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顯示技術(shù)從起步到新時代:歷史回顧與未來展望

更新更新時間:2024-11-04 點擊次數(shù):153

在上個專題中我們講述了光色測量原理,這次我們再來簡單回顧一下顯示技術(shù)的發(fā)展歷史和趨勢。

顯示技術(shù)是用于創(chuàng)建和呈現(xiàn)可視化信息的各種方法和系統(tǒng)的總稱。隨著科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)明的不斷進步,人們掌握了多種信息再現(xiàn)的方法,也發(fā)開發(fā)了各種各樣的信息再現(xiàn)技術(shù)和相應(yīng)的器件。例如,陰極射線管(CRT:Cathode Ray Tube)、液晶顯示技術(shù)(LCD:liquid-crystal display)、有機發(fā)光二極管顯示技術(shù)(OLED:Organic light-emitting diode display)、發(fā)光二極管顯示技術(shù)(LED:light emitting diode)、等離子顯示技術(shù)(PDP:Plasma Display)微型發(fā)光二極管技術(shù)(Micro-LED)等。

每一種顯示技術(shù)的誕生都是人類聰明才智的結(jié)晶,是物理、化學(xué)和大規(guī)模制造技術(shù)的綜合產(chǎn)物。

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1. 陰極射線管顯示技術(shù)(CRT:Cathode Ray Tube)

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CRT是第一種顯示技術(shù),它是一個特制的真空管,其中包括電子槍,通過電子槍發(fā)射出來的電子束轟擊屏幕上的熒光粉,從而顯示圖像。它的發(fā)明到成熟和大規(guī)模使用經(jīng)歷了100年。盡管它能耗高、體積大、笨重,但是它的運行時間卻貫穿了整個20世紀。CRT最初用于實驗室的示波器和雷達顯示器,后來這種顯示技術(shù)逐漸普及,以家用電視機、攝像機等形式出現(xiàn)。它可是電視系統(tǒng)的發(fā)展的基礎(chǔ),現(xiàn)已逐漸被淘汰。下面是CRT的發(fā)展歷史簡要:

1855年,德國人Heinrich Geissler發(fā)明了蓋斯勒管,該管用汞泵制成,是第一個良好的真空(空氣)管,后來由Sir William Crookes進行了改進。

1859年,德國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家Julius Plucker用不可見的陰極射線進行實驗。

1878年,英國人Sir William Crookes爵士確認了陰極射線的存在,他發(fā)明了克魯克斯管,這也是所有陰極射線管的粗略原型。

1897年,德國人Karl Ferdinand Braun發(fā)明了一種陰極射線管掃描裝置——博朗管(Braun Tube),即一種帶有熒光屏的CRT示波器,它是當今電視和雷達管的先驅(qū)。

1907年,俄羅斯科學(xué)家Boris Rosing在電視系統(tǒng)的接收器中使用了CRT。Rosing將粗糙的幾何圖案傳輸?shù)诫娨暺聊簧希⑶沂堑谝粋€這樣使用CRT的發(fā)明者。

1922年,誕生了真正的第一臺顯示器,由Apple I使用CRT組成,是單色陰極射線管。

1929年,Vladimir Kosma Zworykin發(fā)明了一種稱為顯像管的陰極射線管,用于原始的電視系統(tǒng)。

1931年,Allen B. Du Mont制造了第一款商用且耐用的CRT電視機。

1936年,第11屆柏林奧*會首*實現(xiàn)電視實況轉(zhuǎn)播,促進了CRT電視的普及。

1973年,第一臺配備顯示器的奧托電腦發(fā)布。

1954年,彩色陰極射線管用于彩色電視機的顯示

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圖1 陰極射線管橫截面圖(不按比例縮放)及其聚焦和偏轉(zhuǎn)電子束(綠色)

CRT的工作原理是電加熱鎢線圈,而鎢線圈又加熱CRT后部的陰極,使其發(fā)射出電子,這些電子被電極調(diào)制和聚焦。電子由偏轉(zhuǎn)線圈或板引導(dǎo),陽極將它們加速到熒光粉涂層的屏幕,當被電子撞擊時,熒光粉屏幕會產(chǎn)生光。

表1 單色CRT的結(jié)構(gòu)

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單色CRT的結(jié)構(gòu)

1. 偏轉(zhuǎn)線圈

2. 電子束和電子槍

3. 聚焦線圈

4. 屏幕內(nèi)側(cè)的熒光粉層,當被電子束擊中時發(fā)光

5. 用于加熱陰極的燈絲

6. 管子內(nèi)側(cè)的石墨層

7. 陽極電壓線進入管子的橡膠或硅膠墊圈(陽極杯)

8. 陰極

9. 管子的氣密玻璃體

10. 屏幕

11. 軛中的線圈

12. 控制電極調(diào)節(jié)電子束的強度,從而調(diào)節(jié)熒光粉發(fā)出的光

13. 用于陰極、燈絲和控制電極的接觸引腳

14. 陽*高壓用線材

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彩色CRT的結(jié)構(gòu)

1. 三個電子發(fā)射器(用于紅色、綠色和藍色熒光粉點)

2. 電子束和電子槍

3. 聚焦線圈

4. 偏轉(zhuǎn)線圈

5. 最終陽極的連接(在一些接收管手冊中稱為“ultor"

6. 用于分離所顯示圖像的紅色、綠色和藍色部分的光束的掩模

7. 具有紅色、綠色和藍色區(qū)域的熒光粉層(屏幕)

8. 屏幕熒光粉涂層內(nèi)側(cè)的特寫鏡頭


2. 等離子顯示技術(shù)(PDP:Plasma Display Panel)

PDP是一種利用氣體放電的顯示裝置,這種屏幕采用了等離子管作為發(fā)光元件。它的黑色深,對比度高,響應(yīng)快,視角大,普通光照環(huán)境下可視性好,輕薄,這使得它和CRT顯示屏相比具有更高的技術(shù)優(yōu)勢。

雖然等離子顯示技術(shù)依然牢牢占據(jù)畫面表現(xiàn)的巔*,但是和成本更低的液晶顯示屏以及更輕薄的OLED顯示屏相比,它也難以逃脫被淘汰的命運。直到2007年左右,等離子顯示屏通常用于大型電視。到2013年,由于來自低成本液晶顯示屏(LCD)的競爭,PDP和CRT一樣幾乎失去了所有市*份額。面向美國零售市場的等離子顯示器制造已于2014年結(jié)束,面向中國市場的制造已于2016年結(jié)束。

它的顯示原理為:

(1) 等離子顯示屏由兩片玻璃組成,在兩片玻璃之間有數(shù)百萬個小隔間。這些隔室或“燈泡"或“細胞"填充惰性氣體和微量其他氣體(例如,汞蒸氣)的混合物;

(2) 當在隔室上施加高壓時,隔室中的氣體會形成等離子體。隨著電流(電子)的流動,當電子穿過等離子體時,一些電子撞擊汞原子,使得原子的激發(fā)到高能級,直到處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)生能級躍遷,并以紫外線的形式釋放光子;

(3) 然后,紫外光子撞擊涂在隔室內(nèi)部的熒光粉。當紫外光子撞擊熒光粉分子時,它會暫時提高熒光粉分子中外軌道電子的能級,使電子從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài);然后,電子會以低于紫外光的能級以光子的形式釋放多余的能量;

(4) 低能量光子大多在紅外范圍內(nèi),但大約40%在可見光范圍內(nèi)。因此,輸入能量主要轉(zhuǎn)換為紅外光,但也轉(zhuǎn)換為可見光。

(5) 屏幕在運行期間會被加熱至30℃至41℃。根據(jù)所使用的熒光粉,可以獲得不同顏色的可見光。

(6) 等離子顯示屏中的每個像素都由三個單元組成,這些單元構(gòu)成了可見光的原色。改變施加在單元上的信號電壓可以就可以產(chǎn)生不同的顏色。

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1936年,匈牙利工程師 Kálmán Tihanyi 在他的一篇論文中描述了一種平板等離子顯示系統(tǒng)。

1964年,第一個實用的等離子視頻顯示屏于由Donald Bitzer、H. Gene Slottow 和研究生Robert Willson在伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校共同發(fā)明,用于PLATO計算機系統(tǒng)。

70~80年代,單色(橙色)的PDP顯示屏在收銀機、計算器、彈球機、飛機航空電子設(shè)備(如收音機、導(dǎo)航儀器)、頻率計數(shù)器和測試設(shè)備領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。

1992年,富士通推出了世*上第一臺21英寸全彩顯示屏。

進入2000年后,等離子顯示屏在大尺寸電視機領(lǐng)域獲得了長足的進展和應(yīng)用。

盡管PDP曾經(jīng)短暫的占據(jù)了一部分電視機市場,然而很快便退出了歷史舞臺。

3. 電致發(fā)光顯示技術(shù)(EL:Electro-Luminescent Display)

電致發(fā)光(EL)是一種光學(xué)和電學(xué)現(xiàn)象,其中材料響應(yīng)通過它的電流或強電場而發(fā)光。

EL的工作原理是通過使電流穿過原子使原子處于激發(fā)態(tài),激發(fā)態(tài)的原子躍遷回低能態(tài)時,就會發(fā)射光子。通過改變被激發(fā)的材料,就可以改變發(fā)出的光的顏色。實際的ELD是使用彼此平行的扁平、不透明電極條構(gòu)成的,上面覆蓋著一層電致發(fā)光材料,然后是另一層垂直于底層的電極。此頂層必須是透明的,以便讓光線逸出。在每個交點處,材質(zhì)亮起,從而創(chuàng)建一個像素。

電致發(fā)光顯示屏是在兩層導(dǎo)體之間夾入一層電致發(fā)光材料(如砷化鎵)而制成。當電流流動時,材料層發(fā)出可見光。術(shù)語“電致發(fā)光顯示器"是指既不使用LED也不使用OLED設(shè)備,而是使用傳統(tǒng)電致發(fā)光材料的顯示器。

1907年,英國無線電研究員Henry Joseph Round發(fā)現(xiàn)了電致發(fā)光,這是一種不產(chǎn)生熱量的光。它的缺點是尺寸和安全性有限,破裂的EL燈因為存在高壓電路而危及人身安全。電致發(fā)光顯示屏一直是一種小眾技術(shù),現(xiàn)在很少使用。

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4. 液晶顯示技術(shù)(LCD:Liquid Crystal Display)

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LCD顯示技術(shù)是利用液晶分子的光學(xué)特性控制光的透過,進而產(chǎn)生圖像的技術(shù),它需要背光源。廣泛應(yīng)用于電腦顯示器、電視、手機等設(shè)備。

LCD顯示屏通常由背光、液晶盒組成。液晶盒可以認為是一個光閥開關(guān),光閥打開時,背光透過;光閥關(guān)閉時,背光關(guān)斷。液晶盒由夾在兩片鍍有ITO像素(子像素)的薄玻璃組成,在兩片玻璃的外側(cè)會貼有偏光片;玻璃之間有液晶夾層,在玻璃內(nèi)側(cè)還會有彩色濾光片、配向膜;當前后玻璃的ITO像素施加電場時,就會改變液晶分子的排列,進而改變其旋光特性。改變電壓的大小,就可以改變像素/子像素的透光量,透過的光再經(jīng)過彩色濾光片的濾光,就能顯示R、G、B三種顏色,進而混合出想要的顏色。

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早在1888年,奧地利植物生理學(xué)家Friedrich Reinitzer就研究了膽*醇的各種衍生物的特殊性質(zhì),并發(fā)現(xiàn)了它們的兩個熔點。德國物理學(xué)家Otto Lehman繼續(xù)對這些“流動"晶體進行研究,并最終創(chuàng)造了“膽*醇液晶"一詞。此后,科學(xué)家們對這些材料并不真正感興趣,這些材料長期以來一直是一種好奇心。

1960年代,美國制造了第一個液晶顯示器,液晶的研究才又開始繁榮。

1966年,膽甾型液晶被用作熱成像和醫(yī)學(xué)中的溫度指示器。

1968年,美國無線電公司(RCA)的George Heilmeier展示了一款工作在80℃的液晶顯示器,平板電視誕生了,它可以像一幅畫一樣掛在墻上。

1968年:開始對向列液晶的研究?!跋蛄?代表分子自行排列成的“棒狀"形狀。

20世紀70年代液晶化學(xué)家最重要的問題是:如何降低工作溫度?達姆施塔特的研究人員成功混合液晶,在室溫下獲得向列相。與第一代液晶顯示器相比,這是一個巨大的進步。

1970年:第一臺配備氧化偶氮化合物和集成黃光濾光片的LCD袖珍計算器在阿赫瑪(ACHEMA)世界論壇和流程工業(yè)領(lǐng)*展會上亮相。

1971年:當時在美國俄亥俄州肯特州立大學(xué)的James Fergason以及瑞士的Martin Schadt和Wolfgang Helfrich幾乎同時開發(fā)出“扭曲向列電池"(TN電池)——這是一項巨大的突破,導(dǎo)致該領(lǐng)域付出了更大的努力向列液晶。

1968年美國RCA公司.Wi1liams發(fā)現(xiàn)向列相液晶在電場作用下形成條紋疇,并有光散射現(xiàn)象G.H. Heilmeir 隨即將其發(fā)展成動態(tài)散射顯示模式,并制成世*上第一個液晶顯示器(LCD)。1968年美國Heilmeir等人還提出了賓主效應(yīng)(GH)式。1969年Xerox公司提出Ch-N相變存儲模式。1971年M.F.Schiekel提出電控雙折射(ECB)模式,T.L.Fergason 等提出扭曲向列相(TwistedNematic:TN)模式,1980年N.Clark等提出鐵電液晶模式(FLC),1983~1985年T.Scheffer等人先后提出超扭曲向列相(Super TwisredNematic:STN)模式。1986年Nagata提出用雙層盒(DSTN)實現(xiàn)黑白顯示技術(shù);之后又有用拉伸高分子膜實現(xiàn)黑白顯示的技術(shù)(FSTN)

1996年以后,又提出采用單個偏光片的反射式TN(RTN)及反射式STN(RSTN)模式。

在2007年左右,液晶電視擊敗了PDP,成為消費者(或者,可以說是生產(chǎn)商)的選擇,因為它們的尺寸大,成本低。LED技術(shù)不斷進步,LED背光LCD顯示屏贏得市場。OLED技術(shù)也在不斷改進,并準備以更好的黑色(甚至比等離子更好)和更薄的硬性更弱的外形挑戰(zhàn)LCD,但是LCD繼續(xù)提供更低的制造成本、更長的使用壽命和更高的耐用性。

5. 有機發(fā)光二極管顯示技術(shù)(OLED:Organic Light Emitting Diode)

OLED是自發(fā)光顯示技術(shù),由一層有機化合物圖層和上下電極構(gòu)成,通電后有機物被電流激發(fā)出彩色光并形成圖像。OLED器件結(jié)構(gòu):

(1) 基板(透明塑料、玻璃、金屬箔):基層用來支撐整個OLED。

(2) 陽極:陽極在電流流過設(shè)備時產(chǎn)生“空穴"。

(3) 空穴傳輸層:該層由有機材料分子構(gòu)成,這些分子傳輸由陽極而來的“空穴"。

(4) 發(fā)光層:該層由有機材料分子(不同于導(dǎo)電層)構(gòu)成,發(fā)光過程在這一層進行。

(5) 電子傳輸層:該層由有機材料分子構(gòu)成,這些分子傳輸由陰極而來的“電子"。

(6) 陰極:當設(shè)備內(nèi)有電流流通時,陰極會將電子注入電路。

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從結(jié)構(gòu)上看,OLED顯示器件的結(jié)構(gòu)簡單,但其制造工藝難度卻也相當大,這也是其自從發(fā)現(xiàn)到規(guī)?;虡I(yè)應(yīng)用間隔時間比較久的原因。

OLED的研究產(chǎn)生其實起源于一個偶然的發(fā)現(xiàn)。1979年的一天晚上,在美國柯達公司從事科研工作的華裔科學(xué)家鄧青云博士(Dr.C.W.Tang)在回家的路上忽然想起有東西忘記在實驗室里,回去以后,他發(fā)現(xiàn)黑暗中有個亮的東西。打開燈發(fā)現(xiàn)原來是一塊做實驗的有機蓄電池在發(fā)光。OLED研究就此開始,鄧博士由此也被稱為OLED之父。

而OLED正式商用是則在1987年,柯達公司推出了一款OLED雙層器件,展現(xiàn)出了OLED優(yōu)異的性能:更薄、更黑、響應(yīng)更快。隨之越來越多的國際巨*加入了對OLED的研發(fā)。

整體上看OLED的應(yīng)用大致可以分為3個階段。

1997年~2001年:OLED的試用階段。1997年OLED由日本先鋒公司在全*第一個商業(yè)化生產(chǎn)并用于汽車音響,作為車載顯示器運用于市場。

2002年~2005年:OLED的成長階段。在這段時期人們開始逐漸接觸到更多帶有OLED的產(chǎn)品,例如車載顯示器,PDA(包括電子詞典、手持電腦和個人通訊設(shè)備等)、相機、手持游戲機、檢測儀器等。但主要以10寸以下的小面板為主。

2005年以后:OLED開始走向一個成熟化的階段。廠商們紛紛推出成熟的產(chǎn)品。LGD,SMD先后推出55英寸OLED電視。2017年蘋果十周年紀念手機iPhoneX采用OLED屏幕。所以O(shè)LED從首*商業(yè)應(yīng)用到成功推出55英寸電視屏僅僅用了16年時間,而LCD走過這段歷程則花了32年時間,可見全球OLED產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅猛。

6. 微小的LED陣列(Micro-LED)

科學(xué)的進步和創(chuàng)新永*止步,近年來一種名為微發(fā)光二極管(Micro-LED)的技術(shù)風(fēng)靡全球。Micro-LED 技術(shù)雖然還在研發(fā)階段,但已吸引各大廠商紛紛注資,成為未來的顯示技術(shù)的重要研發(fā)方向之一。

Micro-LED可以認為是LED陣列的微縮版本,就是微型化的LED,是目前主流LED大小的1%。Micro-LED就是將LED結(jié)構(gòu)設(shè)計進行薄膜化、微小化以及陣列化后,將Micro-LED巨量轉(zhuǎn)移到電路基板上,再利用物理沉積技術(shù)生成上電極及保護層,形成微小間距的LED。Micro-LED的尺寸僅在1~10μm等級左右,是目前主流LED大小的1%,每一個Micro-LED可視為一個像素,同時它還能夠?qū)崿F(xiàn)對每個像素的定址控制、單獨驅(qū)動發(fā)光。

Micro-LED與其他顯示技術(shù)相比,優(yōu)勢明顯,但是制造技術(shù)目前并不成熟。限制Micro LED產(chǎn)業(yè)化的一個重要原因是巨量轉(zhuǎn)移,各大面板廠都在致力于如何將幾百萬個LED高度集成在一起。

2012年,索尼公司率*將Micro-LED技術(shù)應(yīng)用在消費電子領(lǐng)域。隨后,蘋果公司、三星公司積極投入Micro-LED技術(shù)的研發(fā),并將之作為下一代顯示技術(shù)。在2018年CES上,三星發(fā)布了世*上第一款Micro-LED技術(shù)的電視,取名“THEWALL",電視大小156寸。

Micro-LED典型結(jié)構(gòu)是一個PN接面二極管,由直接能隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成。當對Micro-LED上下電極施加一正向偏壓,致使電流通過時,電子、空穴對于主動區(qū)復(fù)合,發(fā)射出單一色光。Micro-LED的基本構(gòu)造分為四塊,最下面是襯底,上一層是電極,再往上是RGB排列的Micro-LED,最外層是玻璃面板。RGB三個子像素組成一個像素。對于一個4K電視機,是八百萬個這樣的微觀結(jié)構(gòu)組成的。由上面的對比圖可見,Micro-LED能達到比OLED更輕薄的效果。

Micro-LED還是一個正在蓬勃發(fā)展的技術(shù),相信隨著各大顯示制造廠商的大筆資金投入,再加上物理學(xué)家、化學(xué)家、工程師等相關(guān)人員的積極參與,Micro-LED會在未來的某個時間段會有大的進展。

7. 其他

還有一些其他顯示技術(shù),例如QLED、LCoS、投影技術(shù)、AR、VR、MR等。他們要么是過渡產(chǎn)品,要么是基于LCD、OLED、MicroLED等顯示技術(shù),結(jié)合其他光學(xué)零件,實現(xiàn)虛擬成現(xiàn)象的產(chǎn)品,本質(zhì)上并不是顯示介質(zhì)的更新。

8. 結(jié)語

上面這些不同的顯示技術(shù)的發(fā)明和大規(guī)模使用沒有明顯的時間界限,通常是有交疊的。例如,在彩色CRT顯示屏大規(guī)模使用時,LCD就已經(jīng)在小規(guī)模的使用了。隨著LCD的尺寸越來越大,技術(shù)越來越成熟,在2000年以后獲得了快速發(fā)展,并逐漸替代了CRT顯示屏。再如,等離子體顯示屏一段時間與CRT顯示屏相比,尺寸和顯示效果有了很大的提升,進而獲得了一定份額的市場。但是和LCD相比,劣勢卻非常明顯,所以隨著LCD顯示屏的廣泛應(yīng)用,等離子體顯示屏和CRT顯示屏一樣,迅速的被淘汰了。

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