顯示技術(shù)從起步到新時(shí)代：歷史回顧與未來展望

在上個(gè)專題中我們講述了光色測(cè)量原理，這次我們?cè)賮砗?jiǎn)單回顧一下顯示技術(shù)的發(fā)展歷史和趨勢(shì)。

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(jìn)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(jī)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。

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

CRT是第一種顯示技術(shù)，它是一個(gè)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(yùn)行時(shí)間卻貫穿了整個(gè)20世紀(jì)。CRT最初用于實(shí)驗(yàn)室的示波器和雷達(dá)顯示器，后來這種顯示技術(shù)逐漸普及，以家用電視機(jī)、攝像機(jī)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(jiǎn)要：

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

1859年，德國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家Julius Plucker用不可見的陰極射線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1878年，英國(guó)人Sir William Crookes爵士確認(rèn)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(guó)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(dāng)今電視和雷達(dá)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?jìng)鬏數(shù)诫娨暺聊簧?，并且是第一個(gè)這樣使用CRT的發(fā)明者。

1922年，誕生了真正的第一臺(tái)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(jī)。

1936年，第11屆柏林奧*會(huì)首*實(shí)現(xiàn)電視實(shí)況轉(zhuǎn)播，促進(jìn)了CRT電視的普及。

1973年，第一臺(tái)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(jī)的顯示

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(dāng)被電子撞擊時(shí)，熒光粉屏幕會(huì)產(chǎn)生光。

表1　單色CRT的結(jié)構(gòu)

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(duì)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(shì)。

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(yùn)。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(jìng)爭(zhēng)，PDP和CRT一樣幾乎失去了所有市*份額。面向美國(guó)零售市場(chǎng)的等離子顯示器制造已于2014年結(jié)束，面向中國(guó)市場(chǎng)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(gè)小隔間。這些隔室或“燈泡”或“細(xì)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(dāng)在隔室上施加高壓時(shí)，隔室中的氣體會(huì)形成等離子體。隨著電流（電子）的流動(dòng)，當(dāng)電子穿過等離子體時(shí)，一些電子撞擊汞原子，使得原子的激發(fā)到高能級(jí)，直到處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)生能級(jí)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(dāng)紫外光子撞擊熒光粉分子時(shí)，它會(huì)暫時(shí)提高熒光粉分子中外軌道電子的能級(jí)，使電子從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)；然后，電子會(huì)以低于紫外光的能級(jí)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(yùn)行期間會(huì)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(gè)像素都由三個(gè)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(hào)電壓可以就可以產(chǎn)生不同的顏色。

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(gè)實(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

70～80年代，單色（橙色）的PDP顯示屏在收銀機(jī)、計(jì)算器、彈球機(jī)、飛機(jī)航空電子設(shè)備（如收音機(jī)、導(dǎo)航儀器）、頻率計(jì)數(shù)器和測(cè)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(tái)21英寸全彩顯示屏。

進(jìn)入2000年后，等離子顯示屏在大尺寸電視機(jī)領(lǐng)域獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)展和應(yīng)用。

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

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(qiáng)電場(chǎng)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(shí)，就會(huì)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(shí)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(gè)交點(diǎn)處，材質(zhì)亮起，從而創(chuàng)建一個(gè)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(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，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(guó)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(diǎn)是尺寸和安全性有限，破裂的EL燈因?yàn)榇嬖诟邏弘娐范＜叭松戆踩?。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。

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

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(jìn)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(jī)等設(shè)備。

LCD顯示屏通常由背光、液晶盒組成。液晶盒可以認(rèn)為是一個(gè)光閥開關(guān)，光閥打開時(shí)，背光透過；光閥關(guān)閉時(shí)，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(huì)貼有偏光片；玻璃之間有液晶夾層，在玻璃內(nèi)側(cè)還會(huì)有彩色濾光片、配向膜；當(dāng)前后玻璃的ITO像素施加電場(chǎng)時(shí)，就會(huì)改變液晶分子的排列，進(jìn)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(jìn)而混合出想要的顏色。

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(gè)熔點(diǎn)。德國(guó)物理學(xué)家Otto Lehman繼續(xù)對(duì)這些“流動(dòng)”晶體進(jìn)行研究，并最終創(chuàng)造了“膽*醇液晶”一詞。此后，科學(xué)家們對(duì)這些材料并不真正感興趣，這些材料長(zhǎng)期以來一直是一種好奇心。

1960年代，美國(guó)制造了第一個(gè)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(guó)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(duì)向列液晶的研究?！跋蛄小贝矸肿幼孕信帕谐傻摹鞍魻睢毙螤?。

20世紀(jì)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(dá)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(gè)巨大的進(jìn)步。

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

1971年：當(dāng)時(shí)在美國(guó)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(shí)開發(fā)出“扭曲向列電池”（TN電池）——這是一項(xiàng)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(guó)RCA公司.Wi1liams發(fā)現(xiàn)向列相液晶在電場(chǎng)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(dòng)態(tài)散射顯示模式，并制成世*上第一個(gè)液晶顯示器(LCD)。1968年美國(guó)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)黑白顯示技術(shù);之后又有用拉伸高分子膜實(shí)現(xiàn)黑白顯示的技術(shù)(FSTN)

1996年以后，又提出采用單個(gè)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(fèi)者（或者，可以說是生產(chǎn)商）的選擇，因?yàn)樗鼈兊某叽绱?，成本低。LED技術(shù)不斷進(jìn)步，LED背光LCD顯示屏贏得市場(chǎng)。OLED技術(shù)也在不斷改進(jìn)，并準(zhǔn)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(zhǎng)的使用壽命和更高的耐用性。

5. 有機(jī)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(jī)化合物圖層和上下電極構(gòu)成，通電后有機(jī)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(gè)OLED。

(2) 陽極：陽極在電流流過設(shè)備時(shí)產(chǎn)生“空穴”。

(3) 空穴傳輸層：該層由有機(jī)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(jī)材料分子(不同于導(dǎo)電層)構(gòu)成，發(fā)光過程在這一層進(jìn)行。

(5) 電子傳輸層：該層由有機(jī)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(dāng)設(shè)備內(nèi)有電流流通時(shí)，陰極會(huì)將電子注入電路。

從結(jié)構(gòu)上看，OLED顯示器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其制造工藝難度卻也相當(dāng)大，這也是其自從發(fā)現(xiàn)到規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用間隔時(shí)間比較久的原因。

OLED的研究產(chǎn)生其實(shí)起源于一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)。1979年的一天晚上，在美國(guó)柯達(dá)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(shí)驗(yàn)室里，回去以后，他發(fā)現(xiàn)黑暗中有個(gè)亮的東西。打開燈發(fā)現(xiàn)原來是一塊做實(shí)驗(yàn)的有機(jī)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(dá)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(guó)際巨*加入了對(duì)OLED的研發(fā)。

整體上看OLED的應(yīng)用大致可以分為3個(gè)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(gè)商業(yè)化生產(chǎn)并用于汽車音響，作為車載顯示器運(yùn)用于市場(chǎng)。

2002年～2005年：OLED的成長(zhǎng)階段。在這段時(shí)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(gè)人通訊設(shè)備等)、相機(jī)、手持游戲機(jī)、檢測(cè)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(gè)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(jì)念手機(jī)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(shí)間，而LCD走過這段歷程則花了32年時(shí)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(jìn)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(rèn)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(jì)進(jìn)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(hù)層，形成微小間距的LED。Micro-LED的尺寸僅在1~10μm等級(jí)左右，是目前主流LED大小的1%，每一個(gè)Micro-LED可視為一個(gè)像素，同時(shí)它還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)像素的定址控制、單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)光。

Micro-LED與其他顯示技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)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(gè)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(gè)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(fèi)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(gè)PN接面二極管，由直接能隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成。當(dāng)對(duì)Micro-LED上下電極施加一正向偏壓，致使電流通過時(shí)，電子、空穴對(duì)于主動(dòng)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(gè)子像素組成一個(gè)像素。對(duì)于一個(gè)4K電視機(jī)，是八百萬個(gè)這樣的微觀結(jié)構(gòu)組成的。由上面的對(duì)比圖可見，Micro-LED能達(dá)到比OLED更輕薄的效果。

Micro-LED還是一個(gè)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(huì)在未來的某個(gè)時(shí)間段會(huì)有大的進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)間與CRT顯示屏相比，尺寸和顯示效果有了很大的提升，進(jìn)而獲得了一定份額的市場(chǎng)。但是和LCD相比，劣勢(shì)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。