材料战略我国新型显示关键材料发展战略研究

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一、前言

自年第一台黑白电视机发明以来,显示器这一人机界面终端显示设备逐渐应用于社会生活的各个领域。时至今日,新型显示已成为电子信息产业的核心技术之一,应用遍及工业、交通、通信、教育、航空航天、娱乐、医疗等诸多方面,形成了千亿美元级市场规模,成为战略性高新科技领域的基础性和最具活力的产业,极大地改变了人类的生活模式。当前,多种显示技术创新涌现,如有机发光二级管(OLED)显示、量子点(QD)显示、Micro-LED显示、激光显示(LD)等,推动着显示技术朝着高清化、全色化、大屏化、柔性化、绿色化方向发展。光学、半导体、材料、视频、信息等技术的相互融合进一步提升了显示产品的竞争力、创新力和对终端消费者的吸引力。

经过多年发展,我国显示产业成为全球重要组成部分。年,中国大陆新型显示产业综合规模超过3万亿元,成为世界显示面板产能第一大国,正处于“由大到强”的发展机遇期。值得指出的是,与先进国家相比,我国在显示产业的上游领域中有超过60%的关键材料与装备依赖进口;产业关键环节尚难以自主可控,潜在发展壁垒日益显现。这些都是制约我国新型显示产业实现跨越式发展的瓶颈问题。

一代显示材料决定一代显示器件,新型显示的自主创新必然以相关材料的创新为基础。本文梳理国内外新型显示关键材料体系与技术的发展现状和前景趋势,凝练我国产业发展面临的问题,针对性提出我国新型显示产业自主可控发展的措施建议。通过宏观研究,以期明晰未来技术制高点,推动我国新型显示产业实现高质量发展,尽快由显示大国转变为显示强国。

二、国外新型显示关键材料发展现状

显示产业是涉及光电子材料与器件、光学工程、微电子与电子学等领域的综合性产业,新一代技术变革往往由材料和器件的突破所带动。纵观显示技术和产业发展的历程,进入21世纪后以薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD)为代表的第二代数字平板显示技术逐渐成为主流。为应对需求,显示基板尺寸在不断扩大,目前G8.5代线(及以上)的大尺寸生产线成为主力,相应的半导体/真空工艺技术难度更高,对于资源的需求和投入也更大。

近年来,随着第五代移动通信、大数据、人工智能等新一代信息技术的出现,新型显示与超高清视频、柔性、传感、印刷电子等技术交叉融合,丰富了新型显示终端产品体系。例如,印刷显示、Mini/Micro-LED显示、激光显示、电子纸显示等新型显示技术和产品基本具备了产业化条件,引导了显示材料、器件、装备到制造技术在内的整个显示产业链的一次全面技术革新。

(一)印刷显示及其关键材料

印刷显示技术是使用喷墨打印的方式,将OLED/量子点发光二级管(QLED)材料所配制的墨水喷打在所需要的像素位置,实现显示器件制作的技术。相应关键材料为印刷发光材料、墨水等。国外在印刷显示产业及其关键材料方面的布局较早,具有雄厚的材料工艺与设备基础,已进行了商业化。

先进国家投入大量资源开展了关键材料、器件、工艺、系统原型等方面的基础与应用研究。美国的杜邦公司、Polyera公司、Plextronics公司,欧洲的默克集团、FlexInk公司、PlasticLogic公司等在印刷小分子OLED材料、有机半导体材料、OLED发光材料、QD材料、有机薄膜晶体管(OTFT)背板集成材料与制造工艺方面具有技术优势。相关研究机构,如美国的斯坦福大学、西北大学、加州大学伯克利分校,欧洲的剑桥大学、帝国理工学院、英国印刷电子中心、芬兰国家技术研究中心、德国海德堡创新实验室等,也围绕上述材料和工艺提前布局研究。

日本JOLED公司完成了20in/PPI的样机开发,年开始建设G5.5量产线;住友化学株式会社、东京电子株式会社/精工爱普生公司、凸版印刷株式分社、大日本印刷株式会社等布局样机和量产工艺研究。韩国乐金电子公司完成了55in印刷OLED样机开发,三星电子公司正在实施印刷OLED/QLED材料与技术研发。

(二)蒸镀OLED显示材料

基于蒸镀工艺的OLED显示技术,关键材料包括红绿蓝发光材料、空穴/电子传输材料、电极材料等。相关发光材料可分为荧光材料、磷光材料,根据分子量也可分为小分子发光材料、聚合物发光材料,这些关键材料占OLED显示屏物料成本的比例约为30%。

日本、美国和韩国在OLED显示材料供应方面具有优势。日本住友化学株式会社、昭和电工株式会社等主要供应OLED聚合物发光材料,日本出光兴产株式会社、三井化学株式会社等是小分子发光材料供应的龙头企业,日本出光兴产株式会社、韩国乐金化学公司成为OLED电子传输材料的优势供应商,日本德山株式会社、德国默克集团、日本出光兴产株式会社是空穴传输材料的主要供应商,韩国三星SDI有限公司、美国环宇显示技术股份有限公司、日本新日铁化学株式会社、德国默克集团主要供应绿光磷光材料,美国陶氏化学公司、日本德山株式会社是红光磷光材料的主要供应商。

(三)激光显示及其关键材料

激光显示是以红、绿、蓝三基色(或多基色)激光为光源的新型显示技术,具有大尺寸/超大尺寸、大色域、超高清、高观赏舒适度等优点,关键材料包括三基色激光材料、超高清成像材料。

日本、韩国和美国在20世纪90年代启动了激光显示关键技术研究布局,通过美国能源部计划、日本科技基本计划等国家项目予以引导,支持相关企业开展技术攻关。日本日亚化学株式会社、三菱电机集团等已投入约32亿美元研发三基色(半导体激光器)激光显示,其中镓铟磷(GaInP)红光、氮化镓(GaN)蓝绿光激光显示的功率和寿命等关键指标国际领先。美国德州仪器公司、日本索尼集团等基本垄断了2K/4K分辨率的反射式数字微镜(DMD)、反射式硅基液晶(LCOS)等激光显示超高清图像处理芯片供应。

(四)Mini/Micro-LED显示及其关键材料

Mini/Micro-LED显示是由微米级半导体发光像元阵列组成的新型显示技术,是显示技术与LED技术复合集成的综合性技术。GaN发光材料与高迁移率的半导体材料、驱动技术、巨量转移技术等是Mini/Micro-LED显示的关键材料和技术。

在10余年前,Mini/Micro-LED显示引起了研究人员的



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