马群刚:显示产业发展规律和市场前瞻

2019-04-19 10:32

文/马群刚


只有符合轻薄化、大型化、精细化、立体化四个发展维度的产品未来才有市场。在轻薄化维度上,随着显示屏持续薄化,将出现透明显示与柔性显示两大产业。在大型化维度上,10代以上的超高世代TFT-LCD生产线将持续而缓慢地投产,无缝拼接超大尺寸显示影响超高世代线的投资节奏。在精细化维度上,发展超高清视频产业,普及4K和8K电视,完善上下游产业链。在立体化维度上,基于8K和16K显示屏开发2D/3D自由切换的自由立体电视,发展3D内容制作产业。

显示是重要的战略性和基础性信息产业。短短十多年来,在政策推动以及产业链相关企业的共同努力下,我国显示产业取得了跨越式发展,累计投入达万亿元,成为全球显示面板最大的生产基地。未来几年是我国显示产业进入由大到强发展的关键时期,面对多种技术路线的激烈竞争,认识并坚持按显示产业的发展规律重新布局显示产业,关系到我们是否能够引领整个显示产业的发展,是否能够推动信息产业的转型升级。

显示的本质与发展规律

信息是用来消除随机不定性的东西,信息量越大,越有助于消除不定性,越有利于用来认识和改造世界。近代,为了处理越来越大的信息量,信息的存储与信息的显示分开,发明了磁带、硬盘、软盘、光盘等信息存储器件,以及CRT、PDP、LCD、OLED等信息显示器件,各自能够处理的信息量剧增。半导体集成电路是现代信息存储与处理的典型代表,“摩尔定律”揭示了半导体集成电路的发展方向就是增加晶体管密度,存储与处理尽可能多的信息。半导体显示是现代信息显示与处理的典型代表,为了显示尽可能多的信息量,其发展方向同样有规律可循。

显示是在显示屏上输出图像,图像是不同位置上不同亮度与不同色彩的光束组合。图像信息的3个基本要素是亮度、色彩与像素。显示屏上每个子像素的亮度灰阶达到8bits后,能够合成的颜色达16777216(=28×28×28)种,远超人眼分辨极限的360000种颜色。所以,显示的信息量主要由显示屏上的像素数量决定。像素数量是显示面积与显示密度的乘积。显示面积对应显示屏的尺寸,显示密度对应显示屏单位尺寸的像素分辨率,即PPI值。像素数量越大,图像坐标点越多,显示的信息量越大。大数据时代需要显示巨量信息,需要从二维平面显示上升到三维立体显示,增加显示深度方向的信息。

用显示面积、显示密度、显示深度可以完整地表达显示屏所能显示的全部信息量。显示屏呈现的全部信息需要在各种场合进行传播,所以显示用途决定了显示信息量的获取途径。作为决定显示信息量的4个方面,显示用途、显示面积、显示密度、显示深度的具体影响因素很多,核心影响因素分别是显示屏的轻薄化程度、显示屏的大型化程度、像素的精细化程度(像素PPI值)、景深的立体化程度。在时间轴上分别展开轻薄化、大型化、精细化、立体化四个维度,可以得到如图1所示的显示产业发展规律。用四个维度分析法,可以解释显示产业的发展历史,预测显示产业的发展趋势。

显示产业的四个重点发展阶段

根据图1所示,显示产业在四个维度上独立进化,相互之间又有明显的产业继承性。在每个维度上,显示产业都存在18年左右的重点发展阶段。

轻薄化重点发展阶段始于1973年,标志是搭载LCD显示屏的电子表(精工06LC)和计算器(夏普EL-805)等产品量产,以及在此前后发明的PDP(1964年)、LCD(1968年)、LED(1977年)、OLED(1979年)等平板显示技术。显示屏厚度做到0.1mm以下就进化为柔性显示。

大型化重点发展阶段始于1991年,标志是夏普、NEC、东芝的第一代TFT-LCD(300mm×400mm)量产。成熟的LCD显示技术结合成熟的半导体工艺技术,平均两年升级一代,直到2009年第十代TFT-LCD(2880mm×3130mm)量产。同时,小尺寸LCD采用触控等技术和大尺寸LCD采用LED背光等技术,不断地扩大显示面积。

精细化重点发展阶段始于2009年,标志是LTPS产品(三星i8910)、IGZO产品、视网膜手机(苹果iPhone4)的量产。如图2所示,六代及以下的生产线转型为LTPS TFT驱动,六代以上的生产线转型为IGZO TFT驱动,大型化重点发展阶段的a-Si TFT技术逐渐被替代。前半段的发展以智能手机为代表,后半段的发展以超高清电视为代表。

立体化重点发展阶段始于超高清视频产业的全面成熟,所以精细化是立体化的基础。立体显示传播的巨量信息都来自显示屏上的像素。为了保证3D图像的分辨率,立体显示2K(FHD/1080p)起步,最先具备2K高分辨率的电影最先导入3D显示,后来出现的FHD电视促进了眼镜式3D显示的普及。裸眼3D显示需要更高的显示屏分辨率,以增加视点数(视角)并保证3D图像分辨率。为了改善调节与辐辏冲突,保证观看的舒适度,要有全高清的3D显示图像和自由视场,要求显示屏分辨率达到16K以上的像素数。

显示产业发展的四个维度相互影响,产业演进阶段存在明显的产业继承性:轻薄化维度上的平板显示技术推动了显示的大型化发展,大型化维度上的半导体工艺技术推动了显示的精细化发展,精细化维度上的超高分辨率技术推动了显示的立体化发展。

规律作用下的产业变迁

显示产业的发展规律揭示了产业发展的机遇与挑战。能否认清产业发展的规律并把握产业发展的机遇,关系到显示企业的发展命运,关系到国家产业竞争力的提升,关系到全球产业重心的变迁。

在轻薄化维度上,虽然美国RCA公司最早发明了LCD显示技术,但是作为发明CRT电视的企业与全球CRT销量最大的企业,不愿放弃CRT市场,不能加大LCD研发,从而失去了一次利用重大创新占领新市场的绝好机会。1985年,RCA被美国GE公司并购,1988年转至法国汤姆逊麾下。2003年,TCL收购汤姆逊,CRT业务连年的亏损导致TCL股票被ST。2009年汤姆逊宣布破产保护。与此相反,夏普、NEC、东芝等日本企业看到了机会,大力研发LCD技术,从而确立了日本在LCD行业近30年的绝对优势,也带来了日本电子信息产业的繁荣。

在大型化维度上,虽然日本企业最先发展TFT-LCD,但随着1998年三星和LG建成3.5代TFT-LCD生产线,领先当时只有3代线的日本企业,使三星和LG在1999年跃升为全球LCD市场份额前两位的企业。特别从2002年开始,LG和三星连续建成多条5代线,彻底确立了韩国在LCD行业近20年的绝对优势,也带来了韩国电子信息产业的繁荣。与此相反,日本企业普遍误判“5代线是TFT-LCD的物理极限”,只有夏普、松下在高世代线上勉强跟进,由于不具备规模优势,最后或被收购,或关闭高世代生产线。

在精细化维度上,虽然韩国和日本企业最先推动LTPS与IGZO技术的量产,但美国苹果公司最早推出视网膜屏幕的智能手机,拉开了小尺寸显示屏的快速精细化之路。触控技术使智能手机更轻薄,加上屏占比和像素PPI值的提高,智能手机成了最重要的信息获取终端。把握住这个重点发展阶段的企业除了市值过万亿美元的苹果外,还有三星、华为等企业。在精细化重点发展的后半段,主角将是大尺寸的智能电视。目前展示的8K和16K显示面板分别集成了1亿个和4亿个子像素以及至少相同数量的TFT。如图3所示,随着集成电路芯片的晶体管数量将超过1011量级的人脑细胞总数,显示面板的子像素集成度将超过109量级的人眼细胞总数,以模拟人眼准确再现真实三维空间。32K显示面板的子像素和TFT集成度达到16亿个,标志着显示面板进入了GSI(Giga Scale Integration)时代。未来5年将是超高清视频产业发展的战略机遇期,能否把握超高清视频和5G产业发展带来的重大机遇,不仅影响新寡头企业的诞生,也影响一个国家电子信息产业的转型升级。

在立体化维度上,8K超高清显示与5G无线通讯将推动裸眼3D电视的发展。未来9年,既是超高清视频产业的成长期与成熟期,也是裸眼3D产业的形成期。如图4所示,基于8K显示屏可以实现裸眼高清的产业化,结合光场渲染技术可以获得较好的3D显示效果。采用特制的3D显示终端,实现2D/3D自动切换,接收2D视频时播放2D画面,接收3D视频时播放3D画面。这段时间,将诞生一些3D显示终端企业与3D内容制造企业。随着16K显示屏的量产,可以实现高清自由视场,3D显示效果更自然、更健康,裸眼3D产业将进入成长期。主导超高清视频产业发展的企业和国家是推动裸眼3D显示发展的主体。

规律作用下的技术方向

表1整理了各种显示技术在显示产业发展的四个维度上的发展潜力,通过比较分析可以判断:能够普遍适用于整个显示产业的技术必须在四个维度上都没有瓶颈,并且要有成本与规模优势;在某个维度有特别优势的显示技术,可以在这个维度上找到细分市场。

CRT被平板显示技术彻底淘汰,是因为CRT在轻薄化和大型化上都有瓶颈。由CRT显示发展而来的VFD和FED,解决了平面薄型化问题,但是热灯丝阵列和冷阴极电子源阵列的结构,以及大电压(-50V~500V)驱动限制了两者的大型化,制约了两者的发展。

PDP被淘汰是因为在像素精细化上有瓶颈,子像素的尺寸极限在100um左右(55寸4K的子像素尺寸为105um),其中障壁厚度极限为20um,障壁两侧的离子层厚度为30um,此外还要考虑障壁上的荧光粉层厚度与放电电压实际极值。像素精细化的瓶颈限制了PDP在40寸以下产品中的应用。

LCD和OLED在四个维度上没有明显的瓶颈。LCD在精细化上具有比较优势,可以在8K以及更高分辨率上体现优势。OLED作为使用有机材料的电流型发光器件,RC寄生效应、材料特性等因素会影响其在大型化、精细化方面的竞争力,但可以在柔性显示方面发挥轻薄化的比较优势。与OLED发光原理类似的QLED,采用无机发光材料,光学性能比OLED更稳定,但要采用印刷技术,精细化不具备相对优势。

LED具有大型化优势和高亮度特点,适合户外显示。微型化的uLED在精细化上有绝对优势,但巨量转移的机械加工难题影响其大型化竞争力。LED和uLED采用拼接技术,都存在显示品质问题。

MDP背投被淘汰是因为在轻薄化上有瓶颈。MDP前投把光学引擎与屏幕分离,分别实现轻量化与大型化,但屏幕分辨率要做到4K(4000PPI以上)是个挑战。激光电视属于短焦距MDP前投,用色彩精细化的优势难以弥补像素精细化的瓶颈,便携式大屏幕显示是其可以发挥优势的细分市场。

ePaper在亮度和色彩的精细化上都有瓶颈,低功耗显示领域是其可以发挥的细分市场。

所以在可预见的将来,LCD依然是显示屏产业的主体,OLED、ePaper等都有各自的细分市场。在轻薄化、大型化、精细化竞争中胜出的显示技术还要能够支撑立体化,共同角逐超密集连续视点裸眼3D显示产业。

显示产业的市场前瞻

只有符合轻薄化、大型化、精细化、立体化四个发展维度的产品未来才有市场。在轻薄化维度上,随着显示屏持续薄化,将出现透明显示与柔性显示两大产业。在大型化维度上,10代以上的超高世代TFT-LCD生产线将持续而缓慢地投产,无缝拼接超大尺寸显示影响超高世代线的投资节奏。在精细化维度上,发展超高清视频产业,普及4K和8K电视,完善上下游产业链。在立体化维度上,基于8K和16K显示屏开发2D/3D自由切换的自由立体电视,发展3D内容制作产业。

大部分显示技术都可以开发成透明显示,透明显示是最现实的增强现实显示技术,是显示产业发展的一个重要方向。如图5所示,作为非主动发光的LCD透明显示吸收环境光显示主要用于户外,而主动发光的OLED透明显示主要用于室内。目前,95%的显示属于室内显示,发展LCD透明显示,开拓透明玻璃与户外显示市场,可以使显示产业从“大陆文明”延伸到“海洋文明”。

显示屏做到足够薄就自然成为柔性显示,柔性显示的发展使信息的传播更加灵活多样。实现柔性显示的主要技术包括反射式OLED、ePaper等。如图6所示,OLED以其超薄、全固态等特点非常适合做柔性显示。ePaper以其超薄、低功耗、自然光显示等特点非常适合做柔性阅读类显示产品。柔性显示主要解决显示产品的携带状态,正常的显示产品使用时都呈平面状态。

大画面显示可以再现与普通生活一样的空间不受限制的状态,即宽视野,给人以真实的沉浸感。所以,10代以上的超高世代线还会继续建成投产,只是每一代之间的间隔会比较长。对于100寸以上的超大尺寸显示屏,发展无缝拼接技术比投资超高世代线,更具成本优势。并且,无缝拼接技术在产品进户等方面也具有相对优势。无缝拼接的基础是用半导体集成电路思维发展超窄边框显示屏,拼缝间隙可以做到1mm以下。还可以用光学处理技术把本该落在拼缝处的观看视线折射到两侧的显示区来消除拼缝,或者在拼缝处追加条状显示带以覆盖拼缝。此外,用一颗颗子像素级别的LED巨量拼接而成的micro LED显示技术也值得期待。

在精细化维度上,显示产业的增量将从智能手机产业转到超高清视频产业,普及4K和8K的超高清显示面板,制作与传播超高清视频内容,可以提供更多的信息量,可以同时升级从内容、传输到终端的整个产业链。8K超高清视频产业将带动2D/3D自由切换显示技术的发展,8K超高清视频时代成熟的技术和产业链支撑着裸眼3D显示的发展,是发展裸眼3D产业的必经之路。8K超高清视频产业伴随8K显示产业、IC驱动、封装、内容制作与传输的发展,对平板显示、电视终端、半导体器件、内容、通讯产业都将产生较大的带动作用。

在立体化维度上,随着大数据、人工智能等技术的发展,巨量的信息处理必然要求对应巨量的信息显示,市场的需求必然促进裸眼3D显示的发展。裸眼3D显示起步于超高清视频时代的8K显示,成长于16K和32K显示屏的产业化,最终发展为可以实现单目聚焦的真3D显示。观看平面显示,眼睛一直聚焦在显示屏上,长时间处于收缩状态的睫状肌因为调节紧张或调节痉挛使晶状体增厚变凸,导致近视。真3D显示完全符合人类对真实场景的观看方式,睫状肌会调节晶状体聚焦于不同景深的物体,就如同人眼观看客观世界一样,可有效避免近视形成,是健康显示。

总结与建议

认清并把握显示产业的发展规律以及现阶段的重点发展任务,重点发展超高清视频产业,培育裸眼3D显示,同时积极布局透明显示、柔性显示、大画面显示等,有助于推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变。对此,提出以下几点建议:

一是加强先进技术创新和高端人才的培养、引进、与使用,突破核心技术,加强专利布局;

二是完善上下游产业链配套,发挥产业链价值,形成国际领先的产业集聚效应,打造全球显示产业的重心;

三是在加大国家统筹布局的优势,加强对先进制造工艺与产品技术研发的经费支持,建立健全政产学研用协同创新体系。


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