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技术文章
显示技术的演变历程与未来的可能性
点击次数:47 发布时间:2024/11/4 9:52:48
在上个专题中我们讲述了光色测量原理,这次我们再来简单回顾一下显示技术的发展历史和趋势。
显示技术是用于创建和呈现可视化信息的各种方法和系统的总称。随着科学研究和技术发明的不断进步,人们掌握了多种信息再现的方法,也发开发了各种各样的信息再现技术和相应的器件。例如,阴极射线管(CRT:Cathode Ray Tube)、液晶显示技术(LCD:liquid-crystal display)、有机发光二极管显示技术(OLED:Organic light-emitting diode display)、发光二极管显示技术(LED:light emitting diode)、等离子显示技术(PDP:Plasma Display)微型发光二极管技术(Micro-LED)等。
每一种显示技术的诞生都是人类聪明才智的结晶,是物理、化学和大规模制造技术的综合产物。
1. 阴极射线管显示技术(CRT:Cathode Ray Tube)
CRT是*一种显示技术,它是一个特制的真空管,其中包括电子枪,通过电子枪发射出来的电子束轰击屏幕上的荧光粉,从而显示图像。它的发明到成熟和大规模使用经历了100年。尽管它能耗高、体积大、笨重,但是它的运行时间却贯穿了整个20世纪。CRT*初用于实验室的示波器和雷达显示器,后来这种显示技术逐渐普及,以家用电视机、摄像机等形式出现。它可是电视系统的发展的基础,现已逐渐被淘汰。下面是CRT的发展历史简要:
1855年,德国人Heinrich Geissler发明了盖斯勒管,该管用汞泵制成,是*一个良好的真空(空气)管,后来由Sir William Crookes进行了改进。
1859年,德国数学家和物理学家Julius Plucker用不可见的阴极射线进行实验。
1878年,英国人Sir William Crookes爵士确认了阴极射线的存在,他发明了克鲁克斯管,这也是所有阴极射线管的粗略原型。
1897年,德国人Karl Ferdinand Braun发明了一种阴极射线管扫描装置——博朗管(Braun Tube),即一种带有荧光屏的CRT示波器,它是当今电视和雷达管的先驱。
1907年,俄罗斯科学家Boris Rosing在电视系统的接收器中使用了CRT。Rosing将粗糙的几何图案传输到电视屏幕上,并且是*一个这样使用CRT的发明者。
1922年,诞生了真正的*一台显示器,由Apple I使用CRT组成,是单色阴极射线管。
1929年,Vladimir Kosma Zworykin发明了一种称为显像管的阴极射线管,用于原始的电视系统。
1931年,Allen B. Du Mont制造了*一款商用且耐用的CRT电视机。
1936年,第11届柏林奥*会首*实现电视实况转播,促进了CRT电视的普及。
1973年,*一台配备显示器的奥托电脑发布。
1954年,彩色阴极射线管用于彩色电视机的显示
图1 阴极射线管横截面图(不按比例缩放)及其聚焦和偏转电子束(绿色)
CRT的工作原理是电加热钨线圈,而钨线圈又加热CRT后部的阴极,使其发射出电子,这些电子被电极调制和聚焦。电子由偏转线圈或板引导,阳极将它们加速到荧光粉涂层的屏幕,当被电子撞击时,荧光粉屏幕会产生光。
表1 单色CRT的结构
单色CRT的结构 | 1. 偏转线圈 2. 电子束和电子枪 3. 聚焦线圈 4. 屏幕内侧的荧光粉层,当被电子束击中时发光 5. 用于加热阴极的灯丝 6. 管子内侧的石墨层 7. 阳极电压线进入管子的橡胶或硅胶垫圈(阳极杯) 8. 阴极 9. 管子的气密玻璃体 10. 屏幕 11. 轭中的线圈 12. 控制电极调节电子束的强度,从而调节荧光粉发出的光 13. 用于阴极、灯丝和控制电极的接触引脚 14. 阳*高压用线材 |
彩色CRT的结构 | 1. 三个电子发射器(用于红色、绿色和蓝色荧光粉点) 2. 电子束和电子枪 3. 聚焦线圈 4. 偏转线圈 5. *终阳极的连接(在一些接收管手册中称为“ultor” 6. 用于分离所显示图像的红色、绿色和蓝色部分的光束的掩模 7. 具有红色、绿色和蓝色区域的荧光粉层(屏幕) 8. 屏幕荧光粉涂层内侧的特写镜头 |
2. 等离子显示技术(PDP:Plasma Display Panel)
PDP是一种利用气体放电的显示装置,这种屏幕采用了等离子管作为发光元件。它的黑色深,对比度高,响应快,视角大,普通光照环境下可视性好,轻薄,这使得它和CRT显示屏相比具有更高的技术优势。
虽然等离子显示技术依然牢牢占据画面表现的巅*,但是和成本更低的液晶显示屏以及更轻薄的OLED显示屏相比,它也难以逃脱被淘汰的命运。直到2007年左右,等离子显示屏通常用于大型电视。到2013年,由于来自低成本液晶显示屏(LCD)的竞争,PDP和CRT一样几乎失去了所有市*份额。面向美国零售市场的等离子显示器制造已于2014年结束,面向中国市场的制造已于2016年结束。
它的显示原理为:
(1) 等离子显示屏由两片玻璃组成,在两片玻璃之间有数百万个小隔间。这些隔室或“灯泡”或“细胞”填充惰性气体和微量其他气体(例如,汞蒸气)的混合物;
(2) 当在隔室上施加高压时,隔室中的气体会形成等离子体。随着电流(电子)的流动,当电子穿过等离子体时,一些电子撞击汞原子,使得原子的激发到高能级,直到处于激发态的原子发生能级跃迁,并以紫外线的形式释放光子;
(3) 然后,紫外光子撞击涂在隔室内部的荧光粉。当紫外光子撞击荧光粉分子时,它会暂时提高荧光粉分子中外轨道电子的能级,使电子从稳定状态变为不稳定状态;然后,电子会以低于紫外光的能级以光子的形式释放多余的能量;
(4) 低能量光子大多在红外范围内,但大约40%在可见光范围内。因此,输入能量主要转换为红外光,但也转换为可见光。
(5) 屏幕在运行期间会被加热至30℃至41℃。根据所使用的荧光粉,可以获得不同颜色的可见光。
(6) 等离子显示屏中的每个像素都由三个单元组成,这些单元构成了可见光的原色。改变施加在单元上的信号电压可以就可以产生不同的颜色。
1936年,匈牙利工程师 Kálmán Tihanyi 在他的一篇论文中描述了一种平板等离子显示系统。
1964年,*一个实用的等离子视频显示屏于由Donald Bitzer、H. Gene Slottow 和研究生Robert Willson在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校共同发明,用于PLATO计算机系统。
70~80年代,单色(橙色)的PDP显示屏在收银机、计算器、弹球机、飞机航空电子设备(如收音机、导航仪器)、频率计数器和测试设备领域有了广泛的应用。
1992年,富士通推出了世*上*一台21英寸全彩显示屏。
进入2000年后,等离子显示屏在大尺寸电视机领域获得了长足的进展和应用。
尽管PDP曾经短暂的占据了一部分电视机市场,然而很快便退出了历史舞台。
3. 电致发光显示技术(EL:Electro-Luminescent Display)
电致发光(EL)是一种光学和电学现象,其中材料响应通过它的电流或强电场而发光。
EL的工作原理是通过使电流穿过原子使原子处于激发态,激发态的原子跃迁回低能态时,就会发射光子。通过改变被激发的材料,就可以改变发出的光的颜色。实际的ELD是使用彼此平行的扁平、不透明电极条构成的,上面覆盖着一层电致发光材料,然后是另一层垂直于底层的电极。此顶层必须是透明的,以便让光线逸出。在每个交点处,材质亮起,从而创建一个像素。
电致发光显示屏是在两层导体之间夹入一层电致发光材料(如砷化镓)而制成。当电流流动时,材料层发出可见光。术语“电致发光显示器”是指既不使用LED也不使用OLED设备,而是使用传统电致发光材料的显示器。
1907年,英国无线电研究员Henry Joseph Round发现了电致发光,这是一种不产生热量的光。它的缺点是尺寸和安全性有限,破裂的EL灯因为存在高压电路而危及人身安全。电致发光显示屏一直是一种小众技术,现在很少使用。
4. 液晶显示技术(LCD:Liquid Crystal Display)
LCD显示技术是利用液晶分子的光学特性控制光的透过,进而产生图像的技术,它需要背光源。广泛应用于电脑显示器、电视、手机等设备。
LCD显示屏通常由背光、液晶盒组成。液晶盒可以认为是一个光阀开关,光阀打开时,背光透过;光阀关闭时,背光关断。液晶盒由夹在两片镀有ITO像素(子像素)的薄玻璃组成,在两片玻璃的外侧会贴有偏光片;玻璃之间有液晶夹层,在玻璃内侧还会有彩色滤光片、配向膜;当前后玻璃的ITO像素施加电场时,就会改变液晶分子的排列,进而改变其旋光特性。改变电压的大小,就可以改变像素/子像素的透光量,透过的光再经过彩色滤光片的滤光,就能显示R、G、B三种颜色,进而混合出想要的颜色。
早在1888年,奥地利植物生理学家Friedrich Reinitzer就研究了胆*醇的各种衍生物的特殊性质,并发现了它们的两个熔点。德国物理学家Otto Lehman继续对这些“流动”晶体进行研究,并*终创造了“胆*醇液晶”一词。此后,科学家们对这些材料并不真正感兴趣,这些材料长*以来一直是一种好奇心。
1960年代,美国制造了*一个液晶显示器,液晶的研究才又开始繁荣。
1966年,胆甾型液晶被用作热成像和医学中的温度指示器。
1968年,美国无线电公司(RCA)的George Heilmeier展示了一款工作在80℃的液晶显示器,平板电视诞生了,它可以像一幅画一样挂在墙上。
1968年:开始对向列液晶的研究。“向列”代表分子自行排列成的“棒状”形状。
20世纪70年代液晶化学家*重要的问题是:如何降低工作温度?达姆施塔特的研究人员成功混合液晶,在室温下获得向列相。与*一代液晶显示器相比,这是一个巨大的进步。
1970年:*一台配备氧化偶氮化合物和集成黄光滤光片的LCD袖珍计算器在阿赫玛(ACHEMA)世界论坛和流程工业领*展会上亮相。
1971年:当时在美国俄亥俄州肯特州立大学的James Fergason以及瑞士的Martin Schadt和Wolfgang Helfrich几乎同时开发出“扭曲向列电池”(TN电池)——这是一项巨大的突破,导致该领域付出了更大的努力向列液晶。
1968年美国RCA公司.Wi1liams发现向列相液晶在电场作用下形成条纹畴,并有光散射现象G.H. Heilmeir 随即将其发展成动态散射显示模式,并制成世*上*一个液晶显示器(LCD)。1968年美国Heilmeir等人还提出了宾主效应(GH)式。1969年Xerox公司提出Ch-N相变存储模式。1971年M.F.Schiekel提出电控双折射(ECB)模式,T.L.Fergason 等提出扭曲向列相(TwistedNematic:TN)模式,1980年N.Clark等提出铁电液晶模式(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提出用双层盒(DSTN)实现黑白显示技术;之后又有用拉伸高分子膜实现黑白显示的技术(FSTN)
1996年以后,又提出采用单个偏光片的反射式TN(RTN)及反射式STN(RSTN)模式。
在2007年左右,液晶电视击败了PDP,成为消费者(或者,可以说是生产商)的选择,因为它们的尺寸大,成本低。LED技术不断进步,LED背光LCD显示屏赢得市场。OLED技术也在不断改进,并准备以更好的黑色(甚至比等离子更好)和更薄的硬性更弱的外形挑战LCD,但是LCD继续提供更低的制造成本、更长的使用寿命和更高的耐用性。
5. 有机发光二极管显示技术(OLED:Organic Light Emitting Diode)
OLED是自发光显示技术,由一层有机化合物图层和上下电极构成,通电后有机物被电流激发出彩色光并形成图像。OLED器件结构:
(1) 基板(透明塑料、玻璃、金属箔):基层用来支撑整个OLED。
(2) 阳极:阳极在电流流过设备时产生“空穴”。
(3) 空穴传输层:该层由有机材料分子构成,这些分子传输由阳极而来的“空穴”。
(4) 发光层:该层由有机材料分子(不同于导电层)构成,发光过程在这一层进行。
(5) 电子传输层:该层由有机材料分子构成,这些分子传输由阴极而来的“电子”。
(6) 阴极:当设备内有电流流通时,阴极会将电子注入电路。
从结构上看,OLED显示器件的结构简单,但其制造工艺难度却也相当大,这也是其自从发现到规模化商业应用间隔时间比较久的原因。
OLED的研究产生其实起源于一个偶然的发现。1979年的一天晚上,在美国柯达公司从事科研工作的华裔科学家邓青云博士(Dr.C.W.Tang)在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室里,回去以后,他发现黑暗中有个亮的东西。打开灯发现原来是一块做实验的有机蓄电池在发光。OLED研究就此开始,邓博士由此也被称为OLED之父。
而OLED正式商用是则在1987年,柯达公司推出了一款OLED双层器件,展现出了OLED优*的性能:更薄、更黑、响应更快。随之越来越多的巨*加入了对OLED的研发。
整体上看OLED的应用大致可以分为3个阶段。
1997年~2001年:OLED的试用阶段。1997年OLED由日本先锋公司在全**一个商业化生产并用于汽车音响,作为车载显示器运用于市场。
2002年~2005年:OLED的成长阶段。在这段时期人们开始逐渐接触到更多带有OLED的产品,例如车载显示器,PDA(包括电子词典、手持电脑和个人通讯设备等)、相机、手持游戏机、检测仪器等。但主要以10寸以下的小面板为主。
2005年以后:OLED开始走向一个成熟化的阶段。厂商们纷纷推出成熟的产品。LGD,SMD先后推出55英寸OLED电视。2017年苹果十周年纪念手机iPhoneX采用OLED屏幕。所以OLED从首*商业应用到成功推出55英寸电视屏仅仅用了16年时间,而LCD走过这段历程则花了32年时间,可见全球OLED产业发展非常迅猛。
6. 微小的LED阵列(Micro-LED)
科学的进步和创新永*止步,近年来一种名为微发光二极管(Micro-LED)的技术风靡全球。Micro-LED 技术虽然还在研发阶段,但已吸引各大厂商纷纷注资,成为未来的显示技术的重要研发方向。
Micro-LED可以认为是LED阵列的微缩版本,就是微型化的LED,是目前主流LED大小的1%。Micro-LED就是将LED结构设计进行薄膜化、微小化以及阵列化后,将Micro-LED巨量转移到电路基板上,再利用物理沉积技术生成上电极及保护层,形成微小间距的LED。Micro-LED的尺寸仅在1~10μm等级左右,是目前主流LED大小的1%,每一个Micro-LED可视为一个像素,同时它还能够实现对每个像素的定址控制、单独驱动发光。
Micro-LED与其他显示技术相比,优势明显,但是制造技术目前并不成熟。限制Micro LED产业化的一个重要原因是巨量转移,各大面板厂都在致*于如何将几百万个LED高度集成在一起。
2012年,索尼公司率*将Micro-LED技术应用在消费电子领域。随后,苹果公司、三星公司积极投入Micro-LED技术的研发,并将之作为下一代显示技术。在2018年CES上,三星发布了世*上*一款Micro-LED技术的电视,取名“THEWALL”,电视大小156寸。
Micro-LED典型结构是一个PN接面二极管,由直接能隙半导体材料构成。当对Micro-LED上下电极施加一正向偏压,致使电流通过时,电子、空穴对于主动区复合,发射出单一色光。Micro-LED的基本构造分为四块,*下面是衬底,上一层是电极,再往上是RGB排列的Micro-LED,*外层是玻璃面板。RGB三个子像素组成一个像素。对于一个4K电视机,是八百万个这样的微观结构组成的。由上面的对比图可见,Micro-LED能达到比OLED更轻薄的效果。
Micro-LED还是一个正在蓬勃发展的技术,相信随着各大显示制造厂商的大笔资金投入,再加上物理学家、化学家、工程师等相关人员的积极参与,Micro-LED会在未来的某个时间段会有大的进展。
7. 其他
还有一些其他显示技术,例如QLED、LCoS、投影技术、AR、VR、MR等。他们要么是过渡产品,要么是基于LCD、OLED、MicroLED等显示技术,结合其他光学零件,实现虚拟成现象的产品,本质上并不是显示介质的更新。
8. 结语
上面这些不同的显示技术的发明和大规模使用没有明显的时间界限,通常是有交叠的。例如,在彩色CRT显示屏大规模使用时,LCD就已经在小规模的使用了。随着LCD的尺寸越来越大,技术越来越成熟,在2000年以后获得了快速发展,并逐渐替代了CRT显示屏。再如,等离子体显示屏一段时间与CRT显示屏相比,尺寸和显示效果有了很大的提升,进而获得了一定份额的市场。但是和LCD相比,劣势却非常明显,所以随着LCD显示屏的广泛应用,等离子体显示屏和CRT显示屏一样,迅速的被淘汰了。
原创作者:先锋科技(香港)股份有限公司