文 / 高伟男、毕勇
中国科学院理化技术研究所
显示作为信息技术的重要组成和信息链的终端人机界面，应用领域遍及工业、交通、通讯、教育、航空航天、卫星遥感、娱乐、医疗等日常生活各方面，是信息产业的重要支柱。放眼全球，新一轮科技和产业革命加速兴起，显示与 5G、大数据、人工智能等新一代信息技术不断发展和融合，呈现出超高清、泛在、融合、智能和绿色的新型发展态势。本文梳理了具有代表性的新型显示技术的发展现状与发展趋势，将结合新型显示技术的发展现状，分析和展望各种显示产业的发展方向和前景。
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国内外新型显示技术的发展现状
显示产业是我国电子信息产业的基石之一，也是信息领域为数不多的每年千亿美元级的产业，带动力和辐射力极强，吸引了国内外众多研究机构、企业的目光，成为了电子信息产业领域竞争的新高地。
2020 年，我国在新型显示产业领域投资超过 1.3 万亿元，已建成 6 代及以上面板生产线 35 条，实现直接营收 4460 亿元，同比增长19.7%，全球占比达到 40.3%，增长速度和市场占有率均处于全球首位，全球显示产业正加速向我国转移，新型显示已经成为我国后续发展的优势产业，在我国国民经济中占有重要的战略地位。当前显示产业发展到了“更新换代大洗牌”阶段，多种技术 / 产业竞相发展，如液晶显示（LCD）、有机发光（OLED）显示、量子点（QD）显示、发光二极管（LED）显示、电子纸（E-paper）显示、三维（3D）显示、激光显示（LDT）等。我国产业规模已经成为全球第一，正处在由大变强的产业转型机遇期，在日益复杂国际形势下，亟需全面分析各种新型显示技术特点和发展现状，梳理产业发展方向和制定相应展路线图，确保新型显示产业自主可控、安全发展。
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图 1 显示技术发展历程[1]显示是将信息显示给人眼观看的人机界面终端，集观赏 / 娱乐应用和信息应用于一身，其发展方向是超高分辨（几何 / 颜色双高清）、全色化（大色域，最大色彩范围还原）和真三维（高观看舒适度）。20 世纪 30 年代出现的黑白显示解决了视频图像的有无问题，20 世纪 50 年代的彩色显示解决了视频图像无颜色问题，20 世纪末出现的数字显示解决了视频图像易受干扰、清晰度差的问题。当前的激光显示是要解决视频图像的全色问题，将来基于全息术的三维显示技术有望解决真三维（3D）显示问题。可以说，显示技术的发展历程（如图1）就是图像保真度不断提高，从而走向人眼视觉极限的过程。
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各种新型显示技术原理与态势分析
01
激光显示
激光显示是以红、绿、蓝三基色（或多基色）激光为光源的新型显示技术，具有大尺寸 / 超大尺寸、大色域、超高清、高观赏舒适度等优点。在现有激光光源中，三基色半导体激光（LaserDiode，LD），具有直接电激发、高效率、高偏振度、长寿命、高可靠、小型化、频域 / 空域/ 时域综合参数易于调控，以及可用半导体制造工艺实现大规模量产降低成本等优势，将是激光显示产业化发展的核心。
据统计，2019 年我国激光显示销售额已超过 150 亿元，2017-2019 年销售量同比增长了162%、483%、106%，预计到 2025 年激光显示出货量将超过 100 万台。我国激光显示已走在世界前列，产业规模上已达国际领先水平，激光显示正在成为下一代电视机、计算机、游戏机、电影机、工程机以及超大屏幕产品主流[2]。图2是激光显示产业发展路线。
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图 2 激光显示产业发展路线[1]
02
液晶显示（LCD）
LCD 是利用液晶材料的电控双折射性能实现的显示技术。2019 年，LCD 显示屏占手机屏幕的 60% 以上，在高端电视占比超过 50%，技术经过多年的发展已趋于成熟，是目前中小尺寸显示产品的主流，我国大陆 LCD 面板产能已超全球 50% 份额[3]。但是 LCD 相比于其他产品，色彩丰富程度较低、颜色不鲜艳、可视角度有限、响应速度慢（ms 级），亟需探索新材料（低温多晶硅、金属氧化物等）、新工艺（快响应、高对比度），解决以上技术问题，将推动产业升级换代。
03
有机发光二极管（OLED）显示
OLED 是用有机电致发光材料开发的发光二极管显示技术，包括其响应速度快（μs 级）、工作温度范围宽（-30℃ ~ 85℃）、对比度高（5000:1）、可视角度大（150 度）、面板超薄（mm 级），能使用多种材质基板，实现柔性显示和透明显示[4]。
由于 OLED 发光材料存在寿命问题导致“红脸现象”和烧屏现象，应继续发展手机屏、可穿戴小屏幕短使用周期的产品，同时探索透明、柔性等特殊用途产品的市场应用。目前基于蒸镀工艺的 OLED 产品已经占据手机、可穿戴等小尺寸移动显示产品部分市场，基于印刷工艺的 OLED 显示屏已实现中小屏的小批量生产。OLED 显示屏幕已广泛应用于手机，如图3。
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图 3 OLED 显示屏幕已广泛应用于手机
04
量子点显示
量子点显示是利用发光量子点材料的一种显示技术，改变量子点尺寸就能实现色彩的调控，具有高亮度、较大色域、高对比度、低功耗的优点。根据发光形式的不同，量子点显示可分为光致发光和电致发光。光致发光量子点显示可与现有液晶电视工艺结合提高画质，电致发光量子点显示可实现自主发光显示[5]，但是较为成熟的技术路线基于含镉量子点材料，有毒性，欧盟等国家已禁止销售，应着力探索无毒电致发光 QLED显示在中小尺寸、短使用期等市场应用。图4为量子点显示材料种类。
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图 4 量子点显示材料种类
05
Mini/Micro-LED 显示
Mini/Micro-LED 显示是由微米级半导体发光像元阵列组成的新型显示技术，将 LED 器件微小化（<100 μm）、薄膜化、阵列化后，批量转移至电路基板上形成的显示器件，具有高亮度、超高分辨率与色彩饱和、发光效率高的特点，不易受水汽、氧气或高温的影响，稳定性、使用寿命、工作温度较好。图5为 Micro-LED 工艺流程。
目前小间距显示（屏）如 mini-LED 已在室内公共信息大屏幕广泛应用，已有较大的市场，下一步可加强改善观看舒适度，获得更大的市场份额。对于 Micro-LED 显示产品，其巨量转移等实用化技术尚需进一步攻关，尤其是随着分辨率的提高，如何进一步提高良率成为关键。
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图 5 Micro-LED 工艺流程（来自 :YOLE）
06
电子纸显示（E-paper）
电子纸显示是电场驱动带电材料（电子墨水或胆固醇液晶）实现双稳态，通过反射环境光达到的类纸型显示技术。电子纸显示原理如图6所示。
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图 6 电子纸显示原理图：黑白（左）；彩色（右）（来源：中关村在线）1. 屏幕正面 2. 透明电极层 3. 透明微胶囊；4. 带正电荷的白色粒子；5. 带负电荷的黑色粒子；6. 透明液体；7. 点击像素层；8. 基板；9. 入射光；10. 白色出射光；11. 黑色出射光因观看舒适度高（环境光反射式显示）、轻薄、近零功耗、低成本等优点，电子纸显示特别适合发展静态显示产品，如电子书、电子价签、可穿戴等，在人眼健康（类纸显示）、超低功耗、低成本等方面有显著优势，有可能成为类纸显示产品的主市场。目前电子纸显示尚存在对比度低、 分辨率较低、响应时间慢等问题，应着力解决彩色化和可动化关键技术，实现快速响应和彩色显示的突破。
07
三维显示（3D 显示）
3D 显示，也称立体显示，实现三维视觉效果。主要分为双目视差三维显示、集成成像三维显示、立体三维显示和全息真三维显示。相比较与双目视差会产生眩晕等不舒适感，全息三维显示能够记录并恢复物光波的全部信息，其再现像与原物体有着完全相同的三维特征，人眼观看的不适感非常弱。
三维显示方式的发展趋势，将实现高动态、宽视角、高临场感的全息三维图像再现，即大景深、大视场、高分辨率和真彩色的实时三维显示[6]。由于全息三维显示仍面临空间带宽积小、计算和传输量大等关键技术制约，还处于技术研发阶段，市场化尚需很长时间。图7为全息三维显示效果图。
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图 7 全息三维显示效果图（来源：hanvei）
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国内产业链情况及面临的挑战
我国非常重视新型显示产业的发展， 从“十二五”期间的《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020 年 )》，到“十三五”期间的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等一系列重要政策的出台，上述显示技术如激光显示、OLED、三维显示等已被列入未来发展规划，力争在全球显示产业的技术创新和产业升级的新机遇期，进一步提升显示产品的竞争力、创新力和对终端消费者的吸引力，来提升显示产品的产值和利润。
到 2020 年，我国新型显示全产业累积总投资已超过 1.3 万亿元，显示产业规模已经超过 3 万亿元，生产的显示面板占全球总产量的 50%，电视屏幕占 70%，电脑和手机产量超过 90%，其中 LCD、激光显示、OLED 等显示技术的产业规模已经全球领先，中国已经超过韩国成为全球规模最大、市场最大、最具竞争力的显示市场。
但是我国的显示产业依然大而不强，在超过60% 的关键核心材料与工艺装备依赖进口，产业关键环节尚难以自主可控，潜在发展壁垒日益显现。在上游材料方面，液晶、玻璃基板、光学膜、光刻胶材料、OLED 发光材料、空穴 / 电子传输材料、电极材料、RGB 激光器和成像材料、MicroLED 外延材料、键合材料、电子纸油墨材料等等关键材料与配套材料国产化率低，亟需发力关键显示材料国产化及其上游原料的开发。
显示的前端工艺设备、生产设备、检测设备对外依存度同样很高，日、韩、德、美在精密涂布设备、曝光设备、蒸镀设备、精密检测设备等等高端设备方面长期垄断，例如液晶显示用框胶涂布机、CF 光阻涂布机、CF 曝光机、液晶滴下机，OLED 用 RGB 打印机、蒸镀机、热退火装置、像素缺陷检测及修复设备、QD 打印机、激光器半导体工艺设备、巨量转移设备、高精度巨量MicroLED 芯片阵列检测机等等，部分设备受制于开发难度，100% 依赖进口。材料和装备的对外依存度过高不利于我国产业地位的稳固和自主可控安全发展。
新型显示的自主创新必然以相关材料、工艺与装备的创新为基础。我国科研院所、高等学校和企业在新型显示相关的关键材料、器件及工艺、核心装备的基础研究和应用方面开展了大量工作，积累了良好基础，我国替代性材料以及设备本土化覆盖率正逐年提升。
材料国产化开拓方面，国内京东方等在具备了 LCD 显示面板大规模生产能力，围绕产业上游的玻璃基板、偏光片、薄膜材料开展攻关，国产化率稳步提升，中游面板制造企业的现地采购比例也逐渐上升。广州华睿、北京鼎材、吉林奥来德等 OLED 显示发光材料方面，以及广东聚华、纳晶科技、华南理工大学在柔性、大面积印刷显示材料方面已实现自主研发与应用。激光显示的发光和成像材料方面，中科院理化所、半导体研究所、海信、长虹等研究单位和企业已实现部分国产替代。
在设备的国产化提升上，据 CINNO Research 显示，在17 大类的设备中，检测设备国产化完成度超过60%，目前基本可以实现替代，如在面板后道检测设备方面，测试机领域国产替代成果显著，国内企业占据国内市场的 82%。
在自动化、模组贴合 / 绑定等领域，国产化提升较为迅速，超过30%。另外，多种关键工艺设备，如激光切割机、曝光机、有机材料蒸镀机、自动光学检测仪器等实现了零的突破。
可以说，我国已充分意识到新型显示材料、工艺和装备对于发展新型显示产业的重要性，并通过自主创新，逐步形成和完善了以企业为主体、市场为导向、产学研用相结合的创新体系，有望在新一轮科技和产业革命到来之时主导全球显示产业发展。
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总 结
当今时代，全球显示产业正加速向我国转移，迎来了显示产业由大变强的机遇期，也存在外部形势复杂、全产业链布局、显示产业的更新与转型等新挑战。我们应针对各自显示技术特点与发展趋势，整合相关领域材料、工艺、器件方面有优势的企业、高校、科研院所等单位研发资源，提前布局未来显示技术创新开发能力，形成对我国显示技术长远创新发展的有力支撑。最终开拓多种新型显示的特色市场，百花齐放，全面发展，圆“十三亿中国人看中国（安全）电视”的中国梦，推动我国显示产业由大变强，成为显示产业强国，为中华民族百年复兴做出应有贡献。
参考文献：
1. 高伟男,许祖彦,毕勇,等.激光显示技术发展的现状和趋势[J].中国工程科学,2020,22（3）:85-912.
2. 高伟男,毕勇,许祖彦,显示产业化新进展,中国科学院高技术发展报告2020
3.中国新型显示产业配套保障能力白皮书 ,2018
4.焦志强,黄清雨,张娟,等.OLED材料与器件研究进展[J].新材料产业.2018(02)
5.季洪雷,周青超,潘俊,等.量子点液晶显示背光技术[J]. 中国光学 ,2017,10(05):666-6806.
6.S.Minyuan,Y.Yuan,B.Yong,et.al.Acceleration and expansion of aphotorealistic computer-generated hologram using backward ray tracing and multiple off-axis wavefront recording plane methods [J] Optics Express.2020,28(23)
作者简介
高伟男，中国科学院理化技术研究所，高级工程师，研究方向为高功率激光、激光全色显示技术等。
毕勇，中国科学院理化技术研究所，研究员/ 中心主任，研究方向为激光显示、激光全息三维显示、激光散斑技术等激光技术及应用研究。
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