1.2.2 基于显示技术的分类

目前的显示技术根据光的来源可分为两种：显示器根据外加电信号自主产生光辐射并被人眼接受的，称为主动发光显示技术；显示器需要有外界光源的照射，外界光源的光线经过电信号所控制的介质的反射、折射或透射过程实现图像显示的，称为非主动发光显示技术。

1.主动发光显示技术

主动发光显示技术以 CRT 技术、等离子体显示器（PDP）技术为代表，还包括发光二极管（LED）、有机发光二极管（OLED）、量子点发光二极管（QLED）及场致发射显示器（FED）等技术。然而，对于柔性显示而言，需要耐弯曲，不易折断，只有固体发光器件才可能进一步发展成柔性显示。因此，CRT、PDP、FED等真空器件均不利于柔性显示，而LED、OLED、QLED等能适应柔性显示的需要。尤其是 OLED，通过柔性基板与 OLED 发光器件的结合，可以较为方便地实现柔性显示。在目前新一代柔性显示产品中，除已经市场化应用的柔性OLED显示屏外，未来还会出现柔性QLED显示屏、柔性Micro-LED显示屏等。这些柔性显示产品各具特色。

OLED显示让一定大小的电流流过有机发光材料制成的叠层二极管结构，激发有机发光材料从而产生发光现象。如图 1-9 所示，在阳极和阴极之间夹有 P-N 型二极管的多层结构，阳极以上分别由空穴注入层（HIL）、具有较好传输空穴能力的空穴传输层（HTL）、有机发光层（EML）、传输电子的电子传输层（ETL）及辅助从阴极注入电子的电子注入层（EIL）组成。当电流通过时，电子和空穴从阴、阳极分别被注入有机发光层，激发有机发光材料，形成电致发光。根据有机发光材料的能级特性和载流子平衡的要求，上述各层均需要有针对性地选择合适的材料及优化各层厚度，从而保证高效率、长寿命的发光。随着消费者对显示器性能要求的不断提高，OLED器件结构的优化越来越重要。在产业中所使用的有机发光器件结构已经变得更为复杂，加入了电子阻挡层（EBL）、空穴阻挡层（HBL）、叠层结构所必需的电荷产生层（CGL）等。整体器件达十几层甚至更多。柔性 OLED 显示主要将目前已经有一定技术成熟度和一定产业化基础的硬屏 OLED 显示技术，转移到柔性衬底上而实现柔性显示。由于有机发光器件中的各层基本都是非晶化的超薄膜层，天然具有一定柔性，因此在弯折过程中，这些薄膜层本身的性能相对容易保持。因此，目前的 OLED 显示技术从原理上较好地兼容了柔性显示的需要。从制作工艺上说，OLED发光像素的基本制作方法不需要做很大的改变，只需要解决一些与柔性相关的关键问题，如柔性衬底上 TFT驱动阵列的制备、柔性透明电极的制备等，就可以较为容易地实现从硬屏OLED显示向柔性OLED显示的转变。与此同时，柔性OLED显示继承了硬屏OLED显示的主要优点：产品轻薄、动态响应速度快、图像显示色域较大、对比度较高等。柔性 OLED 显示成为了目前柔性主动发光显示技术的主要实现方式。

QLED显示用新型量子点发光材料取代有机发光材料。量子点发光材料具有良好的发光特性，其光色较纯，且发光效率较高，是下一代显示的重要材料之一。量子点发光原理和器件结构如图1-10所示。从原理上说，QLED显示与 OLED 显示较为接近，让电流激发量子点产生发光现象。当量子点的颗粒尺寸接近它的激子的玻尔半径时，随着量子点尺寸减小，由于量子尺寸效应，原来连续的能级变成离散的能级，同时产生带隙。根据量子理论可知，量子点的尺寸越小，其带隙越大。

QLED 器件结构也和 OLED 器件结构较为相似，同样包括阴阳电极之间的叠层结构，具体包括空穴注入层、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层、电子注入层等。正因为QLED显示与OLED显示具有较多相似之处，所以在很大程度上，通过 QLED 显示实现柔性显示所面临的关键技术挑战与上述柔性OLED显示所面临的关键技术挑战基本一致。也就是说，柔性QLED显示是以现有柔性OLED显示为基础的。相比于OLED显示，QLED显示具有其独特的优势，主要优势是量子点不像 OLED 分子具有较多的振动能级，其能量分布主要取决于微观尺寸，因此只要量子点制作工艺控制得当，保证量子点的尺寸分布可控，就可以实现较好的色彩纯度，有利于得到更纯的单色光，从而拓宽了显示色域。同时，量子点的发光光谱随着量子点尺寸的改变，可以方便地控制其产生从红色到蓝色的不同可见光波长的发光。目前的量子点大都采用核壳结构，使用的材料主要有用于成核的 CdSe、CdS，以及用于壳层的ZnS、ZnSe等。为了较好地分散和保证成膜性能，量子点的外层包裹有机配体层。此外，InP、钙钛矿等纳米晶发光材料在同步发展中。虽然量子点显示具有更宽广的显示范围，但将QLED应用到柔性显示，除面临与上述柔性OLED显示类似的技术挑战外，还有一些它自己需要解决的技术挑战。目前，QLED量子点发光层和电子传输层等的制备，主要通过溶液法工艺实现，暂时还无法通过蒸镀等成熟工艺实现，因此，QLED显示包括基于它的柔性显示都必须依赖印刷显示技术等溶液法工艺技术的成熟。如何通过印刷显示技术实现高效率、稳定的量子点像素发光是目前QLED显示产业必须解决的问题。

Micro-LED 显示与前两者技术路线有所不同。Micro-LED 显示技术是一种新型的由微米级半导体发光单元组成的阵列技术，是显示技术与 LED 技术二者复合集成的综合性技术，其具有自发光、高效率、低功耗、高集成、高稳定性、全天候工作的优点，其发光原理是半导体晶体形成导带和价带，不同的掺杂和选材，形成不同能级。当对一个P/N异质结施加电压时，电子和空穴分别从N型和P型一侧注入，并在异质结区进行复合，从而产生发光现象。

目前在蓝宝石、硅单晶等基板上制作发光芯片的技术比较成熟。发光芯片经过封装形成LED灯珠，就可以用于各种场合。Micro-LED显示技术从概念上说，它更像把现有的巨幅显示中应用的LED灯珠阵列技术进行微缩化，在电视乃至更小尺寸显示的应用场合，用大量微米级独立的LED组成显示所需的像素阵列。这与此前已有的大中小尺寸显示技术区别很大，导致Micro-LED显示在工艺上面临全新的挑战，需要重新设计整个像素层的制作流程。图1-11所示为 Micro-LED 显示面板制作示意图，目前其发光层的常见制作流程是，首先在适合晶体生长的衬底上分别生长制造RGB发光半导体二极管，形成发光芯片，然后通过刻蚀技术等降低这些发光芯片与衬底的结合力并采用批量转移技术将这些发光芯片转移到中介衬底上，接着从中介衬底转移到已经制好驱动电路的目标显示基板上，让电极与发光芯片实现邦定并加固。重复这样的过程，直到RGB多种颜色的发光像素阵列全部制成。其中，LED制造后的巨量转移，实现与驱动电路的良好邦定并保持产品良率成为决定 Micro-LED显示技术成败的关键。

由于未来显示分辨率要求越来越高，因此像素的数量是巨大的。以 RGB显示的FHD来说，大约有600万个不同颜色的子像素。如果采用4K高清显示技术，则会有2400万个子像素。想在这样数量巨大的像素转移过程中保证成功率，面临巨大挑战。尤其当显示尺寸增大，需要多次分批转移时，保证每一次转移性能一致，难度极大。因此，目前在小尺寸显示方面，如AR/VR高分辨率小显示屏，Micro-LED显示已有一些样品，但尚未能在手机、电视等产品中实现应用。

将 Micro-LED 技术应用到柔性显示中，除需要应对上述挑战外，还需要验证柔性驱动基板和Micro-LED的结合是否良好。基于Micro-LED制作流程，把基板换成柔性TFT基板就可以实现柔性显示。这一点与前述OLED、QLED技术转移到柔性显示中面临的挑战类似，因此可以互相借鉴。除此以外，还需要解决的问题是在柔性基板上如何稳固地连接驱动电路和发光芯片，保证在各种弯曲之后依然能有效地邦定实现发光。虽然面临这些挑战，但从显示的效果来说，Micro-LED显示有自身的优势，如发光器件的寿命长、色彩纯度高、色域较宽、能够实现较高亮度等。此外，由于LED发光芯片只需要较小的面积就能实现较高的亮度，像素占空比较小，因此在柔性的设计方面可以进行相对应的特殊设计。因此 Micro-LED 显示技术是未来柔性显示技术的重要选择之一，应用该项技术，东京大学与大日本印刷公司合作研发了全彩LED可伸缩皮肤显示器（见图1-12）。

2.非主动发光显示技术

非主动发光显示技术的代表产品包括液晶显示器（LCD）及新型的电子纸（e-Paper）等，因为其显示光强可以随外界光源强度增强，容易实现高亮度，因此在强光环境中具有一定优势。

LCD 技术无论利用环境光还是自带的发光背板作为光源，其基本工作原理都是让这些光源的光通过液晶层，依靠不同像素中液晶在各自的外加电偏压下扭转后产生不同的透过率，产生透过光的明暗变化，从而实现显示。在彩色显示中，为了保证在不同光照环境下色彩的准确性，一般采用自带白光作为光源，结合 RGB 滤色技术，实现彩色显示。以目前常见的 LCD 显示面板为例，通常它的结构从下到上包括由光源和将光源光导出至全屏幕范围的导光板组成的背光源、通过散射进一步改善背光分布均一性的散射板、将背光调整成线偏振光的偏振片、下玻璃衬底、制作在衬底上的 TFT 驱动电路层和像素矩阵化的透明电极、两层配向膜及夹在它们之间的液晶组成的液晶层、上透明电极、彩色滤色膜层、上玻璃盖板和上偏光片层。如上所述的硬屏LCD显示已经实现大规模应用，技术较为成熟，柔性LCD显示是基于相同的基本结构的。图1-13所示为柔性LCD显示面板结构示意图。在柔性应用的要求下，柔性LCD显示必须接受新的挑战，如柔性液晶层的制作、柔性发光背板的制作等。相较于像素层只有数百纳米厚的柔性OLED显示技术，柔性LCD显示技术由于所必需的关键液晶层需要保持一定厚度，在弯曲条件下内部应力较大，且在弯曲条件下应变应力影响液晶分子排列取向，从而可能产生漏光的问题，因此会影响到整体产品的可弯曲性。但在较大曲率半径的应用场合，柔性LCD显示技术是未来柔性显示技术的可选技术之一。

电子纸（e-Paper）技术是反射式柔性显示技术的一种形象的通称。根据技术路线，电子纸技术细分为电泳反射显示技术（见图1-14）、电润湿反射显示技术，以及胆甾相液晶反射显示技术等。

电泳反射显示技术的原理是通过像素中色素在电场驱动下的电泳运动，实现对外界光照不同的反射，从而实现显示。如图1-14所示，当底电极加负压时，带负电的白色色素粒子受到电场排斥作用，向上方表层运动，最后聚集于表层。这样外界光反射后主要看到的就是白色；当底电极加正压时，白色色素粒子受电场吸引作用运动到底层，而表层被黑色色素粒子占据，从而吸收外界光线，减少反射光，呈黑色。当驱动电路按照像素加上不同电压时，就可以实现不同黑白灰阶的显示效果。

电泳反射显示是典型的反射式显示，具有柔性和轻薄的产品特性，在许多方面都接近传统的纸质媒介。电泳显示的主要优势，首先是像在传统纸质媒介上阅读一样具有宽视角，不闪烁等特点，且可在户外阳光下阅读。其次是根据原理它只需要在改变图像时微小耗电实现电泳，之后就可长期保持无须继续耗电，而且没有背光，因此非常省电节能。另外，电泳反射显示可以较好地在类似纸张厚度的柔性面板上实现。因此，以电子纸阅读器为代表的市场应用推动了相关技术的快速发展。除黑白电子纸外，E-ink公司近年来陆续推出了以带色粒子为基础的彩色电子纸产品，如先进彩色电子纸（Advanced Color ePaper，ACeP™）和印刷式彩色电子纸（Print-Color ePaper）。不过，要想更广泛地应用于各类柔性显示场合，相关技术还需要解决一些关键难题。目前，以电泳为基础的电子纸主要面临的挑战是色素粒子在透明液体中电泳并达成稳定的速度较慢，导致显示图像的刷新速度较慢，在动态显示方面不如前述的其他各项显示技术。例如，2016年E-ink公司在推出其彩色电子纸时，展示了其20英寸彩色电子纸原型，分辨率达到2500像素×1600像素，但是需要2s才能完全刷新。如此慢的刷新速度难以应用在电子书产品上。最近一些年来，高刷新速度电子书的技术有一定的改善。

电润湿反射显示技术通过改变液滴与绝缘基板之间的电压，来改变液滴在基板上的润湿性，带染料的液滴在像素内发生铺展和收缩等形变，从而形成两种不同的反射状态进而形成显示。由于在液滴中可以添加不同染料来实现不同的颜色，因此电润湿显示器较电泳显示器的一大优点是可以方便地实现彩色显示，而且具有超过50%的光反射效率。但电润湿显示器的墨水隔墙结构及封装，对其柔性性能提出了挑战，华南师范大学的研发团队在这方面取得了较大的进展。

另外利用胆甾相液晶的双稳态特性和反射特性，可以方便地制作柔性反射式液晶显示器。