柔性顯示技術研發現狀及發展方向

趙博選，王 琦

（1.美題隆精密光學（上海）有限公司,上海 200131；2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

柔性顯示（Flexible Display，FD）是指在塑料、金屬薄片、玻璃薄片等柔性基材上，制備的具有可撓曲性的平板顯示器件[1]。最近，Displaybank發布了《軟性顯示技術動向及市場展望》報告，對近期柔性顯示相關技術的開發現狀及相關企業的動向進行了分析、預測與展望，如圖1所示[2]。

圖1 Displaybank柔性顯示市場展望

據Displaybank估算，柔性顯示市場規模將從2015年的11億美金成長到2020年的420億美金，約占平板顯示市場的16%。按出貨量基準預計，將從2015年的2 500萬臺擴大至2020年的8億臺，約占整個平板顯示市場的13%。柔性顯示產品不僅會全面替代現有顯示產品，還將創造出許多新型應用市場而引領整個顯示市場的快速成長。替代現有產品的市場規模約從2015年的5億美金增長至2020年的19億美金，新型市場規模將從2015年的6億美金增長至2020年的22億美金，發展潛力非常巨大[2]。日前，日本半導體實驗室（SEL）、美國Apple、韓國三星、LG、Philips、諾基亞等巨頭正爭分奪秒地推進將柔性顯示器件進行包括可穿戴化等新技術的研發與應用，柔性顯示所引領的新一代顯示技術革命正撲面而來。

1 主要柔性顯示技術研發現狀及未來研發方向

1.1 OLED顯示技術

1.1.1 技術原理及研究發展現狀

OLED（Organic Light-Emitting Diode）顯示，是在電壓驅動下，電子和空穴從陰、陽極注入到電子傳輸層和空穴傳輸層，遷移至電致發光層形成激子，激發電致發光層產生輻射發光的顯示技術，如圖2所示[3]。常分為有機小分子電致發光顯示和高分子電致發光顯示（Polymer Light-Emitting Diode，PLED）。

圖2 OLED結構原理圖

有機小分子電致發光顯示方面，在SID2008展會上，Sony展出了柔性、全彩、有源驅動的2.5 in（1 in=2.54 cm）OLED 顯示器件，像素120×160，1 680色。2008年底，臺灣工研院展示了0.2 mm的超薄柔性OLED顯示器件。2012年，美國亞利桑那州立大學開發出7.4 in柔性OLED。在CES2013展會上,三星展出了使用柔性OLED屏的手機原型，該屏為5 in，高寬比16∶9，720p，如圖3。2013年初，LG率先推出了全球第一款55 in柔性OLED電視產品，這是全世界第一款得以量產的大屏幕柔性顯示器件，如圖4。2013年8月，三星也正式推出了55 in的大型柔性OLED顯示電視。2013年8月，華南理工大學發布了4.8 in全彩柔性OLED顯示器件。在IFA2013展會上，LG展出了僅4.3 mm的77 in柔性OLED電視；三星則展出98 in的柔性OLED電視，如圖5。高分子電致發光顯示方面，由于其材料優秀的可加工性能，更易實現大屏化、柔性化[4]。CDT公司一直致力于PLED顯示技術的研發工作，相繼展出了多款PLED樣品；飛利浦已將其研發的PLED應用于其剃須刀上。

目前OLED柔性顯示的主要研發機構有：Philips、Sony、柯達、三星、LG、臺灣工研院、英國CDT公司、日本精工-愛普生、香港城市大學、清華大學、華南理工大學、南京郵電大學、上海大學等。

圖3 三星5 in柔性OLED屏手機

圖4 LG 55 in柔性OLED電視

圖5 三星98 in柔性OLED電視

1.1.2 未來研究發展方向

OLED柔性顯示具有畫面質量高、響應速度快、加工工藝簡單、抗撓曲性優良、驅動電壓低等優點，且已初步實現了產品的量產化。未來的研發方向主要集中在：1）更高效率的電致發光材料及電子、空穴傳輸等功能材料的研究與開發；2）封裝基板及相關封裝材料的研究與開發；3）顯示器件結構設計優化；4）器件壽命的進一步提高；5）低成本封裝工藝及設備的研發；6）驅動電路的優化設計與提高等方面。

1.2 電泳顯示技術

1.2.1 技術原理及研究發展現狀

電泳顯示（Electrophoretic Display，EPD）主要包括各種微膠囊化電泳顯示（Microencapsulated Electropho?retic Display，MED）、扭轉球型電泳顯示（Twisting Ball Display，TBD）、微杯型電泳顯示（Microcup Electrophoret?ic Display，McED）及逆乳膠電泳顯示（Reverse Emulsion Electrophoretic Display，REED）等多種顯示模式[5-6]。

微膠囊型電泳顯示，是將電泳粒子和絕緣懸浮液封裝在微膠囊中，在兩側施加電場，通過控制每個微膠囊中分布的帶正電白色粒子和帶負電黑色粒子形成顯示單元[7-8]，顯示原理如圖6所示。也包括將其他光電材料進行微膠囊化等形成的類電泳顯示模式。

圖6 微膠囊電泳顯示原理圖

在SID2013展會上，Sony公司和E-Ink公司聯合開發的 Mobius柔性微膠囊電子紙被展出，13.3 in，重60 g，如圖7。2013年，Sonostar公司成功地將E-Ink的1.73 in柔性屏商用于其智能手表上，如圖8。2012年，LG公司發布6 in微膠囊型柔性電子紙，分辨率1 024×768，最大彎曲40°，如圖9。

圖7 Mobius柔性電子紙

圖8 Sonostar采用柔性電子紙的智能手表

圖9 LG的6 in柔性電泳電子紙

扭轉球型電泳顯示，是將黑/白雙色球微粒分散在透明密封腔中的油性溶液中，利用白半球反射光、黑半球吸收入射光，通過驅動電路控制產生的偶極子的扭矩力使雙色球發生扭轉，呈現黑白顯示，調整和控制圖像灰度等，實現顯示模式[9]，顯示原理如圖10所示。

圖10 扭轉球電泳顯示原理

20世紀70年代，施樂公司的Palo Alto研究中心（PARC）研發出了基于扭轉球型電泳技術的世界上首款電子紙模型——Gyricon。2000年后，PARC又發布了多款基于此技術的電子紙樣品及產品，如圖11。

圖11 PARC的Gyricon

微杯型電泳顯示，是先將帶電微粒分散在染色的絕緣溶劑中形成膠體電泳液，再用預定型的陽模型板或滾筒在一定的溫度下對導電薄膜上的預聚體涂層碾壓，得到整齊的二維排列定形孔狀矩陣，向孔洞中注滿膠體電泳液密封，帶電微粒在電場作用下發生電泳，改變電場方向，使某一顏色的帶電顆粒定向泳動，產生圖像顯示[10-11]。友達光電旗下的SIPIX公司通過制作“微杯”矩陣技術，成功制備了柔性顯示器件，其結構原理如圖12。SIPIX公司已將其“微杯”技術申請了多項國內外專利。

圖12 SIPIX微杯電泳顯示結構原理圖

2009年，SIPIX公司成功推出了利用其微杯技術的首款6 in柔性電子紙產品，曲度10 cm，16灰階，9∶1的高對比度及33%的高反射率，如圖13所示。

圖13 Sipix的6 in柔性微杯電子紙

逆乳膠電泳顯示，主要是Zikon公司研發的顯示技術，將逆乳膠溶液注入兩片導電基板中，選擇極性染料使極性相（即微胞內）呈現色彩，在適當的電場下，控制微胞均勻分布在較寬的電極上或均勻分布在溶液中，使顯示器呈現微胞內染料的色彩；也可控制微胞聚集在較窄的電極上使顯示面板呈透明狀態，從而實現顯示模式[5]。基于該技術的產品現還處于研發階段，批量產品仍未上市。

目前EPD柔性顯示的主要研發機構有：E-Ink公司、LG公司、Sony公司、臺灣工研院、SIPIX公司、Zikon公司、漢王科技、西北工業大學、天津大學等。

1.2.2 未來研究發展方向

電泳柔性顯示未來的研發方向主要集中在：1）高質量電泳顯示材料的制備及提高；2）結合電泳材料的、更優化的柔性顯示器件結構設計與優化；3）更優化的、快速刷新的驅動電路等的設計與優化；4）柔性基板及封裝材料的研發、制備；5）更大尺寸、高良品率柔性顯示器件相關材料及工藝開發等方面。

1.3 TFT-LCD顯示技術

1.3.1 技術原理及研究發展現狀

柔性TFT液晶顯示（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD）主要有雙穩態液晶顯示、鐵電液晶顯示、固態液晶膜液晶顯示（如聚合物分散液晶（Polymer Dispersed Liquid Crystal，PDLC）、向列曲線排列相（Nematic Curvilinear Aligned Phase，NCAP）液晶等）、單穩態液晶顯示、反鐵電液晶顯示等多種顯示模式[12]。

反射雙穩態膽甾液晶顯示[13-14]，膽甾型液晶分子在平面態（planar state）時，分子螺旋軸基本都垂直于基板表面，在螺距的尺寸等于或接近入射光波長時，由于布拉格反射，呈亮態；分子在焦錐態（focal conic state）時，液晶分子的螺旋軸基本平行于基板面，有些呈現不規則排列，部分入射光被散射，其他絕大部分光被基板表面吸收層吸收，為黑態；通過電場控制兩種穩態模式的切換實現顯示，顯示原理如圖14所示。

圖14 雙穩態膽甾液晶顯示原理

2008年，臺灣工研院發布了基于此技術的10.4 in彩色柔性顯示器件[15]；Philips公司于2002年展出了總厚250 μm的柔性膽甾型液晶顯示器件；Kent Display公司等采用微膠囊化法研發了膽甾型液晶柔性器件；Fujitsu公司于2005年發布了膽甾型液晶單色及彩色柔性顯示器件，如圖15；Asad Khan等使用Ink-jet方法研發了20×24的反射式雙穩態液晶柔性顯示器件。

圖15 Fujitsu的反射膽甾液晶柔性彩色顯示屏

頂點雙穩態液晶顯示（Zenithal Bistable Display）[16]，是ZBD Display公司開發的雙穩態向列液晶（Nematic）顯示技術，使用類似于光柵的特殊槽柵及特殊設計，通過外加可變電場，控制向列液晶的兩個穩態（高傾角和低傾角）之間的相互轉換而實現顯示模式，顯示原理如圖16所示。

圖16 頂點雙穩態液晶顯示原理圖

在SID2007展會上，NemoPtic公司推出了基于頂點雙穩態技術的A4尺寸柔性電子紙，厚度小于2 mm，200（點/in），如圖17。2000年，G.P.Bryan-Brown等報道了高對比度的頂點雙穩態柔性顯示器件[17]。

鐵電型液晶顯示[16]，將鐵電液晶夾在間隙小于一個螺距的兩片導體中，邊界與分子間的作用力使液晶分子無法形成螺旋層狀排列，邊界作用使每層的液晶分子方向趨于一致，分子的長軸和層結構的法線方向夾角有兩種穩態方式（能量分布對稱時），通過控制兩種穩態模式的選擇，形成顯示單元，如圖18所示。

圖17 NemoPtic公司頂點雙穩態液晶柔性顯示器件

圖18 單穩態鐵電液晶柔性顯示原理圖

2006年，日本NHK公司展示了A4尺寸的鐵電液晶柔性顯示器件，分辨率96×64，如圖19。Hideo Fujik?ake等研制了100 mm×100 mm、20 s內彎曲曲率半徑20 mm的柔性顯示器件。

圖19 NHK鐵電液晶柔性顯示器

聚合分散型液晶（PDLC）顯示[18]，是將向列型液晶均勻地分散于透明聚合物基體中，通過光聚合、熱引發等誘導相分離，形成微米級的液晶小液滴被包在固化成網狀聚合物體系中的顯示模式，如圖20所示。

2001年P.Mach等報道了ITO-PET基板、像素2×3的AM-PDLC柔性顯示器件，如圖21所示[19]。

目前，柔性TFT-LCD顯示的研發機構主要有：IBM、HP、精工-愛普生、東芝、索尼、惠普、Kent Display、ZBD display、NemoPtic、三星、富士通、柯達、飛利浦、NHK、友達光電、天馬微電子等。

圖20 PDLC柔性顯示原理圖

圖21 P.Mach等的AM-PDLC柔性器件

1.3.2 未來研究發展方向

液晶型柔性顯示技術未來研發方向主要集中在：1）高電響應速度、抗外力沖擊液晶材料的研究與開發；2）低驅動電壓、低功耗等驅動電路的設計與提高；3）顯示性能（如寬視角、高刷新率、高灰度等）的提高；4）全彩色化器件結構設計、優化及相關新材料的開發；5）高質量封裝基板及相關封裝材料的研究開發；6）低成本、高良品率連續生產工藝、設備等的研發等方面。

1.4 無機EL顯示技術

1.4.1 技術原理及研究發展現狀

無機EL顯示（Electroluminescence Display，ELD）是指主要利用無機半導體熒光體材料在外加電場作用下自發光現象的顯示技術。其結構原理如圖22所示[20]。絕緣層與發光層界面的隧穿電子及發光層雜質/缺陷電離的部分電子在電場作用下加速碰撞發光中心，使之發生激發或離化，從而實現可見光的發射及顯示。

圖22 無機EL結構原理圖

日本TAZMO在LIGHTING JAPAN2013展會上展出了柔性無機EL顯示器件，尺寸為A4、A2，如圖23。

圖23 TAZMO的無機EL柔性器件

目前，柔性無機EL顯示技術的研發機構主要有：日本TAZMO公司、韓國三星、清華大學等。

1.4.2 未來研究發展方向

相對于OLED，無機EL的參與者較少。柔性無機EL未來研發方向主要集中在：1）低激發功、高性能的無機EL材料及相關功能材料的研發；2）低成本、更簡化生產工藝技術的研發；3）更高發光效率的器件結構設計、驅動電路的開發；4）其他相關材料（主要包括基板及封裝材料等）的研發等。

1.5 電子粉流體顯示技術

1.5.1 技術原理及研究發展現狀

電子粉流體（Liquid Powder Display，LPD）顯示是普利司通公司在2004年提出的顯示技術[6]。與電泳顯示相類似，它是利用納米級樹脂微粒在電場中的運動實現圖像和文字顯示的顯示模式，如圖24所示。

圖24 LPD顯示原理圖

圖25 普利司通柔性雙色LPD

1.5.2 未來研究發展方向

電子粉流體柔性顯示技術的未來研發方向主要集中在：1）低電壓驅動、高電響應速度的電子粉流體材料等的研究與開發；2）新型封裝材料及技術的研發；3）低成本相關制備工藝及設備的研究開發；4）可實現全彩化的電子粉流體材料的研究與開發；5）相關驅動電路的設計、研發、優化等方面。

1.6 干涉調制顯示技術

1.6.1 技術原理及研究發展現狀

干涉調制顯示（Interferometric Modulator Display，IMOD），其工作原理類似于蝴蝶翅膀生成顏色的模式，代表性的是高通光電開發的Mirasol顯示。利用兩個基板表面之間的空氣間隙的光反射形成干涉，通過控制氣隙的大小，從而產生不同的顏色。每個iMod單元形成一個微電機系統，包含薄膜層疊電極和懸浮在上面的反射隔膜電極，空氣夾在中間；在偏置電壓作用下，反射隔膜在開放態時反射紅、綠、藍三色中的一種，折疊態時完全吸收光線呈黑色，從而形成彩色顯示[6]。如圖26所示。Mirasol顯示的工作電流很小，如只是維持畫面而不進行操作，其功耗幾乎為零；用戶可在任何環境中包括在明亮的陽光下觀看。

在FPD2007展會上，普利司通展示了改進的9 in QR-LPD（Quick Response-Liquid Powder Display）柔性雙色電子紙，厚0.29 mm，如圖25。2009年，普利司通進一步呈現了超薄、柔性的電子粉流體電子紙，8.1 in，4 096色，480×384像素。2009年5月，美國辛辛那提大學與Sun Chemical、Polymer Vision 和Gamma-Dynam?ics也合作開發此技術，并在《自然·光電子學》上報道了基于該顯示技術的研究成果。

目前，電子粉流體柔性顯示技術的主要研發機構有：臺達電、普利司通、美國辛辛那提大學、Sun Chemi?cal、Polymer Vision 和Gamma-Dynamics等。

圖26 IMOD結構原理圖

2012年，高通光電和漢王科技聯合推出了基于此技術的彩色電子紙，如圖27。目前，高通光電等正致力于Mirasol技術的新一代柔性顯示產品開發。

圖27 Mirasol彩色電子紙

目前，干涉調制柔性顯示的研發機構主要有：高通光電、東京大學、漢王科技、臺灣工研院等。

1.6.2 未來研究發展方向

干涉調制柔性顯示技術未來的研發方向主要集中于：1）更簡化、低成本的制作工藝的研究及開發；2）柔性封裝基板及相關封裝材料的研發；3）低功耗的驅動電路的設計、優化等。

1.7 電致變色顯示技術

1.7.1 技術原理及研究發展現狀

電致變色顯示（Electrochromism Display，ECD）是利用電致變色材料在外加電場作用下，發生電化學氧化還原反應，產生穩定的可逆變化，外觀表現為顏色和透明度的可逆變化的顯示技術[21-22]。常見ECD顯示器件結構原理如圖28所示[23]。

圖28 ECD結構原理圖

在2011年底的IDW 2011國際展會上，日本理光公司展示了3.5 in的全彩EC電致變色電子紙模型；隨后在Nano Tech2013展會上，理光又展示了其改進的全彩EC電致變色顯示器件。華東師范大學孫卓等在柔性基板上制作了EC電致變色顯示器件，如圖29所示[24]。

圖29 華師大FECD

目前致力于ECD顯示技術的機構主要有日本理光、Acreo公司、Aveso公司、Ntera公司、Seiko-Epson、Siemens、NIMS、西南交通大學、天津大學、華東師范大學等。

1.7.2 未來研究發展方向

ECD柔性顯示未來研發主要集中在：1）更快響應時間、更高效率的電致變色材料及相關功能材料等的研發；2）低成本器件制作工藝；3）全彩化器件結構設計和優化；4 in柔性基板等封裝材料的研制等。

1.8 等離子管陣列顯示技術

1.8.1 技術原理及研究發展現狀

等離子管陣列（Plasma Tube Array，PTA）主要組件是多條極細的等離子管，其直徑非常接近顯示器的厚度，有紅、綠、藍3種顏色，排成陣列，夾在兩片電極板中。由于等離子管厚度很薄，且是由多條長管陣列而成，所以具有可撓曲性。其結構原理如圖30所示[25-27]。

圖30 PTA構造圖

日本篠田等離子公司在2008年發布了125 in的弧形PTA面板原型，長3 m、寬1 m，像素960×360，最薄處僅1 mm。2009年，富士通先端科技與篠田等離子在 Fujitsu Forum2010展會上展示了145 in大型弧型PTA顯示器原型。2010年，先端科技與篠田等離子將圓柱型大型PTA顯示器正式實用化，設置于東京地鐵銀座車站，作為大型戶外數字告示使用，如圖31所示。

圖31 先端科技柔性PTA屏

目前，PTA柔性顯示技術的研發機構主要有：日本富士通公司、日本篠田等離子公司、東南大學等。

1.8.2 未來研究發展方向

PAT顯示技術由于其組件及結構設計的特殊性，其主要定位在大尺寸、室外顯示方面。未來的研發方向主要集中于：1）器件使用壽命等性能的進一步提升；2）低成本等離子管的設計及制造工藝的開發；3）低電壓、低功耗顯示驅動電路的研發；4）更精細化、更高顯示分辨率的顯示器件的研發等。

2 其他柔性顯示技術

2.1 光子晶體顯示技術

光子晶體顯示技術（Photonic Crystal Display，PCD），又稱光子墨水（ Photonic Ink，P-Ink）主要由Opalux公司首創，是利用“蛋白石”的變色特性形成的顯示模式。將直徑約100～300 nm的球形光子晶體微粒吸附在多孔的電活化聚合物上，當像素電極電壓增大時，聚合物汲取電解液而膨脹，附著的球形微粒間距增大，其反射色光的波長變大；若所加電壓減小，聚合物擠出電解液而收縮，球形顆粒間距減小，反射色光的波長變小，通過精確控制PCD像素的驅動電壓，使其反射不同波長的色光而呈現多種顏色，形成顯示模式[11]。如圖32所示。施加0～2 V的電壓，PCD即可實現全部的可見光色。目前，Opalux正致力于研發PCD技術的柔性顯示產品。其未來研發主要集中在:更低成本/高性能光子晶體材料及相關新材料的研發，更優化器件結構設計，低成本制備工藝研發，低功耗驅動/控制電路的優化設計等方面。

圖32 PCD顯示結構原理圖

2.2 電潤濕顯示技術

電潤濕顯示（Electrowetting，EW），主要是由Philips旗下的Liquavista公司研發，發表在《Nature》2003年第8期。利用電壓控制被包圍的液體的表層，產生像素變化。在未加電壓時，有色液體與不透水且絕緣的電極外層間形成扁平薄膜，形成一個有色像素點；在電極與液體之間加電壓，使液體與電極外層接觸面的張力發生改變，穩定的靜止態被打破，液體被移至旁邊，形成部分透明的像素點，而同時油被染上顏色，從而獲得顯示圖像效果，如圖33所示[26-27]。電潤濕顯示具有功耗低、亮度高、顯示速度快、受外界環境影響小等優點。目前，Liquavista已開發出ColorMatch電潤濕顯示產品，正致力于柔性電潤濕顯示產品的研發。其未來研發主要集中在:新材料體系的研發、低成本制備工藝/設備開發、驅動電路優化設計等方面。

圖33 電潤濕顯示結構原理圖

3 結論

以上主要研究、討論了目前主流的8種柔性顯示技術；臺灣電子科技大學、日本SED、佳能、東芝、日立、臺灣工研院、長虹等也正積極開展FED、SED、LED等其他平板顯示技術柔性化方面的研發工作。

柔性顯示技術市場、技術的激烈競爭局面已經全面展開，三星、LG等公司已經量產化了相關產品。主流柔性顯示技術未來的研發瓶頸和方向主要都聚焦于：1）顯示技術所用核心光電材料及相關功能材料性能的改進、提高，包括新材料的研發等；2）器件封裝基板及相關封裝材料的研究開發；3）更高顯示性能參數和效率的顯示器件結構設計和優化；4）低功耗、高效率驅動電路的設計及優化；5）低成本、高良品率柔性顯示器件的制備工藝/設備研發及產業化等；6）大尺寸、長壽命柔性顯示器件的制備與優化等。

柔性顯示的市場規模和潛力非常巨大，各項新技術、新工藝在日新月異地涌現和發展。三星、LG、美國Apple、Philips、諾基亞、日本SEL、HTC等業界翹楚正全力推進基于柔性顯示的可穿戴化等新型光電產品的研發及量產，柔性顯示必將成為下一代新型顯示技術革命性發展與變革的引領者之一。中國相關從事光電技術研發的科研機構和企業更應該積極順應國家高新技術產業政策，抓住機遇，迎難而上，刻苦鉆研，產、學、研高效合作，不斷增強國家光電領域的科技實力。

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