透明顯示技術(shù)的進(jìn)展

胡 凱，陳禹翔，李 青

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

透明顯示技術(shù)的核心是透明顯示面板，透明顯示板是一種能夠顯示圖像的透明面板，它與雙面顯示板不同，雙面顯示板是一種能夠在顯示面板兩側(cè)同時(shí)顯示圖像的顯示器件［1］。透明顯示板在關(guān)閉時(shí)，面板就仿佛一塊透明玻璃;當(dāng)其工作時(shí)，觀看者不僅能夠觀看到在面板上顯示的內(nèi)容，同時(shí)還能透過(guò)面板觀看到面板后的物體。

近幾年，研究人員對(duì)透明顯示技術(shù)做了大量研究，嘗試了各種不同的顯示技術(shù)，如液晶顯示技術(shù)、有機(jī)發(fā)光二極管顯示技術(shù)、等離子體顯示技術(shù)等?？傮w來(lái)說(shuō)，透明顯示技術(shù)可以根據(jù)顯示器的不同分為兩種。對(duì)于液晶顯示器這種非自發(fā)光的顯示器件，透明顯示技術(shù)主要是利用外界光或者進(jìn)行背光源的重排來(lái)達(dá)到透明顯示;而對(duì)于OLED、PDP 這種自發(fā)光顯示器件，透明顯示技術(shù)主要指通過(guò)技術(shù)改進(jìn)采用透明度高的材料替代或者去除原來(lái)器件中不透明的部分，不斷提高器件的整體透明度以實(shí)現(xiàn)透明顯示。

1 LCD 透明顯示技術(shù)

2010年日本夏普公司的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組發(fā)表了一種利用網(wǎng)狀聚合物液晶(Polymer Network Liquid Crystal)制作的60 inch 的透明顯示板［2］。相對(duì)于分散聚合物液晶(Polymer-Dispersed Liquid Crystal)而言，網(wǎng)狀聚合物液晶的優(yōu)點(diǎn)是其可以用TFT 有源矩陣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)且所需要的驅(qū)動(dòng)電壓較低。

這種透明顯示板有兩個(gè)工作模式:黑白模式及彩色模式。

黑白模式分為透明態(tài)及散射態(tài)。如圖1所示，當(dāng)面板工作于透明態(tài)時(shí)，觀看者可以透過(guò)面板觀察到面板后的光源和物體。當(dāng)面板工作于散射態(tài)時(shí)，面板后的光源及物體發(fā)出的光到達(dá)面板后會(huì)發(fā)生散射，對(duì)觀看者而言，面板上的圖像將是模糊的，無(wú)法分辨光源及物體。

要使顯示屏顯示彩色圖像，傳統(tǒng)液晶顯示技術(shù)主要使用3種方法實(shí)現(xiàn)彩色顯示:①使用紅、綠、藍(lán)三色濾色片;②向賓主模式液晶加入二色性染料;③采用背光源顏色高速變化的場(chǎng)序模式。但是這3種方法都不適用于透明顯示板。如果使用濾色片，由于濾色片會(huì)吸收光線，必然造成面板的透明度降低;如果使用賓主模式，即使二色性染料排列方向與面板平行，傾斜方向的透光率仍然很低;而網(wǎng)狀聚合物液晶的響應(yīng)時(shí)間是74 ms，滿足不了場(chǎng)序模式的要求。該實(shí)驗(yàn)小組采用投影的方法將彩色圖案投影到顯示屏上，如圖2所示。

圖2 透明顯示原理圖

該60 inch 透明液晶顯示板使用網(wǎng)狀聚合物液晶及TFT 陣列制作而成，其特性如表1所示，其中透明度是在正常直射光的條件下測(cè)得的。

表1 60 inch 網(wǎng)狀聚合物液晶透明顯示板特性

圖3(a)是該透明顯示板工作在黑白模式下的照片。圖中顯示屏上顯示字符的部分工作于散射態(tài)，其余部分工作于透明態(tài)。圖3(b)是該透明顯示板工作在彩色模式下的照片。圖中顯示屏上顯示圖案的部分工作于散射態(tài)，其余部分工作于透明態(tài)。投影儀將圖案投影在顯示屏上工作于散射態(tài)的部分，觀看者便能夠觀看到彩色圖案。由于面板是由TFT 陣列驅(qū)動(dòng)，所以圖案可以在屏幕上平滑地移動(dòng)。

圖3 工作狀態(tài)下的60 inch 液晶透明顯示板

2012年2 月，京東方推出了國(guó)內(nèi)首款透明液晶屏，見(jiàn)圖4［3］。這款32 inch 彩色透明液晶顯示屏采用京東方高世代線所生產(chǎn)的液晶面板，并應(yīng)用了京東方獨(dú)有的寬視角技術(shù)，具有全高清、寬視角(上下左右視角均達(dá)到178°)和高對(duì)比度(1200 ∶1)等特色。

圖4 國(guó)內(nèi)首款透明液晶屏

與傳統(tǒng)的液晶面板相比，該透明顯示屏可以利用普通的環(huán)境光滿足背光需求，而不需要背光模塊充當(dāng)光源來(lái)顯示圖像，白天幾乎不需要開(kāi)啟背光，其電力消耗只是普通液晶顯示的十分之一左右。

對(duì)于液晶顯示技術(shù)來(lái)說(shuō)，由于液晶的特性，實(shí)現(xiàn)透明顯示并不困難，透明度也比較高。但是，傳統(tǒng)的背光源無(wú)法在液晶透明顯示板中使用。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，有以下2種解決辦法:(1)依靠外界光(包括自然光或使用投影儀等)進(jìn)行顯示;(2)將光源置于面板的邊側(cè)，輔以導(dǎo)光板。前一種方法適于用在大尺寸液晶透明顯示板，而后一種方法可用在小尺寸液晶透明顯示板。若能將光源問(wèn)題解決，并提高液晶分子的響應(yīng)速度，液晶透明顯示有很大的發(fā)展空間。

2 OLED 透明顯示技術(shù)

有機(jī)電致發(fā)光顯示(OLED)是自20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種新型顯示技術(shù)，其原理是通過(guò)正負(fù)載流子注入有機(jī)半導(dǎo)體薄膜后復(fù)合產(chǎn)生可見(jiàn)光。與LCD 相比，OLED 具有全固態(tài)、主動(dòng)發(fā)光、高亮度、高對(duì)比度、超薄、低功耗、無(wú)視角限制、工作溫度范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)［4］，加上其器件結(jié)構(gòu)很適合作為透明顯示面板，因此目前基于OLED 的透明顯示技術(shù)發(fā)展十分迅速，是研究的熱點(diǎn)。

根據(jù)器件電極結(jié)構(gòu)的不同，有源驅(qū)動(dòng)有機(jī)電致發(fā)光顯示(AMOLED)可以分為頂部發(fā)射型、底部發(fā)射型和頂部底部同時(shí)發(fā)射型3 類(lèi)［1］。傳統(tǒng)的底部發(fā)射型AMOLED 使用反射型陰極電極和透明的陽(yáng)極電極，以增加發(fā)光效率和器件的穩(wěn)定性。頂部發(fā)射型AMOLED 使用半透明的陰極電極和反射型陽(yáng)極電極，這樣使光線能從頂部發(fā)出，因此它能夠解決TFT 陣列帶來(lái)的低開(kāi)口率問(wèn)題，但它仍然需要使用圓偏振片以增加對(duì)比度。雙面發(fā)射型OLED 使用半透明的陰極電極和透明的陽(yáng)極電極使光線能夠從頂部和底部?jī)擅嫱瑫r(shí)發(fā)出，其在雙面顯示中應(yīng)用較為廣泛。

對(duì)于AMOLED，如果要實(shí)現(xiàn)透明顯示，有2個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題需要解決，即面板的透明度與穩(wěn)定性。目前主要有2種方法來(lái)增加面板的透明度，一是改變電極結(jié)構(gòu)，使用透明材料制作電極增加面板透明度，二是改變電極排布，增加透射窗口面積以提高面板透明度。

2.1 改變電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)透明顯示的OLED 透明顯示技術(shù)

改變AMOLED 電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)透明顯示，以往主要有2種方法，一種是采用頂部發(fā)射結(jié)構(gòu)，采用Mg-Ag 材料制作陰極電極，另一種是用銀材料作為陰極電極和n 型摻雜材料制作電子傳輸層。第1種方法帶來(lái)的問(wèn)題是陰極電極的薄層電阻很高，造成面板亮度不均勻。對(duì)于第2種方法，必須要考慮到n 型摻雜電子傳輸層的熱不穩(wěn)定性。因此，這2種方法都不適合用于透明顯示。

2010年，韓國(guó)大田的一個(gè)氧化物電子研究小組提出了一種新型結(jié)構(gòu)［5］，將AMOLED 面板的透明度提高了80%。該面板對(duì)于不同波長(zhǎng)的透明度曲線如圖5所示。

圖5 新型OLED 透明顯示板透明度曲線圖

該面板使用底部發(fā)射型結(jié)構(gòu)，為了使光線都從底部發(fā)射而增加面板的亮度，需要增加陰極電極的反射率，但同時(shí)也會(huì)造成面板透明度下降。因此，除了電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，該實(shí)驗(yàn)小組還使用了透明消氣劑和新型防反光涂層技術(shù)來(lái)提高面板的透明度。透明消氣劑不僅可以消除玻璃與玻璃蓋間隙中的空氣從而提高面板透明度，同時(shí)也將面板的抗壓強(qiáng)度提升了50%。

增加面板透明度的另一個(gè)措施是降低玻璃的反光率。由于反射的原因，普通玻璃的透明度為92%左右。該實(shí)驗(yàn)小組使用了防反光涂層技術(shù)來(lái)減少反射［5］，這種技術(shù)利用玻璃與空氣的光學(xué)匹配，將玻璃的透明度提高到了98%。

該AMOLED 透明顯示板由TFT 陣列驅(qū)動(dòng)，顯示動(dòng)畫(huà)時(shí)面板的亮度通常為200 cd/m2，但顯示白場(chǎng)時(shí)亮度下降到100 cd/m2。圖6 是該顯示板工作時(shí)的照片。

圖6 新型OLED 透明顯示板工作時(shí)的照片

2011年清華大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組提出了一種OLED 透明顯示板［6］，使用新型電極結(jié)構(gòu)制作了一塊1.9 inch 的透明顯示屏。

該實(shí)驗(yàn)室采用20 nm 厚的銀薄膜制作陰極電極，Li3N 材料制作電子注入層，并只用與銀薄膜連接的Alq3作為外部耦合層。透過(guò)改變Alq3的厚度可以調(diào)節(jié)光從底部或頂部發(fā)射的比率。

圖7 是該OLED 透明顯示板底部與頂部發(fā)射亮度與電壓關(guān)系圖。從圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為5 V 時(shí)，底部與頂部的發(fā)射亮度分別是5 000 cd/m2和1 500 cd/m2。

圖7 OLED 透明顯示板底部與頂部發(fā)射亮度與電壓關(guān)系圖

Li3N 的引入使面板在使用銀薄膜作為陰極電極的情況下也能擁有較小的驅(qū)動(dòng)電壓。通過(guò)在Alq3與Ag 之間加入Li3N，使得面板具有較高的電流效率。根據(jù)圖8，當(dāng)電流密度為1 000 A/m2時(shí)面板底部與頂部的電流效率分別為14.5 cd/A和2.7 cd/A。圖9 是OLED 透明顯示板工作時(shí)的照片，面板分辨率為128×64，對(duì)于550 nm 波長(zhǎng)光線的透明度為52%。

圖8 OLED 透明顯示板底部與頂部電流效率與電流密度的關(guān)系圖

圖9 OLED 透明顯示板工作時(shí)的照片

2.2 改變電極排布實(shí)現(xiàn)OLED 透明顯示技術(shù)

2010年SID 會(huì)議上Jinkoo Chung 等人提出了一種基于底部發(fā)射的透明顯示OLED 技術(shù)［7］。這種透明顯示AMOLED 屏在底部顯示圖像，而在背面通過(guò)透射窗口觀察圖像。其面板像素排布如圖10所示。

圖10 底部發(fā)射型透明顯示OLED 屏像素排布示意圖

在這種面板的像素布局里，發(fā)射區(qū)域與透射區(qū)域分開(kāi)排布。為了提高面板的透明度，在像素布局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使透射窗口面積越大越好。如圖10所示，雙面顯示OLED 面板中的發(fā)射區(qū)域比傳統(tǒng)OLED 面板要小很多，取而代之的是面積更大的透射窗口。面板工作時(shí)的狀態(tài)如圖11所示。

圖11 底部發(fā)射型透明顯示OLED 屏實(shí)物圖

與這種技術(shù)類(lèi)似的還有Young W.Song 等人在SID 會(huì)議上提出的一種基于低溫多晶硅的透明顯示OLED 屏［8］，其像素排布如圖12所示。圖13 是該低溫多晶硅透明顯示屏在筆記本電腦上的一個(gè)應(yīng)用，該顯示屏有較寬的色彩范圍，高亮度和高透明度，可以滿足日常的需求。

圖12 基于低溫多晶硅的透明顯示OLED 屏像素排布示意圖

圖13 基于低溫多晶硅的透明顯示OLED 屏實(shí)物圖

3 PDP 透明顯示技術(shù)

PDP 制造工藝和裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要像其他顯示技術(shù)一樣由TFT 驅(qū)動(dòng)電路，因此PDP 透明顯示技術(shù)被認(rèn)為是最適合制作大尺寸透明顯示板的一種透明顯示技術(shù)，對(duì)其的研究也十分火熱。相較于傳統(tǒng)PDP，透明顯示PDP 可以采用類(lèi)似的放電單元結(jié)構(gòu)，而只需要把傳統(tǒng)PDP 面板中不透明的材料改換為透明材料，使背面能夠觀察到光。傳統(tǒng)PDP 面板中不透明的部分主要為障壁層、熒光粉層和電極，而玻璃基板、介質(zhì)層等原本就透明的部分，只需要提高其透明度。綜合兩者便能夠?qū)崿F(xiàn)PDP 的透明顯示。

2011年，韓國(guó)大田科學(xué)技術(shù)院研究出一種PDP透明顯示屏，使用了透明度很好的絕緣層和障壁［9］。該P(yáng)DP 透明顯示屏采用二氧化硅溶膠凝膠層作為絕緣層。由于不需要真空條件，并且在較低的溫度下就可以形成(固化溫度低于150℃)，這種旋涂工藝制作的二氧化硅溶膠凝膠層成本較低。該二氧化硅溶膠凝膠層能夠略微增加基板的透明度，其主要原因有2個(gè):一是去除了微孔(pores)，而微孔能降低透明度，二是這種絕緣層的介電常數(shù)(nsol-gel=1.43)在空氣(nair=1)與玻璃基板(nglass=1.53)之間，根據(jù)菲涅爾等式，這種nglass/nsol-gel/nair系統(tǒng)的透明度要高于nglass/nair系統(tǒng)。

該P(yáng)DP 透明顯示屏使用SU－8 光刻膠制作障壁。如圖14所示，這種SU－8 光刻膠障壁是透明的，它只吸收一點(diǎn)光，該障壁可以在低溫下通過(guò)光刻工藝制成(其烘烤溫度低于150℃)。但SU－8 光刻膠容易被等離子損壞，因此作者使用了一種無(wú)機(jī)材料層(二氧化硅層)來(lái)保護(hù)SU－8 光刻膠障壁，使障壁在等離子放電的條件下能使用更長(zhǎng)時(shí)間。被涂覆了二氧化硅層之后的SU－8 光刻膠障壁(一個(gè)單元的尺寸為0.36 mm×1.08 mm)的透明度接近88%。

圖14 被涂覆二氧化硅層的SU－8 光刻膠障壁SEM 圖

如圖15所示是該實(shí)驗(yàn)小組研制的PDP 透明顯示屏。該顯示屏的透明度接近63%，足以使觀察者透過(guò)面板看到面板后的物體。這塊顯示屏可以由傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不過(guò)這塊顯示屏不含熒光粉，后續(xù)工作將致力于透明熒光粉的研究。

圖15 一種PDP 透明顯示屏實(shí)物圖

2012年，Cheol Jang，Kukjoo Kim 等人又對(duì)上述PDP 透明顯示屏做了進(jìn)一步改進(jìn)［10］，采用柔韌度更好的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)來(lái)制作PDP 的前后基板，結(jié)構(gòu)圖如圖16所示。

圖16 PET 制作PDP 前后基板結(jié)構(gòu)圖

由于PET 相比于玻璃更加容易滲透水蒸氣造成對(duì)放電腔的氣體的污染［11］，該研究小組在PET膜上制作了多層的有機(jī)層和無(wú)機(jī)層，如圖17所示，既用來(lái)隔絕外界水蒸氣滲透PET 基板，同時(shí)也可以保護(hù)PET 基板不受等離子體中的粒子的轟擊。

圖17 作為介質(zhì)層的多層物質(zhì)的SEM 截面圖

該P(yáng)DP 透明顯示屏仍然采用SU－8 作為透明壁障，如圖18所示，這種壁障的透明度可以達(dá)到91.5%。顯示屏各部分的透明度如圖19所示，整個(gè)面板在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透明度達(dá)到了57.5%。同時(shí)，由于采用了PET 作為基板，使得顯示屏可以彎曲一定的角度仍然可以工作，圖20所示分別是該顯示屏關(guān)態(tài)和開(kāi)態(tài)以及在面板彎曲情況下的工作狀態(tài)。

圖18 SU－8 制作的透明柔性壁障

圖19 透明顯示屏各部分在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均透射率

圖20 研制的柔性透明顯示屏。測(cè)試屏在整個(gè)可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射率為57.5%。

4 其他透明顯示技術(shù)

4.1 電致變色透明顯示技術(shù)

Yi-Wen Chung，Ai-Kang Li 等人于2011年開(kāi)發(fā)出一種利用電致變色材料制作的透明顯示屏［12］。

該顯示屏的結(jié)構(gòu)圖如圖21所示，其中電致變色層首先由單分散的聚苯乙烯微球顆粒通過(guò)乳化劑的共聚作用合成，如圖22(a)所示，隨后這些膠狀的粒子堆積形成膠態(tài)晶體，如圖22(b)，最后將電致變色材料普魯士藍(lán)填充到膠態(tài)晶體層的間隙中。

圖21 電致變色屏的結(jié)構(gòu)圖

圖22

該電致變色層施加電壓不同會(huì)顯示不同的顏色，－3 V 時(shí)為紅色，1 V 時(shí)為藍(lán)色，3.5 V 時(shí)為綠色，如圖23;而施加電壓為－4 V 時(shí)，該電致變色屏變?yōu)橥该?，如圖24。

圖23 電致變色層顯示紅綠藍(lán)三色

圖24 A4 尺寸的柔性電致變色屏

同時(shí)，這種電致變色屏能夠有效的阻擋太陽(yáng)光中主要的熱輻射波段，即長(zhǎng)波段光線以及遠(yuǎn)紅外光線，研究顯示該電致變色屏可以阻擋80%～95%的熱輻射，因此這種柔性透明裝置在與建筑結(jié)合的顯示領(lǐng)域有十分廣闊的前景。

4.2 肥皂泡薄膜透明顯示技術(shù)

2012年，日本東京大學(xué)、筑波大學(xué)與美國(guó)卡內(nèi)基－梅隆大學(xué)研究人員共同研制出肥皂泡顯示屏［13］。他們使用兩種膠狀液體的混合液制作出了一種超薄且柔軟的顯示屏。這種肥皂膜的平均厚度僅為0.7μm，堪稱(chēng)世界上最薄的透明顯示屏，如圖25所示。

圖25 肥皂泡薄膜透明顯示屏

在超聲波作用下，肥皂泡顯示屏可以讓不同圖像表現(xiàn)出不同質(zhì)感。研究人員通過(guò)擴(kuò)音器釋放超聲波，聲波“撞擊”薄膜，改變?cè)诒∧ど贤队暗挠跋窦y理，讓影像看起來(lái)更平滑或更粗糙。例如，蝴蝶的翅膀應(yīng)該閃閃發(fā)亮，撞球應(yīng)該光滑圓潤(rùn)，該透明肥皂泡顯示屏便可以時(shí)時(shí)改變反射狀態(tài)，表現(xiàn)物體的不同質(zhì)感。

同時(shí)，肥皂泡顯示屏還可以通過(guò)改變聲波的頻率來(lái)改變投射在它上面影像的透明度。超聲波與超薄膜的組合可以在屏幕上形成更真實(shí)、鮮明與生動(dòng)的畫(huà)面。如果把幾個(gè)肥皂泡顯示屏組合在一起，還可以看到立體效果甚至全息投影。

由于采用特殊膠質(zhì)，即使有硬物從中間穿過(guò)，肥皂泡也不會(huì)爆裂，因此，肥皂泡顯示屏的結(jié)實(shí)程度不用擔(dān)心。

這種肥皂泡顯示屏可以幫助藝術(shù)家展示作品，也可以用于博物館。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了LCD、OLED、PDP 這3種主流的透明顯示技術(shù)以及這些技術(shù)的一些新進(jìn)展.透明顯示技術(shù)是一項(xiàng)突破顯示領(lǐng)域設(shè)計(jì)局限的技術(shù)，它為那些要求得到寬視角、新視覺(jué)感受的高端應(yīng)用提供了理想選擇。透明顯示具有廣闊的應(yīng)用范圍，可以融合多點(diǎn)觸摸、智能顯示等技術(shù)，作為公共信息顯示的終端，用在百貨陳列窗、冰箱門(mén)透視、汽車(chē)前風(fēng)擋玻璃、自動(dòng)售貨機(jī)等各個(gè)領(lǐng)域，具有展示、互動(dòng)、廣告等協(xié)同效果;在軍用領(lǐng)域，車(chē)輛、飛機(jī)駕駛員以及單兵作戰(zhàn)時(shí)的命令傳達(dá)、戰(zhàn)場(chǎng)觀察、地形查看、夜視系統(tǒng)顯示等，都有透明顯示技術(shù)的應(yīng)用空間［14］。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，隨著透明顯示產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和規(guī)?；瘧?yīng)用，電影中的場(chǎng)景將在現(xiàn)實(shí)生活中隨處可見(jiàn)，透明顯示屏將隨時(shí)隨地為人們提供信息服務(wù)。

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