下与未来Micro LED产业的成长关键。

4 激光显示

4.1 技术

激光显示是显示产业迭代更新的重要方向之一，在技术上主要采用R、G、B三基色激光作为显示光源，分别经过扩束、匀场及消相干后入射到对应光阀上，经图像调制、投影物镜等得到显示图像，激光显示原理如图4所示。

图4 激光显示原理图

4.2 特点

由于激光光波较窄，具有方向性强、单色性好以及亮度高等特点，可以实现几何与颜色双高清、大色域及高观赏舒适度的视频图像显示。激光显示采用线状光谱取代了传统带状光谱，颜色编码不重叠，且激光波长可控，能更好呈现真实色彩，解决颜色问题。

4.3 产业链

早在20世纪末，日本、韩国及美国就在激光显示关键指标上率先开展研究和技术布局。截至2020年底，全球激光显示产业上中下游企业有上百家，索尼、松下、德州仪器等企业在激光器、LCOS激光显示芯片、整机激光显示器等关键技术方面取得了突破性进展。国内在激光显示领域的水平基本与国际相持平。中科院等开展激光显示研究，在2005年研制出首台激光电视样机，技术上已达到国际先进水平；海信、长虹、中科极光科技及TCL等中国企业对激光显示展开布局，正在激光显示技术上构建完整的产业链，产业规模已处于国际领先。

上游：半导体外延片（硅衬体外延、Si/SiGe外延）、泵浦源（连续型、脉冲型、调Q型、加倍频混频）、激光晶体

中游：三基色激光器（气体激光器、全固态激光器、半导体激光器）、光学处理系统（透镜、反射镜、棱镜、光屏）

下游：激光电视、激光投影、展览科普和视频会议等，当前主要面向大屏显示、影院以及教学等场景。

5 电子纸

5.1 技术

电子纸主要由前公共电极、电子墨水薄膜层及底部像素电极组成，将液态电子墨水涂到薄膜上， 通过外加电场控制电路中电子胶囊的移动，从而实现文字、图像的变换和显示。目前常见的电子纸显示技术包括电泳、电润湿、胆甾型液晶、电致变色、液体颗粒、微机电干扰调制以及光子晶体等。电子纸显示原理如图5所示。

图5 电子纸显示原理图

5.2 特点

电子纸技术具有舒适护眼、低功耗、阳光下可视、超广视角、像素结构简单以及柔性化显示等突出优点，主要应用于电子书和学习平板领域。但目前该技术也存在响应速度慢和像素颗粒大等问题。

5.3 产业链

电子纸技术处于起步阶段，彩色电子纸于2019年实现。全球主要量产电子墨水膜的企业仅两家，分别为元太科技和广州奥翼电子科技，其中元太科技是全球龙头的电子墨水膜供应商，市场占有率高达9成。

上游：电子墨水、驱动芯片、TFT背板。

中游：柔性电子纸、彩色电子纸模组。

下游：电子书、影院公告、商场标签、电子货价单、智慧医疗药盒标签以及出诊单等。

6 参数对比

如表1所示，AMOLED和Micro LED以出色的色域和对比度著称，同时具备薄型设计，但成本较高。QLED在色域和对比度上表现良好，成本适中。激光显示提供宽广的可视角，但能耗相对较大。电子纸显示虽然色域和对比度有限，但其极低的能耗和成本使其在电子书和电子价签等领域成为理想选择。

表1 新型屏幕显示技术参数对比表

7 国内生态

如表2所示，AMOLED需求端渗透率提升，供给端产能向国内转移；QLED上游仍未突破韩国封锁，TCL（华星光电）在中下游展开布局；Micro LED上中游展开布局，大屏显示受限于高昂成本，缺乏商用产品，Micro LED AR/VR成为明日之星；激光显示技术水平与国外持平，激光投影产品具备领先优势；电子纸核心技术和材料被元太科技（台湾公司）垄断，国内厂商在下游电子纸价签和平板领域商用产品丰富。

表2 新型屏幕显示技术国内生态表

展望

我国新型显示技术的发展处于关键阶段，在屏幕显示技术呈现大屏化、高清化、个性化、低耗化及智能化等多元发展趋势的浪潮下，行业应在技术创新、产业集群、人才储备及知识产权布局等方面重点攻关，打造新型显示创新平台，集中行业力量和高校科研，解决核心部件和关键技术的国产化问题，推动全产业链协同合作，实现我国新型显示技术的赶超。