透明显示技术的进展

胡 凯，陈禹翔，李 青

(东南大学电子科学与工程学院，南京 210096)

透明显示技术的核心是透明显示面板，透明显示板是一种能够显示图像的透明面板，它与双面显示板不同，双面显示板是一种能够在显示面板两侧同时显示图像的显示器件［1］。透明显示板在关闭时，面板就仿佛一块透明玻璃;当其工作时，观看者不仅能够观看到在面板上显示的内容，同时还能透过面板观看到面板后的物体。

近几年，研究人员对透明显示技术做了大量研究，尝试了各种不同的显示技术，如液晶显示技术、有机发光二极管显示技术、等离子体显示技术等。总体来说，透明显示技术可以根据显示器的不同分为两种。对于液晶显示器这种非自发光的显示器件，透明显示技术主要是利用外界光或者进行背光源的重排来达到透明显示;而对于OLED、PDP 这种自发光显示器件，透明显示技术主要指通过技术改进采用透明度高的材料替代或者去除原来器件中不透明的部分，不断提高器件的整体透明度以实现透明显示。

1 LCD 透明显示技术

2010年日本夏普公司的一个实验小组发表了一种利用网状聚合物液晶(Polymer Network Liquid Crystal)制作的60 inch 的透明显示板［2］。相对于分散聚合物液晶(Polymer-Dispersed Liquid Crystal)而言，网状聚合物液晶的优点是其可以用TFT 有源矩阵进行驱动且所需要的驱动电压较低。

这种透明显示板有两个工作模式:黑白模式及彩色模式。

黑白模式分为透明态及散射态。如图1所示，当面板工作于透明态时，观看者可以透过面板观察到面板后的光源和物体。当面板工作于散射态时，面板后的光源及物体发出的光到达面板后会发生散射，对观看者而言，面板上的图像将是模糊的，无法分辨光源及物体。

要使显示屏显示彩色图像，传统液晶显示技术主要使用3种方法实现彩色显示:①使用红、绿、蓝三色滤色片;②向宾主模式液晶加入二色性染料;③采用背光源颜色高速变化的场序模式。但是这3种方法都不适用于透明显示板。如果使用滤色片，由于滤色片会吸收光线，必然造成面板的透明度降低;如果使用宾主模式，即使二色性染料排列方向与面板平行，倾斜方向的透光率仍然很低;而网状聚合物液晶的响应时间是74 ms，满足不了场序模式的要求。该实验小组采用投影的方法将彩色图案投影到显示屏上，如图2所示。

图2 透明显示原理图

该60 inch 透明液晶显示板使用网状聚合物液晶及TFT 阵列制作而成，其特性如表1所示，其中透明度是在正常直射光的条件下测得的。

表1 60 inch 网状聚合物液晶透明显示板特性

图3(a)是该透明显示板工作在黑白模式下的照片。图中显示屏上显示字符的部分工作于散射态，其余部分工作于透明态。图3(b)是该透明显示板工作在彩色模式下的照片。图中显示屏上显示图案的部分工作于散射态，其余部分工作于透明态。投影仪将图案投影在显示屏上工作于散射态的部分，观看者便能够观看到彩色图案。由于面板是由TFT 阵列驱动，所以图案可以在屏幕上平滑地移动。

图3 工作状态下的60 inch 液晶透明显示板

2012年2 月，京东方推出了国内首款透明液晶屏，见图4［3］。这款32 inch 彩色透明液晶显示屏采用京东方高世代线所生产的液晶面板，并应用了京东方独有的宽视角技术，具有全高清、宽视角(上下左右视角均达到178°)和高对比度(1200 ∶1)等特色。

图4 国内首款透明液晶屏

与传统的液晶面板相比，该透明显示屏可以利用普通的环境光满足背光需求，而不需要背光模块充当光源来显示图像，白天几乎不需要开启背光，其电力消耗只是普通液晶显示的十分之一左右。

对于液晶显示技术来说，由于液晶的特性，实现透明显示并不困难，透明度也比较高。但是，传统的背光源无法在液晶透明显示板中使用。对于这个问题，有以下2种解决办法:(1)依靠外界光(包括自然光或使用投影仪等)进行显示;(2)将光源置于面板的边侧，辅以导光板。前一种方法适于用在大尺寸液晶透明显示板，而后一种方法可用在小尺寸液晶透明显示板。若能将光源问题解决，并提高液晶分子的响应速度，液晶透明显示有很大的发展空间。

2 OLED 透明显示技术

有机电致发光显示(OLED)是自20世纪中期发展起来的一种新型显示技术，其原理是通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复合产生可见光。与LCD 相比，OLED 具有全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超薄、低功耗、无视角限制、工作温度范围宽等诸多优点［4］，加上其器件结构很适合作为透明显示面板，因此目前基于OLED 的透明显示技术发展十分迅速，是研究的热点。

根据器件电极结构的不同，有源驱动有机电致发光显示(AMOLED)可以分为顶部发射型、底部发射型和顶部底部同时发射型3 类［1］。传统的底部发射型AMOLED 使用反射型阴极电极和透明的阳极电极，以增加发光效率和器件的稳定性。顶部发射型AMOLED 使用半透明的阴极电极和反射型阳极电极，这样使光线能从顶部发出，因此它能够解决TFT 阵列带来的低开口率问题，但它仍然需要使用圆偏振片以增加对比度。双面发射型OLED 使用半透明的阴极电极和透明的阳极电极使光线能够从顶部和底部两面同时发出，其在双面显示中应用较为广泛。

对于AMOLED，如果要实现透明显示，有2个关键的问题需要解决，即面板的透明度与稳定性。目前主要有2种方法来增加面板的透明度，一是改变电极结构，使用透明材料制作电极增加面板透明度，二是改变电极排布，增加透射窗口面积以提高面板透明度。

2.1 改变电极结构实现透明显示的OLED 透明显示技术

改变AMOLED 电极结构实现透明显示，以往主要有2种方法，一种是采用顶部发射结构，采用Mg-Ag 材料制作阴极电极，另一种是用银材料作为阴极电极和n 型掺杂材料制作电子传输层。第1种方法带来的问题是阴极电极的薄层电阻很高，造成面板亮度不均匀。对于第2种方法，必须要考虑到n 型掺杂电子传输层的热不稳定性。因此，这2种方法都不适合用于透明显示。

2010年，韩国大田的一个氧化物电子研究小组提出了一种新型结构［5］，将AMOLED 面板的透明度提高了80%。该面板对于不同波长的透明度曲线如图5所示。

图5 新型OLED 透明显示板透明度曲线图

该面板使用底部发射型结构，为了使光线都从底部发射而增加面板的亮度，需要增加阴极电极的反射率，但同时也会造成面板透明度下降。因此，除了电极结构的优化，该实验小组还使用了透明消气剂和新型防反光涂层技术来提高面板的透明度。透明消气剂不仅可以消除玻璃与玻璃盖间隙中的空气从而提高面板透明度，同时也将面板的抗压强度提升了50%。

增加面板透明度的另一个措施是降低玻璃的反光率。由于反射的原因，普通玻璃的透明度为92%左右。该实验小组使用了防反光涂层技术来减少反射［5］，这种技术利用玻璃与空气的光学匹配，将玻璃的透明度提高到了98%。

该AMOLED 透明显示板由TFT 阵列驱动，显示动画时面板的亮度通常为200 cd/m2，但显示白场时亮度下降到100 cd/m2。图6 是该显示板工作时的照片。

图6 新型OLED 透明显示板工作时的照片

2011年清华大学的一个实验小组提出了一种OLED 透明显示板［6］，使用新型电极结构制作了一块1.9 inch 的透明显示屏。

该实验室采用20 nm 厚的银薄膜制作阴极电极，Li3N 材料制作电子注入层，并只用与银薄膜连接的Alq3作为外部耦合层。透过改变Alq3的厚度可以调节光从底部或顶部发射的比率。

图7 是该OLED 透明显示板底部与顶部发射亮度与电压关系图。从图中可以看出，当驱动电压为5 V 时，底部与顶部的发射亮度分别是5 000 cd/m2和1 500 cd/m2。

图7 OLED 透明显示板底部与顶部发射亮度与电压关系图

Li3N 的引入使面板在使用银薄膜作为阴极电极的情况下也能拥有较小的驱动电压。通过在Alq3与Ag 之间加入Li3N，使得面板具有较高的电流效率。根据图8，当电流密度为1 000 A/m2时面板底部与顶部的电流效率分别为14.5 cd/A和2.7 cd/A。图9 是OLED 透明显示板工作时的照片，面板分辨率为128×64，对于550 nm 波长光线的透明度为52%。

图8 OLED 透明显示板底部与顶部电流效率与电流密度的关系图

图9 OLED 透明显示板工作时的照片

2.2 改变电极排布实现OLED 透明显示技术

2010年SID 会议上Jinkoo Chung 等人提出了一种基于底部发射的透明显示OLED 技术［7］。这种透明显示AMOLED 屏在底部显示图像，而在背面通过透射窗口观察图像。其面板像素排布如图10所示。

图10 底部发射型透明显示OLED 屏像素排布示意图

在这种面板的像素布局里，发射区域与透射区域分开排布。为了提高面板的透明度，在像素布局设计时应使透射窗口面积越大越好。如图10所示，双面显示OLED 面板中的发射区域比传统OLED 面板要小很多，取而代之的是面积更大的透射窗口。面板工作时的状态如图11所示。

图11 底部发射型透明显示OLED 屏实物图

与这种技术类似的还有Young W.Song 等人在SID 会议上提出的一种基于低温多晶硅的透明显示OLED 屏［8］，其像素排布如图12所示。图13 是该低温多晶硅透明显示屏在笔记本电脑上的一个应用，该显示屏有较宽的色彩范围，高亮度和高透明度，可以满足日常的需求。

图12 基于低温多晶硅的透明显示OLED 屏像素排布示意图

图13 基于低温多晶硅的透明显示OLED 屏实物图

3 PDP 透明显示技术

PDP 制造工艺和装置结构相对简单，不需要像其他显示技术一样由TFT 驱动电路，因此PDP 透明显示技术被认为是最适合制作大尺寸透明显示板的一种透明显示技术，对其的研究也十分火热。相较于传统PDP，透明显示PDP 可以采用类似的放电单元结构，而只需要把传统PDP 面板中不透明的材料改换为透明材料，使背面能够观察到光。传统PDP 面板中不透明的部分主要为障壁层、荧光粉层和电极，而玻璃基板、介质层等原本就透明的部分，只需要提高其透明度。综合两者便能够实现PDP 的透明显示。

2011年，韩国大田科学技术院研究出一种PDP透明显示屏，使用了透明度很好的绝缘层和障壁［9］。该PDP 透明显示屏采用二氧化硅溶胶凝胶层作为绝缘层。由于不需要真空条件，并且在较低的温度下就可以形成(固化温度低于150℃)，这种旋涂工艺制作的二氧化硅溶胶凝胶层成本较低。该二氧化硅溶胶凝胶层能够略微增加基板的透明度，其主要原因有2个:一是去除了微孔(pores)，而微孔能降低透明度，二是这种绝缘层的介电常数(nsol-gel=1.43)在空气(nair=1)与玻璃基板(nglass=1.53)之间，根据菲涅尔等式，这种nglass/nsol-gel/nair系统的透明度要高于nglass/nair系统。

该PDP 透明显示屏使用SU－8 光刻胶制作障壁。如图14所示，这种SU－8 光刻胶障壁是透明的，它只吸收一点光，该障壁可以在低温下通过光刻工艺制成(其烘烤温度低于150℃)。但SU－8 光刻胶容易被等离子损坏，因此作者使用了一种无机材料层(二氧化硅层)来保护SU－8 光刻胶障壁，使障壁在等离子放电的条件下能使用更长时间。被涂覆了二氧化硅层之后的SU－8 光刻胶障壁(一个单元的尺寸为0.36 mm×1.08 mm)的透明度接近88%。

图14 被涂覆二氧化硅层的SU－8 光刻胶障壁SEM 图

如图15所示是该实验小组研制的PDP 透明显示屏。该显示屏的透明度接近63%，足以使观察者透过面板看到面板后的物体。这块显示屏可以由传统驱动电路进行驱动，不过这块显示屏不含荧光粉，后续工作将致力于透明荧光粉的研究。

图15 一种PDP 透明显示屏实物图

2012年，Cheol Jang，Kukjoo Kim 等人又对上述PDP 透明显示屏做了进一步改进［10］，采用柔韧度更好的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)来制作PDP 的前后基板，结构图如图16所示。

图16 PET 制作PDP 前后基板结构图

由于PET 相比于玻璃更加容易渗透水蒸气造成对放电腔的气体的污染［11］，该研究小组在PET膜上制作了多层的有机层和无机层，如图17所示，既用来隔绝外界水蒸气渗透PET 基板，同时也可以保护PET 基板不受等离子体中的粒子的轰击。

图17 作为介质层的多层物质的SEM 截面图

该PDP 透明显示屏仍然采用SU－8 作为透明壁障，如图18所示，这种壁障的透明度可以达到91.5%。显示屏各部分的透明度如图19所示，整个面板在可见光范围内的透明度达到了57.5%。同时，由于采用了PET 作为基板，使得显示屏可以弯曲一定的角度仍然可以工作，图20所示分别是该显示屏关态和开态以及在面板弯曲情况下的工作状态。

图18 SU－8 制作的透明柔性壁障

图19 透明显示屏各部分在可见光波长范围内的平均透射率

图20 研制的柔性透明显示屏。测试屏在整个可见光波长范围内的透射率为57.5%。

4 其他透明显示技术

4.1 电致变色透明显示技术

Yi-Wen Chung，Ai-Kang Li 等人于2011年开发出一种利用电致变色材料制作的透明显示屏［12］。

该显示屏的结构图如图21所示，其中电致变色层首先由单分散的聚苯乙烯微球颗粒通过乳化剂的共聚作用合成，如图22(a)所示，随后这些胶状的粒子堆积形成胶态晶体，如图22(b)，最后将电致变色材料普鲁士蓝填充到胶态晶体层的间隙中。

图21 电致变色屏的结构图

图22

该电致变色层施加电压不同会显示不同的颜色，－3 V 时为红色，1 V 时为蓝色，3.5 V 时为绿色，如图23;而施加电压为－4 V 时，该电致变色屏变为透明，如图24。

图23 电致变色层显示红绿蓝三色

图24 A4 尺寸的柔性电致变色屏

同时，这种电致变色屏能够有效的阻挡太阳光中主要的热辐射波段，即长波段光线以及远红外光线，研究显示该电致变色屏可以阻挡80%～95%的热辐射，因此这种柔性透明装置在与建筑结合的显示领域有十分广阔的前景。

4.2 肥皂泡薄膜透明显示技术

2012年，日本东京大学、筑波大学与美国卡内基－梅隆大学研究人员共同研制出肥皂泡显示屏［13］。他们使用两种胶状液体的混合液制作出了一种超薄且柔软的显示屏。这种肥皂膜的平均厚度仅为0.7μm，堪称世界上最薄的透明显示屏，如图25所示。

图25 肥皂泡薄膜透明显示屏

在超声波作用下，肥皂泡显示屏可以让不同图像表现出不同质感。研究人员通过扩音器释放超声波，声波“撞击”薄膜，改变在薄膜上投影的影像纹理，让影像看起来更平滑或更粗糙。例如，蝴蝶的翅膀应该闪闪发亮，撞球应该光滑圆润，该透明肥皂泡显示屏便可以时时改变反射状态，表现物体的不同质感。

同时，肥皂泡显示屏还可以通过改变声波的频率来改变投射在它上面影像的透明度。超声波与超薄膜的组合可以在屏幕上形成更真实、鲜明与生动的画面。如果把几个肥皂泡显示屏组合在一起，还可以看到立体效果甚至全息投影。

由于采用特殊胶质，即使有硬物从中间穿过，肥皂泡也不会爆裂，因此，肥皂泡显示屏的结实程度不用担心。

这种肥皂泡显示屏可以帮助艺术家展示作品，也可以用于博物馆。

5 结束语

本文主要介绍了LCD、OLED、PDP 这3种主流的透明显示技术以及这些技术的一些新进展.透明显示技术是一项突破显示领域设计局限的技术，它为那些要求得到宽视角、新视觉感受的高端应用提供了理想选择。透明显示具有广阔的应用范围，可以融合多点触摸、智能显示等技术，作为公共信息显示的终端，用在百货陈列窗、冰箱门透视、汽车前风挡玻璃、自动售货机等各个领域，具有展示、互动、广告等协同效果;在军用领域，车辆、飞机驾驶员以及单兵作战时的命令传达、战场观察、地形查看、夜视系统显示等，都有透明显示技术的应用空间［14］。预计在不久的将来，随着透明显示产品实现量产和规模化应用，电影中的场景将在现实生活中随处可见，透明显示屏将随时随地为人们提供信息服务。

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