平面顯示的未來

過去10年是顯示科技突飛猛進的10年。起初，大屏幕、廣視角、灰階顯示、LED背光、3D電視等技術令我們的視覺體驗越來越出色。而在過去的一兩年間，以超高分辨率技術為代表的精細顯示技術得到了長足的發展，智能手機和平板電腦畫面的精細程度突破了視網膜的分辨率極限，蘋果最新發布的15英寸MacBook Pro筆記本電腦也采用了2880×1800分辨率的視網膜屏幕，尺寸更大一些的平板電視的分辨率則上升到了4K2K級別。

看起來，目前的顯示技術正向著“完美無缺”這個目標堅定地邁進。這令我們對今后一段時間內顯示技術的進步充滿期待：智能手機和平板電腦屏幕的分辨率進一步提高還有意義嗎？OLED電視何時才能普及？哪種顯示技術能夠實現最高的畫質？MEMS顯示技術有何新奇之處？在3年前，我們根本不敢想象顯示技術會有這樣大的進步，那么3年后的2015年，我們有理由期待顯示技術更加出色嗎？

終極平面顯示——劃時代的Crystal LED Display

在很多用戶心目中，索尼這個名字一直是高水平顯示產品的代名詞。早在CRT時代，索尼的特麗瓏就是質量的標桿。進入平板顯示時代后，索尼在液晶顯示方面并沒有太多值得一提的作品，風頭完全被夏普、LG和三星等企業蓋過，但索尼在LED和OLED方面投入了巨大的精力，并在近年來逐漸結出碩果。在監視器領域，索尼的OLED監視器已經成為用戶的首選。2009年，索尼推出了世界上首臺LED背光液晶電視——Qualia 005，RGB三色背光的應用使得它的畫質達到了前所未有的高水平。在Qualia 005的帶動下，目前“LED電視”已經走入千家萬戶，但它們的本質依舊是液晶電視，同樣有著液晶電視的諸多缺點，僅僅是采用了LED背光而已。與此同時，三色型OLED電視在大型化方面依然受到良品率過低的困擾，只有三星似乎解決了這一問題，而LG則轉向白光OLED電視的開發。此前在OLED顯示方面屢有佳作的索尼在推出一系列OLED監視器后，卻出人意料地陷入了沉默。2012年，索尼居然將與三星共同合資設立的液晶廠的股份全部出售給了三星。這是它有恃無恐，還是對自身液晶業務的發展失去信心？

答案或許與本期這個專題有關：在2012年年初的CES大展上，索尼展出了一款真正的LED電視——55英寸的全高清格式“Crystal LED Display”電視。它使用了紅、綠、藍3種顏色的LED元件，每種元件的個數為207.36萬個，總數超過620萬個。“Crystal LED Display”電視的每一個子像素點就是一個小小的單色LED元件，據稱索尼使用了“后期類似形成PDP”的特殊方法，才將如此多的LED元件集成在一整張屏幕上，每個像素間距僅為210μm。根據索尼提供的參數，這款電視的輝度為400cd/m2，色彩表現范圍達到NTSC比100%以上，可視角度為180°。與BRAVIA HX99相比，Crystal LED Display明亮環境下的對比度約為前者的3.5倍，色彩表現范圍約為前者的1.4倍，響應時間僅為前者的1/10。與此同時，這款電視的耗電量則僅有70W，遠遠低于55英寸LCD電視的130W~150W和PDP的250W~300W。同時，由于使用了無機半導體LED，試制樣機的壽命可以輕松達到5萬小時以上，試制機的厚度則為40mm左右。或許光看這些參數還不能讓人體會到Crystal LED Display令人驚嘆的畫質，幾位見過大世面的評論家的直接觀感更能夠說明問題：日本畫質協會副會長麻倉憐士在報道這款電視時使用了“壓倒性的畫質”這樣的評價；另一位評論家本田雅一則認為Crystal LED Display具有“前所未有的表現力”，是自己“第一次見到”；專業記者西川善司則認為“動態和靜態基本看不出區別”。

最為令人好奇的是，索尼究竟采用了什么樣的技術做出如此小，幾乎毫無差別的LED元件，并將620萬個元件整齊地排列在面板上？620萬個LED的開關如何控制？這些索尼都沒有給出具體的答案。目前只知道，Crystal LED Display是由索尼技術中心半導體事業部于3年前開發的技術，在開發當時就“以LED能規整高速的排列為目標，以投入實際生產作為基點，以產業化為前提”。關鍵的技術核心是“用來制作Crystal LED Display的無機晶體材料在500℃下會變得相當的‘順服’，方便在基板上進行各種排列安裝”。而制造一塊Crystal LED Display面板就像“把無數發光的小燈安插到一塊基板上，制造過程的后半段非常類似于制造一塊等離子顯示屏，整體過程更加類似半導體工藝，而非一般液晶面板的‘玻璃’工藝。通過可編程的芯片可以控制LED發光的變化，由于LED的響應時間極短，因此畫面的轉換幾乎是瞬時進行的”。

除了技術層面的疑問外，這種電視的成本和發展前景也是令人關心的問題。綜合此前各類關于Crystal LED Display技術的訪談，盡管索尼并未給出量產的時間表，但相關人員表示，這一技術正是面向家用市場以量產為目標所研發的，成本并不會成為問題。未來還將進一步縮小LED單元尺寸，應用于20英寸級別的專業監視器市場以及4K2K級別的平板電視市場。或許，Crystal LED Display何時量產，成本幾何并不重要，重要的是當所有人幾乎都認為“這不可能”的時候，索尼卻做到了。從Crystal LED Display的研發之中，我們可以看到一家老牌企業對終極畫質孜孜不倦的追求，科學家們將實驗室成果轉化為產品的天分、汗水和勇氣……這些正是那些號稱擁有“核心科技”卻熱衷于“低成本山寨”的企業所缺乏的。

正面挑戰液晶——大屏OLED技術走向成熟

OLED顯示技術很早以前就被視作是液晶顯示技術的接班人，但這個“接班人”此前還尚未具備接班的實力。一方面是因為液晶技術一直在不斷進步中，能夠滿足用戶的絕大部分需求；另一方面是OLED技術在大型化方面遇到了不少困難。盡管近年來索尼開始量產基于OLED技術的監視器，但這些產品的價格遠非一般用戶所能負擔的。

OLED大屏的良品率過低主要是在蒸鍍形成OLED發光層的過程中無法規避缺陷的產生，特別是要生成RGB三色發光層的工序更為復雜。有鑒于此，索尼、三星和LG選擇了3條截然不同的道路：索尼公司開發了前文介紹的“Crystal LED Display”技術，以LED元件組成全高清大屏LED電視；三星開發的OLED電視依然采用了RGB三色分涂的工藝，似乎解決了良品率的問題；而LG則另辟蹊徑，開發了基于白光OLED和四色濾色片的大屏平板電視。在CES 2012以及此后的各類平板顯示展會上，3家公司的產品都賺足了眼球，在介紹完Crystal LED Display之后，讓我們來看看LG和三星各自擁有哪些秘密武器。

今年5月，在韓國首爾舉辦的“2012年三星高級TV展”上，三星官方公布了55英寸OLED TV的量產型號為ES9500。在6月中旬剛剛結束的2012 SID展會上，三星則進一步公布了55英寸OLED面板的主要參數：對比度為150 000:1，色彩表現范圍NTSC規格比為124%。亮度在全白顯示時為150cd/m2，峰值亮度為600cd/m2，響應速度在1ms以下。面板單體的重量為3.5kg，厚度僅為1.6mm。面板的驅動元件采用低溫多晶硅TFT，通過分涂RGB三色發光材料實現彩色顯示，元件構造采用從TFT基板提取光的“底部發光型”。據傳，該面板的生產采用了三星移動顯示器開發的邊移動小型掩模邊進行蒸鍍的“小型掩模掃描”技術，但未得到三星方面的證實。盡管三星公司此前在相關會議上也發表了白光OLED+濾色片的3D OLED TV研究論文，但看起來三色OLED更好的顯示性能促使三星做出了最終的選擇。

LG方面同樣也在SID 2012上介紹了自家的OLED電視55EM960V。電視的厚度為4mm（面板厚度為3.5mm），重10kg。面板的色彩表現范圍ITU-R BT.709規格為120％。亮度在全白顯示時為100cd/m2，峰值亮度為400cd/m2，響應速度在0.02ms以下。如前所述，這款電視的OLED面板采用了在白色有機發光材料上組合使用R、G、B、W四色彩色濾光片（CF）的“WOLED+CF”方式實現彩色顯示。元件構造為從TFT基板提取光的底部發光型，彩色濾光片先在TFT基板上形成，然后在濾光片上蒸鍍低分子型白色有機發光材料。有機發光材料采用在藍色螢光材料上重疊紅色和綠色磷光材料的“串聯型”結構，與分涂RGB三色發光材料的方式相比，除了容易實現大屏幕化外，還易于確保量產時的成品率。由于采用濾光片會導致耗電量升高，因此在設計中追加了透明（W）濾光片，降低了耗電量。值得一提的是，這塊試制面板應用了在第8代生產線玻璃基板上形成的IGZO-TFT元件，TFT為底柵型構造，這意味著LG 55EM960V的成本較低，在價格戰中將占有一定優勢。

OLED電視何時能夠普及是我們最關心的問題。根據美國調查公司DisplaySearch預測，三星和LG的55英寸OLED電視最初的上市價格為7100~8061美元（約4.47~5.08萬元人民幣），比同尺寸液晶電視高約5.5~6倍。但預計2013年內將會縮小至約3倍，2014年內將縮小至約2倍，2015年內將縮小至約1.7倍，到達這一臨界值后，注重畫質的高端消費者將會選擇OLED電視。當然，如果三星和LG可以盡早將面板技術授權給我國臺灣和大陸的廠商，我們還可以期待這一天更早來臨。

我們挑戰放大鏡——視網膜之后的精細度競賽

iPhone 4/4S的“Retina”顯示屏分辨率達到326ppi，在人眼視覺范圍內已經超越了視網膜分辨率的極限，這樣的觀看體驗自然比普通屏幕更勝一籌。2012年，蘋果又把“Retina”技術推向平板電腦（新iPad）平臺和筆記本電腦（MacBook Pro）平臺。蘋果引領的“Retina”風潮自然被各大廠商群起效仿，目前，新一代高端智能手機都采用了300ppi以上分辨率的屏幕，而到2015年，超精細屏幕將會全面普及。

想要提升分辨率，不僅僅是縮小像素尺寸那樣簡單。目前廣泛使用的非晶硅TFT的載流子遷移率較低，這就意味著電路的尺寸很難進一步縮減，像素尺寸變得太小就會帶來開口率（透光部分占整個像素面積的比例）過低的問題。為了解決這一問題，在制造超精細顯示屏時多使用低溫多晶硅TFT面板和氧化物半導體型（如銦-鎵-鋅氧化物，IGZO）TFT面板，它們的載流子遷移率可以達到非晶硅面板的數十倍，因此可以將電路尺寸做得更精細。低溫多晶硅面板技術被多家廠商所掌握，目前占據超精細顯示屏用面板的大部分市場，主要面向中小尺寸產品；IGZO面板的主要支持者是夏普和LG，由于不需要采用激光輔助晶化工序，因此更適合大尺寸面板生產。此外它的截止漏電流比低溫多晶硅面板還要低，在精細化潛力上比前者更勝一籌。

在這些先進面板的支持下，為了滿足每年保持兩位數增長的超精細顯示屏需求，各大廠商展開了屏幕精細度的競賽。2011年第四季度，東芝展示了分辨率達到498ppi的6.1英寸超精細面板，它采用了低溫多晶硅技術，但為了提高開口率，將面板的色彩表現范圍降低到了NTSC比61%以下。這一分辨率已經比目前廣為應用的300ppi級別屏幕提高了將近50%。不過很快這個紀錄就被日本顯示器（索尼、東芝和日立成立的合資子公司）最新開發的651ppi的2.3英寸超精細面板（分辨率為1280×800）所超越，這一精細度指標已經達到了目前“Retina”精細屏幕的兩倍，可以顯示沒有鋸齒的影像，與活字印刷質量相媲美的文字。這是目前在直視型顯示器中的最高分辨率紀錄，但為了達成這一目標，開口率下降到了32%。目前日本顯示器公司尚未公布它采用了何種技術，不出意外應是東芝498ppi顯示技術的改進版。

在膝上/桌面顯示領域，松下在半年前宣布試制成功了20.4英寸的4K2K液晶屏幕（分辨率為3840×2160，216ppi），它僅僅基于非晶硅面板技術。該公司宣稱，今后還將在這一基礎上進一步精細化。目前已經投入實用化的則是用于新MacBook Pro筆記本電腦的15英寸Retina顯示屏，它的分辨率為2880×1800（220ppi），與松下產品的分辨率處于同一數量級。而在大屏顯示產品方面，4K2K已經開始普及，但2015年之后將是8K4K的天下。目前，松下、夏普、三星等大廠都在開發8K4K的屏幕技術。比如夏普的85英寸8K4K液晶電視分辨率達到了103ppi，為了保證開口率，夏普采用了結晶型IGZO面板、低阻抗的銅布線、光配向技術等等，而松下的145英寸8K4K PDP電視則是目前最大的單體顯示設備之一。

除了液晶顯示技術之外，OLED顯示技術也在追求高精細度的道路上高歌猛進。由于OLED是自發光器件并可采用半導體工藝生產，理論上能夠獲得比液晶面板更加精細的點距，不過目前OLED尚需努力。與三色配置型OLED屏幕相比，白光OLED+三色濾色片的形式能夠做得更精細。2012年SID展會上，夏普與日本半導體能源研究所合作發表了分辨率達到458ppi的OLED顯示屏，這種顯示屏在低溫單晶硅上形成驅動元件。高成本的低溫單晶硅制造較為復雜，需要先將硅晶圓的表面氧化，并在單面注入氫離子，然后在180℃下將其與無堿玻璃基板粘合，再將注入氫離子的部分剝離，在玻璃基板表面生成單晶硅膜。OLED元件的構造采用了從驅動元件的相反側提取光線的頂部發光式，它使用小分子型白色有機發光材料，通過蒸鍍法形成OLED元件，面板的開口率為48.5％。盡管這塊3.9英寸、1440×1080分辨率的顯示屏尚未達到量產的成本，但顯示效果令很多參觀者驚嘆。索尼則嘗試利用平板印刷法制得像素間距51μm的RGB三色OLED涂層，這一手段理論上可將OLED屏幕的分辨率提升到500ppi。

在非直視型顯示方面，為了滿足超高分辨率投影機和電子取景器（EVF）的需求，顯示元件的分辨率已經達到數千ppi之多。最近索尼剛剛公布了用于自家單電數碼相機和頭戴顯示器的超小型OLED面板技術，它們均采用白光OLED加三色濾色片的解決方案。其中0.7英寸、分辨率1280×800、用于頭戴顯示的OLED顯示屏分辨率可達2098ppi，這無疑會促進智能式頭戴顯示設備的發展。在超高清投影機領域，由NHK主導開發的8K4K超高清投影機，曾經使用過3片3500萬像素的8K4K液晶元件。而在該機構和JVC最新開發的機型上，由于采用了e-shift技術，所以僅需要3片800萬像素（3840×2160）的1.3英寸液晶元件就可達到同樣效果，同時還能實現120Hz顯示。由此可見，基于液晶和OLED的顯示技術在提高精細度方面還大有可為。

讓液晶走開——MEMS顯示技術

MEMS（微電子機械系統）是結合了微納米技術和微電子技術的新型微機械裝置。我們熟知的數字微鏡器件（DMD）是全球首個商業化的MEMS顯示技術，它被廣泛用于各類投影設備中，對投影機的廉價化功不可沒。其實在DMD之外，還有其他多種多樣的MEMS顯示技術，如光柵光閥技術（GLV）和干涉調制顯示（iMoD）技術等等，目前最引人關注的則是Pixtronix公司的數字微快門技術。

經典的數字微快門技術既用不到液晶分子，也用不到彩色濾光片和偏光膜。MEMS顯示器由MEMS快門、RGB三色LED背照燈、驅動元件（TFT）以及反射板等構成。通過高速開關MEMS快門，并控制LED背照燈的透射光和自然光的量，可顯示相應的灰階。數字微快門技術還支持工作在透射模式、反射模式和半透射模式下，其中在透射模式下，通過場序點亮R、G、B三色背光燈，就可獲得彩色顯示的圖案，其他模式則為單色顯示。日立公司2010年發布的使用Pixtronix技術的2.5英寸MEMS顯示屏耗電量僅有液晶的1/2，對光的綜合利用效率達到60%（液晶顯示僅能利用6%~8%），能夠顯示NTSC比120%的色彩，而Pixtronix公司此前展示的產品更可達到140%的NTSC比，可顯示24bit灰階。三星公司2011年5月公開的類似技術生產的面板尺寸達到10.1英寸，是當時全球最大的MEMS顯示屏，它的耗電量僅為液晶面板的1/3。對比度為1200:1，亮度為300cd/m2，色彩表現范圍按NTSC1931規格比計算為110％。

2012年，被高通收購后的Pixtronix公司繼續對數字微快門技術做出改進，在SID 2012展會上發布的最新5英寸試制顯示屏的像素數為640×480，對比度為3000:1，色彩表現范圍NTSC規格比為135％，顯示色數為1670萬色。新產品將一部分RGB三色LED替換為白光LED，改善了依次驅動時的閃爍問題。同時它還使用了改進的驅動，以保證色彩不受損失。

除了數字微快門技術外，還有不少基于MEMS的顯示方案大有發展潛力，高通公司的“Mirasol”技術就是其中之一，它屬于干涉調制顯示（iMoD）技術。我們都見過蝴蝶的翅膀能夠呈現絢麗多彩的顏色，蝴蝶的翅膀本身是沒有顏色的，而是因為它的翅膀上有許多數百納米尺度的鱗片，這些鱗片本身有序地堆積形成空隙，空隙與可見光的波長屬于同一范圍，不同品種的蝴蝶，蝴蝶翅膀的不同位置，鱗片的尺寸和堆積形式會有差別，當不同波長的可見光照射蝴蝶翅膀表面時，特定的波長會在反射中得以增強，這就是我們看到蝴蝶翅膀顏色多樣化的原理。由此興起的“光子晶體”方面的研究至今仍方興未艾。Mirasol技術借鑒了這一原理，把蝴蝶翅膀的鱗片換成了可調節的基于MEMS技術的微小共振器，尺度也為數百個納米，顯示顏色的變化則是通過調節共振器的長度來實現的。Mirasol顯示技術最核心的結構是基于干涉調制技術的組件，它是一個由兩塊導電板組成的MEMS設備。其中一塊導電板是堆疊在玻璃基板上的薄膜，另一塊導電板是垂懸在玻璃基板上的反射膜。兩者之間的空隙充滿了空氣。iMoD組件有兩種穩定狀態，當沒有電壓時，兩塊膜互相分離，光照射在玻璃基板上，色彩通過反射而呈現。當施加一個比較小的電壓時，兩塊膜由于靜電引力吸附在一起，此時光被完全吸收，屏幕呈現黑色。Mirasol技術是一種反射式顯示技術，需要的電能比電子墨水制成的電子書還要少，同時由于MEMS的反應時間大約為10μs，因此Mirasol屏幕能輕松地顯示視頻。

2009年開始，高通旗下的子公司高通光電科技陸續投入近10億美元建立Mirasol屏幕的量產廠，同時不斷針對Mirasol技術進行更為深入的優化開發。2011年年底，韓國大型書店教保文庫（Kyobo Book Central）上市了采用反射型顯示器“Mirasol”的彩色電子書。畫面尺寸為5.7英寸，像素為1024×768，分辨率為223ppi。價格為34.9萬韓元，這標志著Mirasol顯示技術已經完全成熟。2012年第二季度，高通光電科技設在我國臺灣的工廠開始正式量產Mirasol顯示屏。這一技術的直接競爭者就是采用“E-ink”技術的電子紙。根據廠方數據，在每天閱讀30min左右時間的情況下，電池可用2~3周，這是個不錯的成就。未來Mirasol技術還可能進一步在戶外廣告或手機/平板電腦領域推廣。

任何形狀、任何畫面——柔性顯示走向實用化

在不少科幻作品中，我們都可以看到柔性顯示大顯身手，包括可以閱讀的衣服、電子報紙、電子賀卡等等，不過目前柔性顯示距離這些應用還有一段距離。近年來，許多廠商和研究機構發表了大量關于柔性顯示技術的試制品，一些概念性的柔性顯示產品，如可彎曲的手機、可裝入名片夾的電腦等等也時有發布，但目前量產上市的成品則寥寥無幾。造成柔性顯示遲遲未能實用化最主要的技術難點是TFT形成需要較高的溫度，而大部分基于高分子的柔性基材很難耐受這樣的加工溫度。此外，使用特殊的工藝難以擴大生產、柔性電池等配套的部件開發難度大、目前缺乏大規模的應用需求等因素對柔性屏幕的實用化影響也很大。

在困難重重包圍之中率先取得突破的依然是韓國廠商。為了解決柔性高分子基材加工難度大的問題，三星移動顯示器（SMD）采用了“剝離法”工藝。SMD在2010年10月的FPDI大會上公開的WVGA分辨率，4.5英寸的AMOLED柔性屏幕“YOUM”就是采用這種工藝制造的。該工藝首先在形成了剝離膜的玻璃基板上制造薄膜晶體管（TFT），然后在薄膜晶體管上蒸鍍有機發光材料，再進行封裝。形成單片后，從玻璃基板上剝離，轉印到柔性基板上，就成為柔性顯示屏幕。三星原計劃在2011年年底到2012年年初利用該工藝量產手機屏幕，但似乎因為顧慮市場反響而作罷。LG則“采用種種技術手段”沿用傳統TFT工藝，在350℃加工溫度下制造了6英寸、XGA分辨率的柔性塑料電子紙屏幕，該產品已經量產供應中國廠商，用于銷往歐洲的電子書。LG聲稱，該屏幕與相同分辨率的玻璃基板電子紙屏相比，厚度只有不到1/3，重量也不到1/2。即便從1.5m高度多次跌落，也絲毫不會受損，在利用聚氨酯樹脂錘敲擊面板的沖擊試驗中，也未發生任何損傷。

日系廠商則善于直接解決問題。索尼、東芝等廠商均開發了低溫TFT工藝，并且優化工藝避免基材在較高溫度下被破壞。以索尼公司為例，該公司在SID 2011上展出的13.3英寸彩色電子紙采用了在玻璃支持基板上粘貼柔性膜，在180℃下形成TFT的工藝，這與三星的工藝類似。SID 2012上，索尼又進一步報道了對粘剝離法工藝，采用兩片帶有柔性膜的玻璃支持基板，一片上面形成IGZO TFT元件和有機發光（白光）材料層，另一片形成彩色濾光片層，再將兩塊基板對粘，剝去玻璃，得到9.9英寸、分辨率110ppi、能夠顯示NTSC比100%以上的柔性OLED面板。此外，索尼還積極探索有機TFT技術，比如使用新型的PXX（Peri-Xanthenoxanthene）分子。有機TFT的半導體層和絕緣層都可以采用旋涂法制造，加工溫度不超過150℃，可以制造可纏繞的柔性顯示薄膜。

玻璃基板廠商則開發出了柔性玻璃基板，它們能夠像塑料基板一樣彎曲，還不懼怕形成TFT時的高溫?？祵幑咀钚聢蟮赖摹癢illow Glass”厚度僅為100μm，能夠彎曲甚至被卷成圓筒狀。它最高可以耐受500℃的高溫，完全適應目前的TFT工藝。這種基板將在今年下半年量產供貨。在諸多廠商的努力下，柔性顯示的全面實用化已經為期不遠。

向終極顯示技術進軍

平板顯示技術發展的終極目標就是能夠“完美無缺”地顯示圖像。雖然目前我們距離這個目標還有相當一段距離，但可喜的是，我們已經邁出了堅實的一步。接下來的問題是，在諸多前景都不錯的技術中，哪個會成為OLED/LED顯示技術之后一統天下的制勝技術呢？