新型顯示技術產業發展研究

蔡 佳 ，胡湘洪 *，韋勝鈺 ，黃林軼 ，徐華偉 ，劉群興 ，劉嘉祁

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.智能產品質量評價與可靠性保障技術工業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的迭代更新，廣泛應用于各種電子產品的顯示面板技術也快速演進。在信息化和智能化的時代背景下，新型顯示技術相關產品向更清晰、更輕薄、更省電、更真實、柔性顯示以及大尺寸等趨勢發展，其應用領域涉及電視廣播、工業制造、智能聯網汽車、教育醫療、衛星遙感以及日常娛樂等方面。

當前，中國已經發展成為全球顯示產業的重要生產和研發基地，新型顯示已成為我國戰略性新興產業重點發展方向之一，國家政策的重視對我國新型顯示產業的高質量發展起到了推動作用。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，但在光電轉換和色彩映射等關鍵指標上仍有較大差距。在顯示終端穩步進展的同時，上游材料技術也加速迭代，正逐步實現全產業鏈的協同發展。然而，制造設備、關鍵材料及關鍵技術等中上游產業技術依然被美日韓等國家壟斷，顯示驅動芯片的國產率低于20%，亟需開展關鍵技術布局，完善產業鏈，提高國產化率[1]。

顯示技術的發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。新技術和新應用領域不斷拓寬，顯示器在像素分辨率、圖像質量、成本以及新功能上也不斷進步，為新型顯示產業帶來了新機遇。目前，AMOLED、Micro LED、激光顯示及電子紙顯示技術是4個最熱門的新型顯示技術，擁有廣闊的發展前景。本文將分別詳細介紹其原理和產業發展現狀。

1 AMOLED

AMOLED技術采用有源矩陣，使像素在每一幀連續發光，利用多層有機薄膜結構生電發光，是當前OLED技術里最主流的技術。目前主要分為WOLED、QD-OLED及印刷OLED3種技術路線，其結構原理分別如下圖1所示。

圖1 3種AMOLED結構原理圖

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

目前AMOLED半導體顯示面板的產業鏈已基本完善。上游主要包括制程設備、原材料（包括玻璃基板、蝕刻液、蒸鍍材等前端材料和驅動芯片、CG等模組材料）等，中游主要包括面板制造和模組組裝。由于國內企業在關鍵設備和材料領域布局較晚，產業能力相對較弱，總體來說國產化率較低。當前日韓和歐美在產業鏈上游仍占據主導地位，龍頭企業包括住友化學、三菱化學及德國默克等。下游應用領域主要分為手機和電視機等終端產品，近年來全球范圍內的出貨面積如圖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用也逐步成熟。手機作為最早實現AMOLED商業化應用的終端產品，帶動了AMOLED面板的需求。根據Omdia統計，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%。手機企業針對AMOLED柔性可折疊、無需背光即可實現透明顯示等優點，陸續推出了曲面屏手機和可折疊手機等新型手機產品，進一步擴展了應用市場的需求。電視是AMOLED顯示的另一個主要終端應用市場，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能的進一步提升，預計在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展

近年來AMOLED顯示的全球市場規模不斷增長，但目前我國OLED面板的產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產業的設備和材料等關鍵技術被日韓等外企掌握，其中韓國三星占據市場主導地位。國內廠家依靠自主建設和團隊聯合，正在努力爭取全球平板顯示領域的競爭優勢。OLED Industry數據統計顯示，目前中國企業的建設投資主要集中在4～6代中小尺寸AMOLED生產線，中國內地已建和在建產線有17條，主要集中在長三角和西南地區。目前國內最大的生產商是京東方，維信諾、天馬及華星光電等也有多條產線進入量產階段。2020年，國產OLED面板在全球銷售市場的占有率已從2016年的1.1%發展到13.2%，AMOLED面板已經具備了一定的國際市場競爭力[2]。在大尺寸AMOLED產線方面，LGD在廣州投資建設的8.5代OLED產線是當前國內唯一已實現量產的大尺寸高世代AMOLED產線[3]。TCL華星光電目前已經在全國布局6條產線，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注和優化的方向。

2 Micro LED

Micro LED即微型發光二極管，由微米級半導體發光單元陣列組成，通過微米級LED芯片與TFT驅動基板相連，對每個芯片的放光亮度進行精確控制，從而實現點間距小于0.1 mm的圖像顯示。和傳統LED相比，Micro LED體積大幅縮小，但與AMOLED一樣，能實現像素單獨尋址和自發光，擁有輕薄、光電轉換效率高、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的結構原理如圖3所示。

圖3 Micro LED結構原理示意圖

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

中國在產業鏈中游的顯示組件和封裝結構等技術上具備優勢，但在產業鏈上游的巨量轉移、色彩一致等關鍵技術和相關知識產權布局較少，主要生產廠家包括京東方、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，共同生產用于顯示器背光源的Micro LED等解決方案。Micro LED顯示技術需要數百萬甚至數千萬顆微米級LED晶粒保持穩定可靠的工作，對產業鏈的每一個環節都提出了嚴苛的技術要求，給生產制程帶來新的挑戰，巨量轉移、背板、驅動芯片以及檢測修復等關鍵技術尚待克服。當前Micro LED仍存在技術成熟度較低和成本高昂等問題，新技術發展中僅開展小批量生產，主要應用于小間距大屏顯示。Micro LED產業鏈如圖4所示。

圖4 Micro LED產業鏈

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

圖5 Micro LED面板應用量和市場預測

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

3 激光顯示

激光顯示是顯示產業迭代更新的重要方向之一，在技術上主要采用R、G、B三基色激光作為顯示光源，分別經過擴束、勻場及消相干后入射到對應光閥上，經圖像調制、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帶狀光譜，顏色編碼不重疊，且激光波長可控，能更好呈現真實色彩，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鍵指標上率先開展研究和技術布局，產業鏈布局如圖7所示。截至2020年底，全球激光顯示產業上中下游企業有上百家，索尼、松下、德州儀器等企業在激光器、LCOS激光顯示芯片、整機激光顯示器等關鍵技術方面取得了突破性進展[5]。

圖7 激光顯示產業鏈

國內在激光顯示領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等中國企業對激光顯示展開布局，正在激光顯示技術上構建完整的產業鏈，產業規模已處于國際領先[6]。

中國激光設備市場規模發展情況如圖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品。2020年上半年，在全行業市場同比下降9.1%的情況下，激光電視卻依然增長了80.3%，成為彩電行業唯一實現正增長的品類。未來幾年，激光電視將繼續快速普及，據奧維云網預測，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展瓶頸，隨著技術的發展升級，整體價格將逐漸下降，未來將有更廣闊的發展前景。

圖8 中國激光設備市場規模發展現狀

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

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，從而實現文字、圖像的變換和顯示[7]。目前常見的電子紙顯示技術包括電泳、電潤濕、膽甾型液晶、電致變色、液體顆粒、微機電干擾調制以及光子晶體等，其中主流的膠囊電泳顯示結構如圖9所示。

圖9 膠囊電泳顯示結構圖

電子紙技術具有舒適護眼、低功耗、陽光下可視、超廣視角、像素結構簡單以及柔性化顯示等突出優點，主要應用于電子書和學習平板領域。但目前該技術也存在響應速度慢和像素顆粒大等問題。

電子紙技術處于起步階段，彩色電子紙于2019年實現。當前全球能夠量產電子紙的制造廠商較少，市場高度集中。Qyresearch數據顯示，2019年，全球前四大廠商占據了電子紙營業額的94%，其中臺灣元太科技作為上中游龍頭企業，占59%的市場份額。中國大陸電子紙知識產權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展行列，但大多沒實現量產。電子紙產業鏈結構如圖10所示。

圖10 電子紙產業鏈

電子紙的發展呈現低成本、高響應速度、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加速，并逐漸朝多尺寸發展。除電子書外，電子紙也將在影院公告、商場標簽、電子貨價單、智慧醫療藥盒標簽以及出診單等多場景領域應用。在全彩化和動態影像顯示的需求下，電子紙對通信和高階處理器的要求也不斷提高。電子紙市場規模發展預測如圖11所示。

圖11 中國電子紙市場規模發展預測

5 結 語

我國新型顯示技術的發展整體處于關鍵時期，現階段各種新的顯示技術具備各自的特點，整體呈現大屏化、高清化、柔性化、低耗化及智能化等發展趨勢。在多元化快速發展的大潮中，當前我國新型顯示產業仍然面臨著3個問題：其一，區域協同發展能力弱，產業地區分散，減弱了產業集聚效應，產業結構有待完善，產品同質化嚴重，制約了產業高速發展；其二，技術創新能力薄弱，核心材料部件及關鍵技術國產化率不高，與國外相比還有差距，顯示芯片等關鍵技術知識產權受制于人，核心部件技術研發成熟度還有待考驗；其三，行業競爭日益激烈，人才匱乏，在新型顯示關鍵技術的優化迭代過程中，優秀人才隊伍的缺失阻礙了技術突破的加速實現。

為保障我國新型顯示產業的高質量可持續發展，行業需在技術創新、產業集群、人才儲備及知識產權布局等方面重點攻關。具體提出以下建議。

（1）加強政策引導和財政資金支持，集中行業力量解決核心部件和關鍵技術的國產化問題，推動全產業鏈協同合作，提升產業集群創新發展能力。

（2）加快新興技術發展和與新一代信息技術的融合應用，引導企業創新，實現技術突破，進一步擴大市場。針對智能手機、智能投影儀、可穿戴設備、車載顯示及智慧醫療等新應用領域，拓寬新型顯示與AI、5G等技術的融合，實現產業加速升級。

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

（4）重視知識產權布局，打造關鍵技術和核心材料國產化專利池，促進產業向中高端市場發展。推進關鍵技術和核心材料部件的知識產權儲備，加快布局量子點、激光顯示及電子紙等顯示新技術和曲面屏、折疊屏等柔性顯示應用研發，改善畫質、拓寬運用，實現高性能、高質量可靠發展，全面提升我國新型顯示行業的影響力和競爭力。