柔性显示技术研发现状及发展方向

赵博选，王 琦

（1.美题隆精密光学（上海）有限公司,上海 200131；2.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

柔性显示（Flexible Display，FD）是指在塑料、金属薄片、玻璃薄片等柔性基材上，制备的具有可挠曲性的平板显示器件[1]。最近，Displaybank发布了《软性显示技术动向及市场展望》报告，对近期柔性显示相关技术的开发现状及相关企业的动向进行了分析、预测与展望，如图1所示[2]。

图1 Displaybank柔性显示市场展望

据Displaybank估算，柔性显示市场规模将从2015年的11亿美金成长到2020年的420亿美金，约占平板显示市场的16%。按出货量基准预计，将从2015年的2 500万台扩大至2020年的8亿台，约占整个平板显示市场的13%。柔性显示产品不仅会全面替代现有显示产品，还将创造出许多新型应用市场而引领整个显示市场的快速成长。替代现有产品的市场规模约从2015年的5亿美金增长至2020年的19亿美金，新型市场规模将从2015年的6亿美金增长至2020年的22亿美金，发展潜力非常巨大[2]。日前，日本半导体实验室（SEL）、美国Apple、韩国三星、LG、Philips、诺基亚等巨头正争分夺秒地推进将柔性显示器件进行包括可穿戴化等新技术的研发与应用，柔性显示所引领的新一代显示技术革命正扑面而来。

1 主要柔性显示技术研发现状及未来研发方向

1.1 OLED显示技术

1.1.1 技术原理及研究发展现状

OLED（Organic Light-Emitting Diode）显示，是在电压驱动下，电子和空穴从阴、阳极注入到电子传输层和空穴传输层，迁移至电致发光层形成激子，激发电致发光层产生辐射发光的显示技术，如图2所示[3]。常分为有机小分子电致发光显示和高分子电致发光显示（Polymer Light-Emitting Diode，PLED）。

图2 OLED结构原理图

有机小分子电致发光显示方面，在SID2008展会上，Sony展出了柔性、全彩、有源驱动的2.5 in（1 in=2.54 cm）OLED 显示器件，像素120×160，1 680色。2008年底，台湾工研院展示了0.2 mm的超薄柔性OLED显示器件。2012年，美国亚利桑那州立大学开发出7.4 in柔性OLED。在CES2013展会上,三星展出了使用柔性OLED屏的手机原型，该屏为5 in，高宽比16∶9，720p，如图3。2013年初，LG率先推出了全球第一款55 in柔性OLED电视产品，这是全世界第一款得以量产的大屏幕柔性显示器件，如图4。2013年8月，三星也正式推出了55 in的大型柔性OLED显示电视。2013年8月，华南理工大学发布了4.8 in全彩柔性OLED显示器件。在IFA2013展会上，LG展出了仅4.3 mm的77 in柔性OLED电视；三星则展出98 in的柔性OLED电视，如图5。高分子电致发光显示方面，由于其材料优秀的可加工性能，更易实现大屏化、柔性化[4]。CDT公司一直致力于PLED显示技术的研发工作，相继展出了多款PLED样品；飞利浦已将其研发的PLED应用于其剃须刀上。

目前OLED柔性显示的主要研发机构有：Philips、Sony、柯达、三星、LG、台湾工研院、英国CDT公司、日本精工-爱普生、香港城市大学、清华大学、华南理工大学、南京邮电大学、上海大学等。

图3 三星5 in柔性OLED屏手机

图4 LG 55 in柔性OLED电视

图5 三星98 in柔性OLED电视

1.1.2 未来研究发展方向

OLED柔性显示具有画面质量高、响应速度快、加工工艺简单、抗挠曲性优良、驱动电压低等优点，且已初步实现了产品的量产化。未来的研发方向主要集中在：1）更高效率的电致发光材料及电子、空穴传输等功能材料的研究与开发；2）封装基板及相关封装材料的研究与开发；3）显示器件结构设计优化；4）器件寿命的进一步提高；5）低成本封装工艺及设备的研发；6）驱动电路的优化设计与提高等方面。

1.2 电泳显示技术

1.2.1 技术原理及研究发展现状

电泳显示（Electrophoretic Display，EPD）主要包括各种微胶囊化电泳显示（Microencapsulated Electropho⁃retic Display，MED）、扭转球型电泳显示（Twisting Ball Display，TBD）、微杯型电泳显示（Microcup Electrophoret⁃ic Display，McED）及逆乳胶电泳显示（Reverse Emulsion Electrophoretic Display，REED）等多种显示模式[5-6]。

微胶囊型电泳显示，是将电泳粒子和绝缘悬浮液封装在微胶囊中，在两侧施加电场，通过控制每个微胶囊中分布的带正电白色粒子和带负电黑色粒子形成显示单元[7-8]，显示原理如图6所示。也包括将其他光电材料进行微胶囊化等形成的类电泳显示模式。

图6 微胶囊电泳显示原理图

在SID2013展会上，Sony公司和E-Ink公司联合开发的 Mobius柔性微胶囊电子纸被展出，13.3 in，重60 g，如图7。2013年，Sonostar公司成功地将E-Ink的1.73 in柔性屏商用于其智能手表上，如图8。2012年，LG公司发布6 in微胶囊型柔性电子纸，分辨率1 024×768，最大弯曲40°，如图9。

图7 Mobius柔性电子纸

图8 Sonostar采用柔性电子纸的智能手表

图9 LG的6 in柔性电泳电子纸

扭转球型电泳显示，是将黑/白双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，通过驱动电路控制产生的偶极子的扭矩力使双色球发生扭转，呈现黑白显示，调整和控制图像灰度等，实现显示模式[9]，显示原理如图10所示。

图10 扭转球电泳显示原理

20世纪70年代，施乐公司的Palo Alto研究中心（PARC）研发出了基于扭转球型电泳技术的世界上首款电子纸模型——Gyricon。2000年后，PARC又发布了多款基于此技术的电子纸样品及产品，如图11。

图11 PARC的Gyricon

微杯型电泳显示，是先将带电微粒分散在染色的绝缘溶剂中形成胶体电泳液，再用预定型的阳模型板或滚筒在一定的温度下对导电薄膜上的预聚体涂层碾压，得到整齐的二维排列定形孔状矩阵，向孔洞中注满胶体电泳液密封，带电微粒在电场作用下发生电泳，改变电场方向，使某一颜色的带电颗粒定向泳动，产生图像显示[10-11]。友达光电旗下的SIPIX公司通过制作“微杯”矩阵技术，成功制备了柔性显示器件，其结构原理如图12。SIPIX公司已将其“微杯”技术申请了多项国内外专利。

图12 SIPIX微杯电泳显示结构原理图

2009年，SIPIX公司成功推出了利用其微杯技术的首款6 in柔性电子纸产品，曲度10 cm，16灰阶，9∶1的高对比度及33%的高反射率，如图13所示。

图13 Sipix的6 in柔性微杯电子纸

逆乳胶电泳显示，主要是Zikon公司研发的显示技术，将逆乳胶溶液注入两片导电基板中，选择极性染料使极性相（即微胞内）呈现色彩，在适当的电场下，控制微胞均匀分布在较宽的电极上或均匀分布在溶液中，使显示器呈现微胞内染料的色彩；也可控制微胞聚集在较窄的电极上使显示面板呈透明状态，从而实现显示模式[5]。基于该技术的产品现还处于研发阶段，批量产品仍未上市。

目前EPD柔性显示的主要研发机构有：E-Ink公司、LG公司、Sony公司、台湾工研院、SIPIX公司、Zikon公司、汉王科技、西北工业大学、天津大学等。

1.2.2 未来研究发展方向

电泳柔性显示未来的研发方向主要集中在：1）高质量电泳显示材料的制备及提高；2）结合电泳材料的、更优化的柔性显示器件结构设计与优化；3）更优化的、快速刷新的驱动电路等的设计与优化；4）柔性基板及封装材料的研发、制备；5）更大尺寸、高良品率柔性显示器件相关材料及工艺开发等方面。

1.3 TFT-LCD显示技术

1.3.1 技术原理及研究发展现状

柔性TFT液晶显示（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD）主要有双稳态液晶显示、铁电液晶显示、固态液晶膜液晶显示（如聚合物分散液晶（Polymer Dispersed Liquid Crystal，PDLC）、向列曲线排列相（Nematic Curvilinear Aligned Phase，NCAP）液晶等）、单稳态液晶显示、反铁电液晶显示等多种显示模式[12]。

反射双稳态胆甾液晶显示[13-14]，胆甾型液晶分子在平面态（planar state）时，分子螺旋轴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长时，由于布拉格反射，呈亮态；分子在焦锥态（focal conic state）时，液晶分子的螺旋轴基本平行于基板面，有些呈现不规则排列，部分入射光被散射，其他绝大部分光被基板表面吸收层吸收，为黑态；通过电场控制两种稳态模式的切换实现显示，显示原理如图14所示。

图14 双稳态胆甾液晶显示原理

2008年，台湾工研院发布了基于此技术的10.4 in彩色柔性显示器件[15]；Philips公司于2002年展出了总厚250 μm的柔性胆甾型液晶显示器件；Kent Display公司等采用微胶囊化法研发了胆甾型液晶柔性器件；Fujitsu公司于2005年发布了胆甾型液晶单色及彩色柔性显示器件，如图15；Asad Khan等使用Ink-jet方法研发了20×24的反射式双稳态液晶柔性显示器件。

图15 Fujitsu的反射胆甾液晶柔性彩色显示屏

顶点双稳态液晶显示（Zenithal Bistable Display）[16]，是ZBD Display公司开发的双稳态向列液晶（Nematic）显示技术，使用类似于光栅的特殊槽栅及特殊设计，通过外加可变电场，控制向列液晶的两个稳态（高倾角和低倾角）之间的相互转换而实现显示模式，显示原理如图16所示。

图16 顶点双稳态液晶显示原理图

在SID2007展会上，NemoPtic公司推出了基于顶点双稳态技术的A4尺寸柔性电子纸，厚度小于2 mm，200（点/in），如图17。2000年，G.P.Bryan-Brown等报道了高对比度的顶点双稳态柔性显示器件[17]。

铁电型液晶显示[16]，将铁电液晶夹在间隙小于一个螺距的两片导体中，边界与分子间的作用力使液晶分子无法形成螺旋层状排列，边界作用使每层的液晶分子方向趋于一致，分子的长轴和层结构的法线方向夹角有两种稳态方式（能量分布对称时），通过控制两种稳态模式的选择，形成显示单元，如图18所示。

图17 NemoPtic公司顶点双稳态液晶柔性显示器件

图18 单稳态铁电液晶柔性显示原理图

2006年，日本NHK公司展示了A4尺寸的铁电液晶柔性显示器件，分辨率96×64，如图19。Hideo Fujik⁃ake等研制了100 mm×100 mm、20 s内弯曲曲率半径20 mm的柔性显示器件。

图19 NHK铁电液晶柔性显示器

聚合分散型液晶（PDLC）显示[18]，是将向列型液晶均匀地分散于透明聚合物基体中，通过光聚合、热引发等诱导相分离，形成微米级的液晶小液滴被包在固化成网状聚合物体系中的显示模式，如图20所示。

2001年P.Mach等报道了ITO-PET基板、像素2×3的AM-PDLC柔性显示器件，如图21所示[19]。

目前，柔性TFT-LCD显示的研发机构主要有：IBM、HP、精工-爱普生、东芝、索尼、惠普、Kent Display、ZBD display、NemoPtic、三星、富士通、柯达、飞利浦、NHK、友达光电、天马微电子等。

图20 PDLC柔性显示原理图

图21 P.Mach等的AM-PDLC柔性器件

1.3.2 未来研究发展方向

液晶型柔性显示技术未来研发方向主要集中在：1）高电响应速度、抗外力冲击液晶材料的研究与开发；2）低驱动电压、低功耗等驱动电路的设计与提高；3）显示性能（如宽视角、高刷新率、高灰度等）的提高；4）全彩色化器件结构设计、优化及相关新材料的开发；5）高质量封装基板及相关封装材料的研究开发；6）低成本、高良品率连续生产工艺、设备等的研发等方面。

1.4 无机EL显示技术

1.4.1 技术原理及研究发展现状

无机EL显示（Electroluminescence Display，ELD）是指主要利用无机半导体荧光体材料在外加电场作用下自发光现象的显示技术。其结构原理如图22所示[20]。绝缘层与发光层界面的隧穿电子及发光层杂质/缺陷电离的部分电子在电场作用下加速碰撞发光中心，使之发生激发或离化，从而实现可见光的发射及显示。

图22 无机EL结构原理图

日本TAZMO在LIGHTING JAPAN2013展会上展出了柔性无机EL显示器件，尺寸为A4、A2，如图23。

图23 TAZMO的无机EL柔性器件

目前，柔性无机EL显示技术的研发机构主要有：日本TAZMO公司、韩国三星、清华大学等。

1.4.2 未来研究发展方向

相对于OLED，无机EL的参与者较少。柔性无机EL未来研发方向主要集中在：1）低激发功、高性能的无机EL材料及相关功能材料的研发；2）低成本、更简化生产工艺技术的研发；3）更高发光效率的器件结构设计、驱动电路的开发；4）其他相关材料（主要包括基板及封装材料等）的研发等。

1.5 电子粉流体显示技术

1.5.1 技术原理及研究发展现状

电子粉流体（Liquid Powder Display，LPD）显示是普利司通公司在2004年提出的显示技术[6]。与电泳显示相类似，它是利用纳米级树脂微粒在电场中的运动实现图像和文字显示的显示模式，如图24所示。

图24 LPD显示原理图

图25 普利司通柔性双色LPD

1.5.2 未来研究发展方向

电子粉流体柔性显示技术的未来研发方向主要集中在：1）低电压驱动、高电响应速度的电子粉流体材料等的研究与开发；2）新型封装材料及技术的研发；3）低成本相关制备工艺及设备的研究开发；4）可实现全彩化的电子粉流体材料的研究与开发；5）相关驱动电路的设计、研发、优化等方面。

1.6 干涉调制显示技术

1.6.1 技术原理及研究发展现状

干涉调制显示（Interferometric Modulator Display，IMOD），其工作原理类似于蝴蝶翅膀生成颜色的模式，代表性的是高通光电开发的Mirasol显示。利用两个基板表面之间的空气间隙的光反射形成干涉，通过控制气隙的大小，从而产生不同的颜色。每个iMod单元形成一个微电机系统，包含薄膜层叠电极和悬浮在上面的反射隔膜电极，空气夹在中间；在偏置电压作用下，反射隔膜在开放态时反射红、绿、蓝三色中的一种，折叠态时完全吸收光线呈黑色，从而形成彩色显示[6]。如图26所示。Mirasol显示的工作电流很小，如只是维持画面而不进行操作，其功耗几乎为零；用户可在任何环境中包括在明亮的阳光下观看。

在FPD2007展会上，普利司通展示了改进的9 in QR-LPD（Quick Response-Liquid Powder Display）柔性双色电子纸，厚0.29 mm，如图25。2009年，普利司通进一步呈现了超薄、柔性的电子粉流体电子纸，8.1 in，4 096色，480×384像素。2009年5月，美国辛辛那提大学与Sun Chemical、Polymer Vision 和Gamma-Dynam⁃ics也合作开发此技术，并在《自然·光电子学》上报道了基于该显示技术的研究成果。

目前，电子粉流体柔性显示技术的主要研发机构有：台达电、普利司通、美国辛辛那提大学、Sun Chemi⁃cal、Polymer Vision 和Gamma-Dynamics等。

图26 IMOD结构原理图

2012年，高通光电和汉王科技联合推出了基于此技术的彩色电子纸，如图27。目前，高通光电等正致力于Mirasol技术的新一代柔性显示产品开发。

图27 Mirasol彩色电子纸

目前，干涉调制柔性显示的研发机构主要有：高通光电、东京大学、汉王科技、台湾工研院等。

1.6.2 未来研究发展方向

干涉调制柔性显示技术未来的研发方向主要集中于：1）更简化、低成本的制作工艺的研究及开发；2）柔性封装基板及相关封装材料的研发；3）低功耗的驱动电路的设计、优化等。

1.7 电致变色显示技术

1.7.1 技术原理及研究发展现状

电致变色显示（Electrochromism Display，ECD）是利用电致变色材料在外加电场作用下，发生电化学氧化还原反应，产生稳定的可逆变化，外观表现为颜色和透明度的可逆变化的显示技术[21-22]。常见ECD显示器件结构原理如图28所示[23]。

图28 ECD结构原理图

在2011年底的IDW 2011国际展会上，日本理光公司展示了3.5 in的全彩EC电致变色电子纸模型；随后在Nano Tech2013展会上，理光又展示了其改进的全彩EC电致变色显示器件。华东师范大学孙卓等在柔性基板上制作了EC电致变色显示器件，如图29所示[24]。

图29 华师大FECD

目前致力于ECD显示技术的机构主要有日本理光、Acreo公司、Aveso公司、Ntera公司、Seiko-Epson、Siemens、NIMS、西南交通大学、天津大学、华东师范大学等。

1.7.2 未来研究发展方向

ECD柔性显示未来研发主要集中在：1）更快响应时间、更高效率的电致变色材料及相关功能材料等的研发；2）低成本器件制作工艺；3）全彩化器件结构设计和优化；4 in柔性基板等封装材料的研制等。

1.8 等离子管阵列显示技术

1.8.1 技术原理及研究发展现状

等离子管阵列（Plasma Tube Array，PTA）主要组件是多条极细的等离子管，其直径非常接近显示器的厚度，有红、绿、蓝3种颜色，排成阵列，夹在两片电极板中。由于等离子管厚度很薄，且是由多条长管阵列而成，所以具有可挠曲性。其结构原理如图30所示[25-27]。

图30 PTA构造图

日本篠田等离子公司在2008年发布了125 in的弧形PTA面板原型，长3 m、宽1 m，像素960×360，最薄处仅1 mm。2009年，富士通先端科技与篠田等离子在 Fujitsu Forum2010展会上展示了145 in大型弧型PTA显示器原型。2010年，先端科技与篠田等离子将圆柱型大型PTA显示器正式实用化，设置于东京地铁银座车站，作为大型户外数字告示使用，如图31所示。

图31 先端科技柔性PTA屏

目前，PTA柔性显示技术的研发机构主要有：日本富士通公司、日本篠田等离子公司、东南大学等。

1.8.2 未来研究发展方向

PAT显示技术由于其组件及结构设计的特殊性，其主要定位在大尺寸、室外显示方面。未来的研发方向主要集中于：1）器件使用寿命等性能的进一步提升；2）低成本等离子管的设计及制造工艺的开发；3）低电压、低功耗显示驱动电路的研发；4）更精细化、更高显示分辨率的显示器件的研发等。

2 其他柔性显示技术

2.1 光子晶体显示技术

光子晶体显示技术（Photonic Crystal Display，PCD），又称光子墨水（ Photonic Ink，P-Ink）主要由Opalux公司首创，是利用“蛋白石”的变色特性形成的显示模式。将直径约100～300 nm的球形光子晶体微粒吸附在多孔的电活化聚合物上，当像素电极电压增大时，聚合物汲取电解液而膨胀，附着的球形微粒间距增大，其反射色光的波长变大；若所加电压减小，聚合物挤出电解液而收缩，球形颗粒间距减小，反射色光的波长变小，通过精确控制PCD像素的驱动电压，使其反射不同波长的色光而呈现多种颜色，形成显示模式[11]。如图32所示。施加0～2 V的电压，PCD即可实现全部的可见光色。目前，Opalux正致力于研发PCD技术的柔性显示产品。其未来研发主要集中在:更低成本/高性能光子晶体材料及相关新材料的研发，更优化器件结构设计，低成本制备工艺研发，低功耗驱动/控制电路的优化设计等方面。

图32 PCD显示结构原理图

2.2 电润湿显示技术

电润湿显示（Electrowetting，EW），主要是由Philips旗下的Liquavista公司研发，发表在《Nature》2003年第8期。利用电压控制被包围的液体的表层，产生像素变化。在未加电压时，有色液体与不透水且绝缘的电极外层间形成扁平薄膜，形成一个有色像素点；在电极与液体之间加电压，使液体与电极外层接触面的张力发生改变，稳定的静止态被打破，液体被移至旁边，形成部分透明的像素点，而同时油被染上颜色，从而获得显示图像效果，如图33所示[26-27]。电润湿显示具有功耗低、亮度高、显示速度快、受外界环境影响小等优点。目前，Liquavista已开发出ColorMatch电润湿显示产品，正致力于柔性电润湿显示产品的研发。其未来研发主要集中在:新材料体系的研发、低成本制备工艺/设备开发、驱动电路优化设计等方面。

图33 电润湿显示结构原理图

3 结论

以上主要研究、讨论了目前主流的8种柔性显示技术；台湾电子科技大学、日本SED、佳能、东芝、日立、台湾工研院、长虹等也正积极开展FED、SED、LED等其他平板显示技术柔性化方面的研发工作。

柔性显示技术市场、技术的激烈竞争局面已经全面展开，三星、LG等公司已经量产化了相关产品。主流柔性显示技术未来的研发瓶颈和方向主要都聚焦于：1）显示技术所用核心光电材料及相关功能材料性能的改进、提高，包括新材料的研发等；2）器件封装基板及相关封装材料的研究开发；3）更高显示性能参数和效率的显示器件结构设计和优化；4）低功耗、高效率驱动电路的设计及优化；5）低成本、高良品率柔性显示器件的制备工艺/设备研发及产业化等；6）大尺寸、长寿命柔性显示器件的制备与优化等。

柔性显示的市场规模和潜力非常巨大，各项新技术、新工艺在日新月异地涌现和发展。三星、LG、美国Apple、Philips、诺基亚、日本SEL、HTC等业界翘楚正全力推进基于柔性显示的可穿戴化等新型光电产品的研发及量产，柔性显示必将成为下一代新型显示技术革命性发展与变革的引领者之一。中国相关从事光电技术研发的科研机构和企业更应该积极顺应国家高新技术产业政策，抓住机遇，迎难而上，刻苦钻研，产、学、研高效合作，不断增强国家光电领域的科技实力。

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