透明OLED显示发展现状及技术分析

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　　摘  要：OLED显示技术的出现打破了人们对显示屏的固有认识，利用这项技术做出来的显示产品可以轻薄易携、色彩艳丽，产品外形上除了有常规的平面状，还可以做成曲面、甚至折叠，给人一种无与伦比的视觉沉浸感。结合OLED技术，我们可以把显示面板做成透明，与LCD依靠外界光进行显示的透明技术不同，透明OLED显示属于自发光的技术，且透明度高，一般在40%以上。透明OLED显示技术给予我们不同的呈现形式与视觉冲击，结合现代物联网的普及，相信将会推动“泛在屏”显示时代的发展。文章基于透明OLED阐述其发展由来并进行技术分析。
　　关键词：OLED;透明显示;透明阴极
　　中图分类号：TN873         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0135-03
　　Abstract： The emergence of OLED display technology has broken people's inherent understanding of the display screen. The display products made by this technology can be light， easy to carry and colorful. Besides the conventional plane shape， the products can also be made into curved surfaces or even folded， giving people an unparalleled sense of visual immersion. Combined with OLED technology， we can make the display panel transparent. Different from the transparent technology that LCD relies on external light for display， transparent OLED display belongs to self-luminous technology， and the transparency is generally more than 40%. Transparent OLED display technology gives us different presentation forms and visual impact， combined with the popularity of the modern Internet of things， it is believed that it will promote the development of the "ubiquitous screen" display era. This paper describes the origin of its development and technical analysis based on transparent OLED.
　　Keywords： OLED; transparent display; transparent cathode
　　引言
　　自1987年鄧青云教授实现低电压下驱动双层有机电致发光器件以来，OLED（有机发光二极管）得到了长足的发展，在显示面板领域呈现出势如破竹的发展之势。与传统的液晶显示相比，OLED属于自发光的显示技术，不需要背光源，因此具有外形轻薄、视角宽广、对比度高的特点。另外，OLED采用固态的有机材料作为发光层，其反射型阳极和半透明阴极构成一个光学微腔，利用微腔效应可使出射光的半峰宽控制在35nm以内，因而OLED面板色纯度高、色域广。每个OLED像素可以被独立地寻址、驱动，像素形状有长方形、菱形、椭圆形等，最小尺寸在15微米左右，其面板产品分辨率可达400 PPI以上、响应速度比液晶快50倍，呈现出来的画面细腻、流畅。OLED具有的上述特性受到面板厂商和消费者的青睐，迅速占领了穿戴、手机、电视和车载显示市场，其面板出货量逐年攀升，预计市场渗透率在2025年将提升至73%。
　　近年来，由三星引领了一场面板行业的外形革命，柔性屏的出现让消费者第一次意识到屏幕还可以由直变弯、由弯到卷。柔性显示屏采用PI（聚酰亚胺）薄膜作为基底，上面制作TFT驱动电路以及沉积OLED材料，最后使用TFE薄膜封装技术达到隔绝水氧的目的。柔性屏的应用领域十分广泛，随着技术瓶颈的突破，良率将会得到进一步的提升。
　　值得一提的是，OLED的器件结构非常适合用于制作透明显示屏，关于这方面的研究一直是行业内的热点。OLED透明屏的应用前景广阔，可用于橱窗展示、户外广告牌、平板显示，甚至可用作玻璃窗户，颇有科幻的感觉。目前市场上已经发布了相关的产品，小尺寸的以Kairos的透明显示智能手表为代表、大尺寸的以三星55寸的透明OLED电视为代表。韩国的LG Display已经掌握了量产大尺寸透明OLED显示器的技术，相信未来会有更多的产品推入市场。
　　面对竞争愈发激烈的显示面板市场，曲面屏、全面屏、折叠屏等新概念层出不穷，说明面板厂商想要突围而出，必须实现产品差异化。透明显示可作为一个新的技术突破点，目前来看，相对于LCD、Micro LED等其他技术，OLED在透明屏产品的生产可行性方面技术最为成熟、最为适合。
　　1 透明显示技术分类
　　透明面板，就是在关闭时像普通的玻璃一样透明，而工作时不仅能让我们看到面板上显示的图像，还能够看到显示屏背后的物体。在目前已报道的案例中，PDP、LCD、Micro-LED、OLED等技术都可以实现透明显示，下面我们来进行简单介绍： 　　1.1 PDP透明显示
　　如今PDP显示屏的产品已非常少见，它的工作原理与常见的日光灯类似，是一种利用气体产生等离子体放电，然后激发荧光粉发出可见光的显示技术。由于PDP不需要TFT驱动电路，因此只要把面板中不透明的电极、荧光粉、阻隔层替换掉就可以实现透明显示。2011年，韩国大田科学技术院使用透明度很高的二氧化硅溶胶凝胶作为绝缘层、SU-8光刻胶作为阻隔层，得到了透过率接近63%的PDP显示屏，取得了良好的视觉效果。
　　1.2 液晶透明显示
　　LCD属于非自发光的显示技术，它依靠背光源发出的光通过红绿蓝彩色膜来显示不同的颜色。要用LCD技术实现透明显示，一般来说有两种方法，第一种是去除背光源，利用外界光作为光源来实现透明的效果，第二种是对背光模组进行重排，将背光源放置在显示屏的边侧。前者适合做大尺寸面板，而后者适合用于小尺寸产品。2012年，京东方展示的国内首款32寸透明液晶显示屏就是采用第一种方法，该显示屏具有全高清、功耗低、宽视角、对比度高的特点，成为当时展会上的焦点。
　　1.3 Micro-LED透明显示
　　Micro-LED是微发光二极体显示器，属于自发光的显示技术，由尺寸在10微米以下的LED晶粒组成发光像素。由于发光像素尺寸极小，因此具有制作透明显示器的先天优势。2019年，天马在SID会议上展示了与PlayNitride合作完成的7.56寸透明度达60%的Micro-LED显示产品，该样机分辨率达114PPI，边框小于0.8mm，可用于车载显示器。但Micro-LED技术至今仍未成熟，在巨量转移、晶粒良率、三基色显示化等方面仍需要一段时间的技术沉淀。
　　1.4 OLED透明显示
　　OLED常见的微结构有底发光与顶发光两种器件，它们的电极设计都是采用一面为全反射、另一面用于透光的方式，這就是所谓的单面显示OLED。其中顶发光器件发出的光线不穿过TFT层，所以比底发光器件具有更高的开口率。如果我们使用透明阳极和半透明阴极制作成OLED器件，则会得到双面显示OLED，美中不足的是这种做法会使OLED器件效率降至25%、色彩饱和度小于50%，难以满足用户的使用需求。OLED透明显示利用其自发光、轻薄的特性，厚度能控制在1mm左右，用该技术做出来的手表、电视、橱窗等产品具有独特的魅力，三星、LG Display、松下等公司已经展出了相关样机。虽然OLED厚度很薄，但它采用的LTPS（低温多晶硅）驱动电路和一些功能层的透过率却很低，因此要实现透明显示，需要对电路重新排布或者把不透明的功能层替换成透明材料，才能获得更高的透过率，我们将在下文进行详细阐述。
　　2 透明OLED显示技术分析
　　目前常见的透明OLED面板透过率在45%左右，利用OLED轻薄、自发光的特点，要实现透明显示并不困难，结合我们的生产经验可分为以下三个方面进行技术介绍：
　　2.1 透明基板技术
　　市场上常见的OLED面板产品大多采用LTPS作为驱动电路，分辨率越高，电路排布越密集。而电路部分的光透过性不佳，尤其是用ITO/Ag/ITO作为阳极的全反射层完全不透光，因此，我们首先考虑到的是对TFT电路进行重新排布，通过让发光像素和电路紧凑排列来腾出透光的区域（图1）。另外，我们尝试以四个像素为一组，只保留一个像素作为发光显示区，其余三个像素为非显示区，去除非显示区的阳极、平坦层和像素定义层，由此方法得到的基板透明开口率达56%（图2）。从材料角度来说，颜色越深对光线吸收能力越强，目前平坦层、像素定义层所使用的材料透过率约为70%，因此选用透明的材料替代它们可进一步提高基板的透过率。
　　2.2 透明阴极技术
　　顶发光OLED器件一般采用CMM（普通金属掩膜版）蒸镀15nm的镁银合金作为半透明阴极，然而金属对光的反射导致产品透过率只能达到28%。为了解决这个问题，我们采用FMM（精细金属掩膜版）对显示区的像素区域蒸镀阴极，非显示区不蒸镀阴极材料，再对显示区的阴极进行搭接，可使产品透过率提升至42%。由于FMM价格昂贵，会给实际生产带来较大的成本压力，因此我们尝试选用透明材料作为阴极。ITO（氧化铟锡）是透明度达90%以上的良导体，通过磁控溅射的方式将它沉积在有机薄膜表面充当阴极，可以在获得良好透明性的同时减弱微腔效应带来的视角色偏。考虑到溅射过程中产生的Plasma可能对OLED器件性能产生不良影响，研究人员使用PLD（脉冲激光沉积）技术实现了无损伤沉积ITO薄膜的效果。除了ITO以外，纳米银线、石墨烯、金属网格等都是在透明性和导电性方面表现出众的材料，它们的存在推动了透明面板的发展。
　　2.3 其他改善技术
　　光损失机制中，我们将光在不同折射率材料界面存在的反射损失称为菲涅尔损失。要提高透明度，必须想方设法将光线穿过显示面板时的光损失降低。例如封装玻璃与盖板玻璃之间存在一层空气间隙，而玻璃与空气之间存在光学不匹配导致光损失。如果使用透明消气剂填充其间，那么不仅可以提高面板的透明度，还可以增强面板的抗压强度。另外，常见的玻璃透过率一般为91%，研究表明，在玻璃表面贴一层抗反光涂层来减少外界光的反射，可以使玻璃的透过率提高至98%，对于改善透明度来说是一种简单易行的方法。
　　3 结束语
　　OLED显示拥有其他传统显示技术无法比拟的优点，受益于上游的技术成熟、下游的需求增长，在生产成本逐渐降低以后OLED面板的市场渗透率会进一步扩大，目前世界各国的显示面板厂商已经积极布局与投产。OLED器件非常适合用于制作透明面板，同时透明OLED是具有视觉冲击力的产品，相信它的出现会在消费市场掀起波澜。当然，透明OLED面板目前还存在亮度不足、对比度低等饱受诟病的问题，但随着透明基板技术、透明阴极技术的进一步完善，辅之以更多透明材料的出现，这些技术上的难题会逐一得到解决。
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