OLED柔性屏與LCD柔性屏是如何實(shí)現(xiàn)透明的

最近深圳、北京地鐵的列車玻璃窗上，出現(xiàn)透明顯示屏的新聞挺抓人眼球：深圳地鐵6號、10號線，北京地鐵6號線車窗都出現(xiàn)了這種“智能列車乘客服務(wù)系統(tǒng)”[1][2]。這些與車窗融為一體的透明顯示屏不僅能夠顯示天氣、站點(diǎn)信息，還能上網(wǎng)、看視頻、逛網(wǎng)店。

加上小米在前不久的10周年發(fā)布會(huì)上推出了售價(jià)5萬元的透明電視，又讓“透明顯示”技術(shù)的熱度升了溫。從國內(nèi)媒體的部分報(bào)道，以及供應(yīng)鏈上的消息來看，基本可以明確這些透明顯示面板來自LGDisplay。供應(yīng)透明顯示面板的廠商現(xiàn)如今并不算多，據(jù)說三星就已經(jīng)在2016年決定不再繼續(xù)生產(chǎn)此類面板[3]。到如今這類產(chǎn)品都遠(yuǎn)算不上普及。

實(shí)際上，透明顯示技術(shù)的發(fā)展少說也有10年往上了。似乎每隔一段時(shí)間，或多或少我們總能在展會(huì)上看到透明電視或顯示屏的身影。它們形態(tài)各異，可以是透明電視，也可以是透明柜門，還可以是透明手機(jī)。

2009年索愛還存在于世時(shí)，就有一款名為XperiaPurenessX5的透明屏手機(jī)格外引人注目，因?yàn)槠渫该髌聊辉谀莻€(gè)時(shí)代實(shí)在太炫酷了——即便這款手機(jī)并未大規(guī)模量產(chǎn)，而且還只是個(gè)功能機(jī)。

而透明顯示屏上次如此抓人眼球還是在2016年的CES展會(huì)上，松下展示了一款以柜門形式出現(xiàn)的透明顯示屏，號稱“隱形的電視”；在日常不開啟時(shí)，看起來就只是個(gè)普通的透明玻璃柜門。而在打開之后就是臺能顯示動(dòng)態(tài)畫面的電視。[4]去年松下再次展示了其透明OLED電視，不過當(dāng)時(shí)也仍然是概念產(chǎn)品狀態(tài)。

這類產(chǎn)品如此具有話題性，大概源于其十分飽滿的未來科技感——畢竟科幻電影中，總能看到各種高端的透明顯示屏。這在漫威這些年的超級英雄電影中就十分常見。我們嘗試通過這篇文章來簡單談?wù)?，透明顯示屏的基本原理，以及它離走進(jìn)我們的日常生活還有多遠(yuǎn)。

透明顯示屏？自己就能DIY

透明顯示技術(shù)的方向比較多樣，比如LCD、OLED就都能做到透明化。這里我們拋開一些非常規(guī)的透明顯示技術(shù)不談，比如說谷歌眼鏡、微軟HoloLens那樣的透明顯示技術(shù)：這類現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)型AR眼鏡類產(chǎn)品，有時(shí)還帶有3D顯示屬性。

來源：Geng,Jason."Three-dimensionaldisplaytechnologies."Advancesinopticsandphotonics5.4(2013):456-535

比如上圖這種AR現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)眼鏡，它通過鏡片的部分反射特性，特別針對左右眼來達(dá)成3D畫面觀感，與此同時(shí)還確?？吹窖坨R外的現(xiàn)實(shí)世界。這本身就是透明顯示（see-throughdisplay）的一類方案，但不是我們要在本文探討的重點(diǎn)。

另外，MIT一直在致力于開發(fā)一種被動(dòng)透明顯示系統(tǒng)，用的是納米粒子技術(shù)——這種方案采用一個(gè)投射器作為外部光源，來投射畫面到透明介質(zhì)之上（這種透明介質(zhì)嵌入了一種納米粒子，可以部分顯示投射的畫面）。當(dāng)前還有一些透明顯示技術(shù)也會(huì)采用類似的投射方案。這些方案成本更低，但也并非透明顯示屏的主流，至少現(xiàn)在還不是。

這兩年我們看到比較多的透明顯示屏，通常都是LCD或OLED透明顯示屏。感覺又回到了我們前不久探討柔性屏?xí)r，分成

OLED柔性屏與LCD柔性屏

兩個(gè)方向做探討的時(shí)候。那么這兩種面板是如何做到透明的呢？

這里不花過多筆墨去談LCD與OLED兩類屏幕的結(jié)構(gòu)，需要有個(gè)基本的概念是：無論是哪種面板，它們都是多層堆疊結(jié)構(gòu)。顯示屏分成很多不同的層，每層發(fā)揮不同的作用——將這許多層疊在一起就構(gòu)成了面板和顯示屏。LCD與OLED的區(qū)別就在構(gòu)成兩類面板的層級結(jié)構(gòu)是大不相同的。

如我們在柔性屏介紹文章中提到的，要實(shí)現(xiàn)顯示屏柔性化，實(shí)質(zhì)上也就是要求每一層都可彎曲；那么透明屏也是一樣，要實(shí)現(xiàn)顯示屏透明化，也就是每一層都必須是透明的（或者具有一定的透光率）。

來源：TheBackoffice,YouTube[6]

這一點(diǎn)對顯示面板來說原本也可算得上是半個(gè)天然屬性了。比如LCD屏的底部有背光層，背光層發(fā)光照亮位于上層的各個(gè)疊層——這至少就表明了傳統(tǒng)LCD屏的大部分層原本就是透光的。YouTube上就有不少DIY視頻，用于展示如何讓你早就不用的屏幕變身透明顯示屏[7]——利用的都是傳統(tǒng)的LCD屏，將包括導(dǎo)光板在內(nèi)的背光層拆除，然后利用自然光或其他光源作為背光來照亮屏幕，屏幕就自然成為半透明形態(tài)了，如上圖所示。

可見LCD屏原本就有做成透明屏的基礎(chǔ)。至于OLED屏，佐證其透明的最簡單實(shí)例，即在于現(xiàn)在的許多智能手機(jī)都支持屏下指紋識別（甚至有些還有屏下攝像頭），這些指紋識別方案通常為光學(xué)指紋識別，也就是要求屏幕本身是透明的，才能達(dá)成在屏下依然可識別指紋的目的。這些屏幕一般都是OLED屏，足見OLED屏天然也具備了這種“透明”特性。（比如透明電極ITO銦錫氧化物材料；某些層是因?yàn)楹穸茸銐虮∷员憩F(xiàn)為半透明）

OLED透明屏大概會(huì)成為未來

顯然，既然自己在家都能DIY透明顯示屏，屏幕透明化就算不上什么黑科技。只不過這些年透明屏的研究也始終在持續(xù)，其核心問題應(yīng)該是如何增加透明度或者屏幕的透光率。畢竟DIY的透明顯示器，和如今的小米透明電視比起來，在透明度上還是差得遠(yuǎn)了。

這理論上也是影響LCD與OLED兩個(gè)透明化路線的重要問題。前文就提到LCD屏是需要背光的，這就為完整形態(tài)的LCD屏實(shí)現(xiàn)透明化造成了障礙。早年有一些LCD透明屏因此就去掉了背光系統(tǒng)，借助外部光源：無論是自然光，而是人造外部背光，來實(shí)現(xiàn)屏幕的可視化。與此同時(shí)，LCD還帶兩片偏振片（起偏器），這也是影響光透過率的組成部分。

JDI的透明LCD屏

2017年，JDI（JapanDisplayInc.）曾在SID2017大會(huì)上介紹過自家的一款透明顯示屏[8]。這種透明屏在大方向上仍屬LCD，不過JDI為規(guī)避前面提到的問題，對面板發(fā)光結(jié)構(gòu)和技術(shù)做了改進(jìn)。首先背光安放在顯示屏側(cè)邊（隱藏在邊框內(nèi)），導(dǎo)光的具體方案未知。國外媒體資料介紹提到采用“液晶單元前壁與后壁的內(nèi)部反射，實(shí)現(xiàn)LED光擴(kuò)散”，應(yīng)該算是某種側(cè)入式背光方案。另外由于背光、材料（能夠支持在透明狀態(tài)與散射狀態(tài)間高速切換的“快速響應(yīng)液晶材料”）及工作特性改進(jìn)，這種LCD透明面板還去掉了偏振片和CF（colorfilter），以進(jìn)一步提升透光率。

早些年包括三星、LG、MMT等在內(nèi)的供應(yīng)商都推過透明LCD顯示屏，多少都有對LCD自身的結(jié)構(gòu)改進(jìn)以增加屏幕的透明度。而OLED的結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)透明化時(shí)，天然不具有前面提到的這些阻礙——就連同時(shí)在推透明LCD與透明OLED產(chǎn)品的ProDisplay都特別提到，“一般的透明LCD屏需要背光來實(shí)現(xiàn)可視畫面，而透明OLED屏是由數(shù)百萬自發(fā)光的像素構(gòu)成的。這創(chuàng)造了全新的創(chuàng)新領(lǐng)域…[9]”而且因?yàn)镺LED層級結(jié)構(gòu)簡單，做薄也更容易。

OLED的屏幕結(jié)構(gòu)此前我們不止一次撰文探討過，一般的AMOLED顯示屏，拋開TFTbackplane不說，主要層級結(jié)構(gòu)包括了基板（substrate），陰極層（cathode）、有機(jī)分子層（包括發(fā)射層、導(dǎo)電層）、陽極層（anode），如上圖所示。這是一個(gè)通電就自發(fā)光的結(jié)構(gòu)，并不需要額外的背光。

如前文所述，這些不同層原本就有透明屬性。大約當(dāng)代面板制造商，都有將不同層進(jìn)一步做透明的技術(shù)。這部分具體的技術(shù)細(xì)節(jié)我們就不得而知了。但前文提到的小米透明電視、地鐵車窗透明屏幕都是OLED面板，就不難想見如今實(shí)現(xiàn)透明顯示屏的主流在往哪個(gè)方向走了。

上圖左側(cè)示意的是在透明OLED屏顯示蔥白到黑的漸變圖案時(shí)的樣子，圖片來源：PlanarSystems

在LCD與OLED透明屏路線的選擇問題上，還有一個(gè)細(xì)節(jié)問題，即對黑色與白色的顯示。由于兩者發(fā)光機(jī)制上的差異，透明OLED屏在顯示純黑色時(shí)，呈現(xiàn)為透明狀態(tài)——因?yàn)镺LED的發(fā)光原理是在顯示黑色時(shí)停止工作，所以自然就變透明（或不發(fā)光）了。

某些透明LCD屏可呈現(xiàn)黑色，對白色表現(xiàn)為透明——類似于早年的幻燈機(jī)，這也是由其工作機(jī)制決定的（LCD呈現(xiàn)白色時(shí)，液晶分子讓所有背光通過，像素為關(guān)閉狀態(tài)）；當(dāng)然通過更多技術(shù)輔助也可以規(guī)避這個(gè)問題。

ProDisplay的LCD透明屏演示

針對黑色的透明顯示，通常在畫面表現(xiàn)力上會(huì)更有價(jià)值，不僅是因?yàn)楹谏尘案子谌谌氕h(huán)境（比如在暗光環(huán)境下觀賞），而且在金色、銀色這類亮色的呈現(xiàn)上，也會(huì)明顯更有利，顯著優(yōu)于將白色透明顯示的透明屏。另外，黑色部分透明化也是對視覺體驗(yàn)的加強(qiáng)。去年松下在展示OLED透明電視時(shí)，還在后方多加了一塊黑色面板，用以加強(qiáng)黑色呈現(xiàn)[11]。

這一點(diǎn)對于透明顯示屏的固有使用場景，比如商店櫥窗物品展示輔助，以及各種零售體驗(yàn)加強(qiáng)，都是黑色顯示透明化，以及加強(qiáng)亮色顯示顯得更有價(jià)值。這也是OLED透明屏更有發(fā)展前途的一部分原因。

增加透明度的各種努力

雖然我們并不十分清楚，不同透明顯示面板制造商在針對面板各層級透明度優(yōu)化上的具體方案，不過過去的一些資料與paper，還是有透露業(yè)界在面板某些層級上實(shí)現(xiàn)更高透光率時(shí)的努力。比如說前文提到松下透明電視，就有應(yīng)用通過電流控制透明度的層結(jié)構(gòu)：通電時(shí)透明，不通電透明度降低（如下圖）[10]；再比如顯示屏backplane部分的TFT層。

來源：松下via日經(jīng)

在探討柔性屏技術(shù)時(shí)，TFT層也是我們探討的一個(gè)重點(diǎn)，畢竟這里是半導(dǎo)體匯聚的地方。AMOLED主動(dòng)陣列像素電路至少包含了薄膜晶體管、儲存電容。根據(jù)所需的顯示亮度、OLED效率和各種參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)占據(jù)像素一個(gè)比較可觀的尺寸。TFT也因此成為限制透明度的一個(gè)重要因素。

十多年前就已經(jīng)有針對透明顯示面板TFTbackplane的替代材料或改良技術(shù)研究了。當(dāng)年材料研究領(lǐng)域的學(xué)者曾提到采用氧化鋅和氧化銦（IZO）納米線的透明晶體管，用以替代非晶硅和多晶硅晶體管，因?yàn)镮ZO是透明的（首先將IZO柵電極沉積到玻璃上，在表面應(yīng)用一種納米線解決方案，再在納米線兩側(cè)沉積ITO源極和漏極）[12]。不過當(dāng)時(shí)就有諸多工程實(shí)施上的問題，所以未知如今業(yè)界在這方面的進(jìn)展。

起碼當(dāng)年的松下透明電視，以及如今小米透明電視，湊近了仔細(xì)看仍然是可以看到細(xì)密的網(wǎng)格嵌入在玻璃之中的。

來源：小米電視

不過小米透明電視的網(wǎng)格，與其像素改進(jìn)又有著很大的關(guān)系。這就是近代OLED透明屏增加透明度的努力了。小米在官方博客已經(jīng)專門撰文闡述了增加透明度的方案：“透明OLED的像素中除了常規(guī)OLED屏幕中的WRGB4個(gè)子像素外，還增加了近50%區(qū)域的‘透明子像素’，‘透明子像素+WRGB子像素’組成了透明OLED屏幕的單個(gè)像素，這樣結(jié)構(gòu)的像素在這塊55英寸的透明屏幕上擁有1920X1080=2073600個(gè)?！盵13]

換句話說，每個(gè)像素都有一部分是透明的，不參與顯像。如此一來，就能夠進(jìn)一步增大屏幕的透明度了。

來源：LG

這個(gè)說法與LG的官方解釋[14]完全一致，LG提到“關(guān)鍵在獨(dú)立的玻璃基板增加到了colorfilter之上”，這么做可使至多40%的光通過。（Thekeycomponentistheseparateglasssubstratewhichisaddedtothecolorfiltertoallowupto40percentoflighttopassthrough.）

另外，電路部分是疊在RGBW像素后方的，這樣也就讓“透明子像素”有了更高的光透過率（當(dāng)然也有類似的方案是RGB子像素，再加透明區(qū)域）。但似乎也是因?yàn)檫@個(gè)原因，致其像素密度無法做到太高。小米透明電視雖然有55寸的屏幕尺寸，但分辨率卻是1080p。

除此之外，理論上以這種結(jié)構(gòu)方案來看，雖然從電視后方觀看也能看到畫面，但色彩表現(xiàn)應(yīng)該會(huì)打較大程度的折扣。PlanarSystem的內(nèi)容開發(fā)者文檔[15]也提到，應(yīng)用類似的方案，從電視后方看畫面相比前方，會(huì)有25%的對比度和亮度損失。畢竟電路部分是在后方的，即便它們足夠細(xì)密。

應(yīng)用方向在哪里？

小米將這臺透明電視價(jià)格控制在5萬以內(nèi)，似乎已經(jīng)是透明屏走進(jìn)百姓家的開端了。只是從實(shí)用性的角度來說，如小米這類透明電視的實(shí)際顯示效果，比如今主流電視差得略有點(diǎn)遠(yuǎn)：尤其我們在上海小米旗艦店的展示廳看透明電視，雖的確未來感十足，但在普通家居燈火通明環(huán)境下，加上凌亂背景，電視畫面的確很難看清楚。

唯有暗光環(huán)境下，才有其一席之地。除非是有錢人，純粹將其作為裝飾品買回家（畢竟那些會(huì)買幾時(shí)上百萬OLED電視的主應(yīng)該也不會(huì)在意區(qū)區(qū)5萬塊錢），否則它作為日常家庭娛樂設(shè)備，還是處處受限的。

從LG為其透明面板的定位來看，這樣一款產(chǎn)品原本就不是主要為家庭娛樂服務(wù)的。除了本文開頭提到，它作為地鐵列車信息交互工具，其更多應(yīng)用在電子看板、商品/展品輔助展示等。其品名就叫“LGTransparentOLEDSignage”。作為零售店內(nèi)商品輔助展示，還是頗吸引眼球的，比如作為商品櫥窗展示，融入到櫥窗玻璃中，就創(chuàng)造了各種有趣的展示場景，很類似于現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)。

例如櫥窗中展示防水手表，則櫥窗玻璃就可以顯示水和氣泡，用于表現(xiàn)商品的應(yīng)用場景。再比如針對某個(gè)商品的文字介紹，甚至可以與顧客做觸控互動(dòng)。LG今年3月就提到，已經(jīng)將其應(yīng)用到了韓國國立古宮博物館，以懸浮影像的方式來輔助展示歷史文物。

另外，LG在推廣其透明顯示屏?xí)r預(yù)設(shè)的一個(gè)方案，是將此顯示屏與“視頻墻OLEDSignage”做結(jié)合。即后方還有個(gè)視頻墻OLED看板，前方再放上透明顯示屏：這樣兩者在共同顯示畫面時(shí)，能夠營造沉浸式的3D觀感。

隨著透明顯示技術(shù)的愈發(fā)成熟，或許我們很快就能在很多高端零售店，以及公共基礎(chǔ)設(shè)施中看到這些透明顯示屏的存在了，就像地鐵中的列車玻璃窗那樣。不過它大概還不會(huì)很快進(jìn)入到我們的家庭娛樂中，畢竟其實(shí)用性實(shí)在是不怎么樣。

三星2015年推出的透明電視

最后值得一提的是，本文僅探討了透明顯示屏自身，而未涉及到更多周邊問題，比如說LG在推的這些透明屏可加入觸控層，這在透明化方案里可能還會(huì)有更多的挑戰(zhàn)；以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，作為“透明電視”以及透明信息交互界面，除了顯示屏自身，還有電源、控制、數(shù)據(jù)處理之類的緊湊設(shè)計(jì)問題。這些也都是在構(gòu)建透明顯示系統(tǒng)時(shí)需要考慮的問題。

參考來源：11

[1]北京地鐵魔窗系統(tǒng)升級：將安裝“小米透明電視”-新浪科技

（https://tech.sina.cn/2020-08-22/detail-iivhvpwy2448845.d.html）

[2]深圳地鐵用上“透明電視”–新浪科技

（https://tech.sina.com.cn/e/2020-08-19/doc-iivhuipn9359049.shtml）

[3]SamsungDisplayreportedlydecidedtohalttransparentOLEDproduction-OLED-info

（https://www.oled-info.com/samsung-display-reportedly-decided-halt-transparent-oled-production）

[4]ThisFuturistic"InvisibleTV"LooksJustLikeAPieceOfGlassWhenTurnedOff!-steemit

（https://steemit.com/news/@sirwinchester/this-futuristic-invisible-tv-looks-just-like-a-piece-of-glass-when-turned-off）

[5]Geng,Jason."Three-dimensionaldisplaytechnologies."Advancesinopticsandphotonics5.4(2013):456-535

（https://www.osapublishing.org/viewmedia.cfm?seq=0&uri=aop-5-4-456）

[6]TransparentTFTpanelfrommonitor–TheBackoffice

（https://www.youtube.com/watch?v=fSCK6u0tVgc）

[7]HowimademyOwnTransparenttv/Monitor–Remtech

（https://www.youtube.com/watch?v=iJjQzRekVxw）

[8]JapanDisplayrevealsdetailsonitstransparentliquid-crystaldisplay–LaserFocusWorld

（https://www.laserfocusworld.com/detectors-imaging/article/16569450/japan-display-reveals-details-on-its-transparent-liquidcrystal-display）

[9]TransparentOLEDScreen–ProDisplay

（https://prodisplay.com/products/transparent-oled-screen/）

[10]パナソニックの透明スクリーン、発端は“存在感が無いテレビ”–日經(jīng)

（https://xtech.nikkei.com/dm/atcl/event/15/090600076/100300019/）

[11]Panasonic’sStunningTransparentOLEDTVLooksLikeaPieceofArt–tom’sguide

（https://www.tomsguide.com/news/panasonics-stunning-transparent-oled-tv-looks-like-a-piece-of-art）

[12]See-ThroughTransistors-MITTechnologyReview

（https://www.technologyreview.com/2007/06/04/37147/see-through-transistors/）

[13]如何讓一臺電視變得透明？-小米電視

（https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404539221779284220#_0）

[14]TransparentOLED?!MicroLED?!LG’sNextGenerationDigitalSignageonaWholeNewLevel-LGInformationDisplay

（https://www.youtube.com/watch?v=2fPDOP90nwg&t=61s）

[15]PlanarLookThruTransparentOLEDDisplayContentDeveloper’sGuide–PlanarSystem

（https://www.planar.com/media/438041/020-1316-00b_planar_lookthru_transparent_oled_content_developers_guide.pdf）

(本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自EDN姊妹網(wǎng)站《電子工程專輯》