新型顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究

蔡 佳 ，胡湘洪 *，韋勝鈺 ，黃林軼 ，徐華偉 ，劉群興 ，劉嘉祁

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.智能產(chǎn)品質(zhì)量評價與可靠性保障技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室，廣東 廣州 510610）

0 引 言

隨著新一代信息技術(shù)的迭代更新，廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的顯示面板技術(shù)也快速演進。在信息化和智能化的時代背景下，新型顯示技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品向更清晰、更輕薄、更省電、更真實、柔性顯示以及大尺寸等趨勢發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及電視廣播、工業(yè)制造、智能聯(lián)網(wǎng)汽車、教育醫(yī)療、衛(wèi)星遙感以及日常娛樂等方面。

當前，中國已經(jīng)發(fā)展成為全球顯示產(chǎn)業(yè)的重要生產(chǎn)和研發(fā)基地，新型顯示已成為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向之一，國家政策的重視對我國新型顯示產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展起到了推動作用。目前我國顯示面板制造及下游的終端制造技術(shù)已取得較大的成績，新型顯示面板在色域色準和局部控光等方面與國際先進水平持平，但在光電轉(zhuǎn)換和色彩映射等關(guān)鍵指標上仍有較大差距。在顯示終端穩(wěn)步進展的同時，上游材料技術(shù)也加速迭代，正逐步實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。然而，制造設(shè)備、關(guān)鍵材料及關(guān)鍵技術(shù)等中上游產(chǎn)業(yè)技術(shù)依然被美日韓等國家壟斷，顯示驅(qū)動芯片的國產(chǎn)率低于20%，亟需開展關(guān)鍵技術(shù)布局，完善產(chǎn)業(yè)鏈，提高國產(chǎn)化率[1]。

顯示技術(shù)的發(fā)展迭代具有從厚到薄、從小到大、從剛到柔的特點。柔性顯示等新材料的發(fā)展帶來了更多的使用感和視覺體驗感，消費者對其需求也日益增大。新技術(shù)和新應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，顯示器在像素分辨率、圖像質(zhì)量、成本以及新功能上也不斷進步，為新型顯示產(chǎn)業(yè)帶來了新機遇。目前，AMOLED、Micro LED、激光顯示及電子紙顯示技術(shù)是4個最熱門的新型顯示技術(shù)，擁有廣闊的發(fā)展前景。本文將分別詳細介紹其原理和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。

1 AMOLED

AMOLED技術(shù)采用有源矩陣，使像素在每一幀連續(xù)發(fā)光，利用多層有機薄膜結(jié)構(gòu)生電發(fā)光，是當前OLED技術(shù)里最主流的技術(shù)。目前主要分為WOLED、QD-OLED及印刷OLED3種技術(shù)路線，其結(jié)構(gòu)原理分別如下圖1所示。

圖1 3種AMOLED結(jié)構(gòu)原理圖

AMOLED具備自發(fā)光、輕薄性、全柔性、色彩艷麗、高對比度以及低能耗等優(yōu)勢，但仍然存在圖像殘留和壽命低等缺點，目前主要應(yīng)用于中小場景，如平板顯示、智能手機、可穿戴器件以及AR/VR設(shè)備等，并在小尺寸顯示上逐漸替代傳統(tǒng)LCD顯示。

目前AMOLED半導(dǎo)體顯示面板的產(chǎn)業(yè)鏈已基本完善。上游主要包括制程設(shè)備、原材料（包括玻璃基板、蝕刻液、蒸鍍材等前端材料和驅(qū)動芯片、CG等模組材料）等，中游主要包括面板制造和模組組裝。由于國內(nèi)企業(yè)在關(guān)鍵設(shè)備和材料領(lǐng)域布局較晚，產(chǎn)業(yè)能力相對較弱，總體來說國產(chǎn)化率較低。當前日韓和歐美在產(chǎn)業(yè)鏈上游仍占據(jù)主導(dǎo)地位，龍頭企業(yè)包括住友化學(xué)、三菱化學(xué)及德國默克等。下游應(yīng)用領(lǐng)域主要分為手機和電視機等終端產(chǎn)品，近年來全球范圍內(nèi)的出貨面積如圖2所示，AMOLED的市場占有率正在不斷增加，柔性折疊顯示及透明顯示的應(yīng)用也逐步成熟。手機作為最早實現(xiàn)AMOLED商業(yè)化應(yīng)用的終端產(chǎn)品，帶動了AMOLED面板的需求。根據(jù)Omdia統(tǒng)計，從2014年到2020年，全球手機AMOLED面板出貨面積由1 220 000 m2增至4 750 000 m2，2020年AMOLED出貨量已達到智能手機顯示屏總出貨量的29.4%，預(yù)計到2021年會提高至40%。當前智能手機AMOLED面板出貨量約4.7億片（其中三星約占3.7億片），在蘋果、三星等手機上占比已達100%。手機企業(yè)針對AMOLED柔性可折疊、無需背光即可實現(xiàn)透明顯示等優(yōu)點，陸續(xù)推出了曲面屏手機和可折疊手機等新型手機產(chǎn)品，進一步擴展了應(yīng)用市場的需求。電視是AMOLED顯示的另一個主要終端應(yīng)用市場，6年間，全球電視端AMOLED面板的出貨面積由140 000 m2增至4 200 000 m2。隨著LG等廠家顯示器良率及產(chǎn)能的進一步提升，預(yù)計在2021年AMOLED電視的出貨量將達900萬臺。

圖2 AMOLED面板全球出貨面積發(fā)展

近年來AMOLED顯示的全球市場規(guī)模不斷增長，但目前我國OLED面板的產(chǎn)量還無法滿足終端市場需求，OLED面板主要依賴從韓國等國家進口。當前AMOLED產(chǎn)業(yè)的設(shè)備和材料等關(guān)鍵技術(shù)被日韓等外企掌握，其中韓國三星占據(jù)市場主導(dǎo)地位。國內(nèi)廠家依靠自主建設(shè)和團隊聯(lián)合，正在努力爭取全球平板顯示領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢。OLED Industry數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，目前中國企業(yè)的建設(shè)投資主要集中在4～6代中小尺寸AMOLED生產(chǎn)線，中國內(nèi)地已建和在建產(chǎn)線有17條，主要集中在長三角和西南地區(qū)。目前國內(nèi)最大的生產(chǎn)商是京東方，維信諾、天馬及華星光電等也有多條產(chǎn)線進入量產(chǎn)階段。2020年，國產(chǎn)OLED面板在全球銷售市場的占有率已從2016年的1.1%發(fā)展到13.2%，AMOLED面板已經(jīng)具備了一定的國際市場競爭力[2]。在大尺寸AMOLED產(chǎn)線方面，LGD在廣州投資建設(shè)的8.5代OLED產(chǎn)線是當前國內(nèi)唯一已實現(xiàn)量產(chǎn)的大尺寸高世代AMOLED產(chǎn)線[3]。TCL華星光電目前已經(jīng)在全國布局6條產(chǎn)線，全線覆蓋大尺寸電視面板和中小尺寸移動終端面板。此外，AMOLED成本高昂、壽命短及老化速度快等問題依然是需要關(guān)注和優(yōu)化的方向。

2 Micro LED

Micro LED即微型發(fā)光二極管，由微米級半導(dǎo)體發(fā)光單元陣列組成，通過微米級LED芯片與TFT驅(qū)動基板相連，對每個芯片的放光亮度進行精確控制，從而實現(xiàn)點間距小于0.1 mm的圖像顯示。和傳統(tǒng)LED相比，Micro LED體積大幅縮小，但與AMOLED一樣，能實現(xiàn)像素單獨尋址和自發(fā)光，擁有輕薄、光電轉(zhuǎn)換效率高、反映速度快、寬色域、高亮度、高對比、高集成、高可靠、低功耗以及壽命長等特點。Micro LED的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 Micro LED結(jié)構(gòu)原理示意圖

Micro LED從2000年起開始發(fā)展，2014年后熱度提升，當前全球的開發(fā)機構(gòu)超過140家，但目前全球市場化發(fā)展仍處于起步階段。以LG、三星等為代表的國際巨頭大力布局，在產(chǎn)業(yè)鏈上游展開聯(lián)合攻關(guān)，突破巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)、全彩化技術(shù)及檢測修復(fù)技術(shù)等瓶頸技術(shù)。其中，日韓企業(yè)如三星和索尼等以Micro-LED大屏顯示為主攻方向，蘋果等歐美企業(yè)以小屏顯示為主。

中國在產(chǎn)業(yè)鏈中游的顯示組件和封裝結(jié)構(gòu)等技術(shù)上具備優(yōu)勢，但在產(chǎn)業(yè)鏈上游的巨量轉(zhuǎn)移、色彩一致等關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)布局較少，主要生產(chǎn)廠家包括京東方、華星光電及友達光電等。2019年底，京東方與美國Rohinni合資成立BOE Pixey公司，共同生產(chǎn)用于顯示器背光源的Micro LED等解決方案。Micro LED顯示技術(shù)需要數(shù)百萬甚至數(shù)千萬顆微米級LED晶粒保持穩(wěn)定可靠的工作，對產(chǎn)業(yè)鏈的每一個環(huán)節(jié)都提出了嚴苛的技術(shù)要求，給生產(chǎn)制程帶來新的挑戰(zhàn)，巨量轉(zhuǎn)移、背板、驅(qū)動芯片以及檢測修復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)尚待克服。當前Micro LED仍存在技術(shù)成熟度較低和成本高昂等問題，新技術(shù)發(fā)展中僅開展小批量生產(chǎn)，主要應(yīng)用于小間距大屏顯示。Micro LED產(chǎn)業(yè)鏈如圖4所示。

圖4 Micro LED產(chǎn)業(yè)鏈

Micro LED當前仍處于研發(fā)階段，落地應(yīng)用尚不完善，但正在逐步開展市場化。Yole Research和LEDinside的研究指出，索尼在2017年發(fā)布了大型拼接式Micro LED顯示器，隨后三星和LG等公司也陸續(xù)跟進，帶動Micro LED在大型顯示器的熱潮。全球Mini LED顯示設(shè)備將從2019年的324萬臺增長至2023年的8 070萬臺，年復(fù)合增長率達90%。預(yù)估未來幾年內(nèi)，Micro LED的產(chǎn)值和面板應(yīng)用量將持續(xù)快速增長，如圖5所示。2021～2022年，自發(fā)光Micro LED電視有望問世；在電視與大型顯示器應(yīng)用方面，預(yù)計到2024年產(chǎn)值將達23億美元，至2025年市場產(chǎn)值將達到28.9億美元。

圖5 Micro LED面板應(yīng)用量和市場預(yù)測

Micro LED在VR顯示器件等小尺寸超微高精度顯示上表現(xiàn)良好，在大尺寸電視機等大屏應(yīng)用中也表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)的視角、亮度、對比度及畫質(zhì)，未來有望在AR/VR/MR、柔性透明顯示、可穿戴、光通信、醫(yī)療探測以及車載顯示等諸多領(lǐng)域涌現(xiàn)，帶來新一輪顯示技術(shù)升級。

3 激光顯示

激光顯示是顯示產(chǎn)業(yè)迭代更新的重要方向之一，在技術(shù)上主要采用R、G、B三基色激光作為顯示光源，分別經(jīng)過擴束、勻場及消相干后入射到對應(yīng)光閥上，經(jīng)圖像調(diào)制、投影物鏡等得到顯示圖像，其原理如圖6所示[4]。由于激光光波較窄，具有方向性強、單色性好以及亮度高等特點，可以實現(xiàn)幾何與顏色雙高清、大色域及高觀賞舒適度的視頻圖像顯示。激光顯示采用線狀光譜取代了傳統(tǒng)帶狀光譜，顏色編碼不重疊，且激光波長可控，能更好呈現(xiàn)真實色彩，解決顏色問題。激光顯示的原理如圖6所示。

圖6 激光顯示原理圖

早在20世紀末，日本、韓國及美國就在激光顯示關(guān)鍵指標上率先開展研究和技術(shù)布局，產(chǎn)業(yè)鏈布局如圖7所示。截至2020年底，全球激光顯示產(chǎn)業(yè)上中下游企業(yè)有上百家，索尼、松下、德州儀器等企業(yè)在激光器、LCOS激光顯示芯片、整機激光顯示器等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破性進展[5]。

圖7 激光顯示產(chǎn)業(yè)鏈

國內(nèi)在激光顯示領(lǐng)域的水平基本與國際相持平。中科院等開展激光顯示研究，在2005年研制出首臺激光電視樣機，技術(shù)上已達到國際先進水平；海信、長虹、中科極光科技及TCL等中國企業(yè)對激光顯示展開布局，正在激光顯示技術(shù)上構(gòu)建完整的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已處于國際領(lǐng)先[6]。

中國激光設(shè)備市場規(guī)模發(fā)展情況如圖8所示。2017年到2019年，激光電視銷售量分別同比增長了162%、483%、106%，是目前電視市場中增長最快的一類產(chǎn)品。2020年上半年，在全行業(yè)市場同比下降9.1%的情況下，激光電視卻依然增長了80.3%，成為彩電行業(yè)唯一實現(xiàn)正增長的品類。未來幾年，激光電視將繼續(xù)快速普及，據(jù)奧維云網(wǎng)預(yù)測，到2022年，激光電視在中國的市場銷量將突破100萬臺，銷售額將達118億。目前，激光電視由于價格高昂存在市場發(fā)展瓶頸，隨著技術(shù)的發(fā)展升級，整體價格將逐漸下降，未來將有更廣闊的發(fā)展前景。

圖8 中國激光設(shè)備市場規(guī)模發(fā)展現(xiàn)狀

激光顯示的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括4D影院、舞臺視覺、展覽科普、視頻會議、安防監(jiān)控以及AR/VR等，當前主要面向高端市場，應(yīng)用于大屏顯示、影院以及教學(xué)等場景。隨著激光光源從專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展到日常生活，激光顯示已逐漸成為我國新型顯示的發(fā)展主流。

4 電子紙

電子紙主要由前公共電極、電子墨水薄膜層及底部像素電極組成，將液態(tài)電子墨水涂到薄膜上，通過外加電場控制電路中電子膠囊的移動，從而實現(xiàn)文字、圖像的變換和顯示[7]。目前常見的電子紙顯示技術(shù)包括電泳、電潤濕、膽甾型液晶、電致變色、液體顆粒、微機電干擾調(diào)制以及光子晶體等，其中主流的膠囊電泳顯示結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 膠囊電泳顯示結(jié)構(gòu)圖

電子紙技術(shù)具有舒適護眼、低功耗、陽光下可視、超廣視角、像素結(jié)構(gòu)簡單以及柔性化顯示等突出優(yōu)點，主要應(yīng)用于電子書和學(xué)習(xí)平板領(lǐng)域。但目前該技術(shù)也存在響應(yīng)速度慢和像素顆粒大等問題。

電子紙技術(shù)處于起步階段，彩色電子紙于2019年實現(xiàn)。當前全球能夠量產(chǎn)電子紙的制造廠商較少，市場高度集中。Qyresearch數(shù)據(jù)顯示，2019年，全球前四大廠商占據(jù)了電子紙營業(yè)額的94%，其中臺灣元太科技作為上中游龍頭企業(yè)，占59%的市場份額。中國大陸電子紙知識產(chǎn)權(quán)布局主要集中在北京、上海、深圳、湖北、江蘇及廣東，京東方和國華光電等企業(yè)有所涉獵。國外主要在美日韓等國有所布局，除了E-ink和友達的Sipix（已被元大收購），高通、臺達電及富士通等都加入電子紙發(fā)展行列，但大多沒實現(xiàn)量產(chǎn)。電子紙產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 電子紙產(chǎn)業(yè)鏈

電子紙的發(fā)展呈現(xiàn)低成本、高響應(yīng)速度、全彩色及柔性顯示的趨勢。未來五年間，電子紙市場布局將持續(xù)加速，并逐漸朝多尺寸發(fā)展。除電子書外，電子紙也將在影院公告、商場標簽、電子貨價單、智慧醫(yī)療藥盒標簽以及出診單等多場景領(lǐng)域應(yīng)用。在全彩化和動態(tài)影像顯示的需求下，電子紙對通信和高階處理器的要求也不斷提高。電子紙市場規(guī)模發(fā)展預(yù)測如圖11所示。

圖11 中國電子紙市場規(guī)模發(fā)展預(yù)測

5 結(jié) 語

我國新型顯示技術(shù)的發(fā)展整體處于關(guān)鍵時期，現(xiàn)階段各種新的顯示技術(shù)具備各自的特點，整體呈現(xiàn)大屏化、高清化、柔性化、低耗化及智能化等發(fā)展趨勢。在多元化快速發(fā)展的大潮中，當前我國新型顯示產(chǎn)業(yè)仍然面臨著3個問題：其一，區(qū)域協(xié)同發(fā)展能力弱，產(chǎn)業(yè)地區(qū)分散，減弱了產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有待完善，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，制約了產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展；其二，技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱，核心材料部件及關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化率不高，與國外相比還有差距，顯示芯片等關(guān)鍵技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)受制于人，核心部件技術(shù)研發(fā)成熟度還有待考驗；其三，行業(yè)競爭日益激烈，人才匱乏，在新型顯示關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化迭代過程中，優(yōu)秀人才隊伍的缺失阻礙了技術(shù)突破的加速實現(xiàn)。

為保障我國新型顯示產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，行業(yè)需在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)集群、人才儲備及知識產(chǎn)權(quán)布局等方面重點攻關(guān)。具體提出以下建議。

（1）加強政策引導(dǎo)和財政資金支持，集中行業(yè)力量解決核心部件和關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化問題，推動全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同合作，提升產(chǎn)業(yè)集群創(chuàng)新發(fā)展能力。

（2）加快新興技術(shù)發(fā)展和與新一代信息技術(shù)的融合應(yīng)用，引導(dǎo)企業(yè)創(chuàng)新，實現(xiàn)技術(shù)突破，進一步擴大市場。針對智能手機、智能投影儀、可穿戴設(shè)備、車載顯示及智慧醫(yī)療等新應(yīng)用領(lǐng)域，拓寬新型顯示與AI、5G等技術(shù)的融合，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)加速升級。

（3）加強人才培養(yǎng)和積累，保障新型顯示先進制造、器件設(shè)計、新型功能材料以及高端整機等技術(shù)人才的數(shù)量、層次及素質(zhì)儲備。

（4）重視知識產(chǎn)權(quán)布局，打造關(guān)鍵技術(shù)和核心材料國產(chǎn)化專利池，促進產(chǎn)業(yè)向中高端市場發(fā)展。推進關(guān)鍵技術(shù)和核心材料部件的知識產(chǎn)權(quán)儲備，加快布局量子點、激光顯示及電子紙等顯示新技術(shù)和曲面屏、折疊屏等柔性顯示應(yīng)用研發(fā)，改善畫質(zhì)、拓寬運用，實現(xiàn)高性能、高質(zhì)量可靠發(fā)展，全面提升我國新型顯示行業(yè)的影響力和競爭力。