CRT、LCD,OLED三种显示器件的工作原理及特点分析

CRT、LCD、OLED三种显示器件的工作原理特点及其未来的应用领域和发展趋势B120302B12030225阿布都克尤木图尔洪摘要显示器应该是将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的一种显示工具。是完成电光转换并将各像素综合成为图像的作用最终把接受到的电视信号在荧光屏上重现出来。它的应用也非常广泛，大到卫星监测、小至看视频，可以说在现代社会里，它的身影无处不在，其结构一般为圆型底座加机身，随着彩显技术的不断发展，现在出现了一些其他形状的显示器，而且越来越明细，而且它们经历了从黑白到彩色，从球面到柱面再到平面直角，直至纯平的发展。在这段加速度前进的历程中，显示器的视觉效果在不断得到提高，色彩、分辨率、画质、带宽和刷新率等各项指标均有大幅度的提升。目前广泛应用的电视显示器主要分以下几种：CRT（阴极射线管）显示器、LCD（液晶）显示器、OLED（发光二极管面光源）显示器等新型的平板显示器。正文LCD（液晶显示器）的类型LCD是一种靠液晶态物质的液晶分子排列状态在电场中改变而调制外界光的平板显示器。根据目前实际产业化现状，LCD主要可划分为TN（扭曲向列型）、STN（超扭曲向列型）、a-SiTFT非晶硅薄膜晶体管型）、LTPSTFT（低温多晶硅薄膜晶体管型）、TFD（薄膜二极管型）等。LCD的特点是非主动发光、高清晰、省电、低压驱动、高亮度,但响应时间和宽视角仍在进一步完善之中。它的适用尺寸主要有：33mm〜38mm（笔记本电脑）、38mm〜46mm（桌面显示器）、53mm〜107mm（电视机）、3.3mm〜5.6mm（手机）等。CRT分类（1）.根据调控方式不同可分为：模拟调节、数字调节和OSD调节模拟调节是在显示器外部设置一排调节按钮，手动调节亮度、对比度等一些技术参数。由于模拟器件较多，故障的几率较大，而且可调节的内容极少，所以目前已销声匿迹。数字调节是在显示器内部加入专用微处理器，操作更精确，能够记忆显示模式，而且其使用的多是微触式按钮，寿命长，故障率低。OSD调节严格说算是数控方式的一种，能以量化的方式将调节直观地反映到屏幕上。（2）.按显像管种类的不同可分为：球面显像管、柱面显像管和纯平显像管球面管的缺陷非常明显，在水平和垂直方向上都是弯曲的，边角失真现象严重，随着观察角度的改变，图像会发生倾斜，而且容易引起光线的反射，会降低对比度，对人眼的刺激较大。柱面显像管采用栅式荫罩板，在垂直方向上不存在任何弯曲，在水平方向上略有弧度。目前常见的柱面管可分为单枪三束和三枪三束管。纯平显像管是CRT彩显的发展方向，纯平显像管在水平和垂直方向上均实现了真正的平面，失真、反光都被减到了最低限，使观看时的聚焦范围增大。第二章LCD/PDP/OLED的用途（CRT基本淘汰不在论述）LCD/PDP/OLED的主要用途和市场份额可见表1。明显看出LCD用途最广，除了表中提到的商品外,LCD还可用于手表、挂钟、计数器、电子辞典、电饭堡、微波炉、血压计、体温计、遥控器、DVD等。和LCD相比，PDP和OLED的用途现在还有相当的限制。PDP由于具有视频功能和大屏幕特点,近年来开始大量出现在公共场所,比如机场、车站、教室、会议室、了望台等。OLED的用途目前主要限定在手机（主要是副屏）、车载、数码相机、小型游戏机等领域。3LCD/OLED、CRT的基本原材料和显示原理LCD/PDP/OLED基本原材料和显示原理的相互比较见表2和表3。上述三种显示器的共性是衬底基板都使用玻璃。简单矩阵（TN、STN）的LCD—般用纳钙玻璃，有源矩阵（如TFT）的LCD用无碱玻璃。OLED与LCD有些相似，无源驱动OLED用纳钙玻璃，有源驱动OLED用无碱玻璃。PDP由于制作工艺温度一般比简单矩阵LCD要高，所以根据工艺要求，可选用热稳定性好、变形点高的纳钙玻璃或高应变点玻璃。对LCD来讲2面贴偏光板是必不可少的。但PDP是不用偏光板的。OLED仅在显示屏表面一侧的玻璃基板上贴1张偏光板，其功能是防止反射和调整对比度。在电极材料方面，LCD/PDP/OLEI相同的是都使用到ITO（氧化铟锡）透明导电膜。由于LCD非主动发光，光源调制依靠背光源，因此上下二片基板的电极都使用ITO。PDP和OLED因是主动发光，没有背光源，因此上侧基板需使用ITO,下侧基板则没有必要使用透明导电膜而可以使用其它导电材料。背光源只有LCD才用。彩色滤光片虽有极少部分PDP或OLED也用到，但基本属LCD专用。CRT显示器：第三章结构图与显示原理3.1、CRT结构图2CRT的工作原理CRT(阴极射线管)显示器的核心部件是CRT显像管，其工作原理和我们家中电视机的显像管基本一样,我们可以把它看作是一个图像更加精细的电视机oCRT显示终端主要由电子枪(Electrongun)、偏转线圈(Deflectioncoils)、荫罩(Shadowmask)、荧光粉层(phosphor)和玻璃外壳五部分组成。经典的CRT显像管使用电子枪发射高速电子，经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光，通过电压来调节电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点形成各种图案和文字。简单的理解，CRT显示终端的工作原理就是当显像管内部的电子枪阴极发出的电子束，经强度控制、聚焦和加速后变成细小的电子流，再经过偏转线圈的作用向正确目标偏离，穿越荫罩的小孔或栅栏，轰击到荧光屏上的荧光粉。这时荧光粉被启动，就发出光线来。R、G、B三色荧光点被按不同比例强度的电子流点亮，就会产生各种色彩。LCD显示器：3.2LCD工作原理对于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器需要采用的更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但也同时带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示(每个单元就是一个像素)。CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精确聚集，否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都是单独开关的。这正是

同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在40〜60Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。不过，LCD屏的液晶单元会很容易出现瑕疵。对1024X768的屏幕来说，每个像素都由三个单元构成，分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元（1024X768X3=2359296）。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的是，其中一部分已经短路（出现“亮点”），或者断路（出现“黑点”）。所以说，并不是如此高昂的显示产品并不会出现瑕疵。PDP显示器:1、结构图MgO可见光可见光匕丨1前屏丨丨/MgO可见光可见光匕丨1前屏丨丨/气体放电空间介质层VUV荧光粉MgO4.2PDP的工作原理等离子显示器（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。大量的等离子管排列在一起构成整个全屏幕。每个等离子管作为一个像素，每个像素由三种不同颜色的发光体组成 红、绿、蓝。由这些像素的明暗和颜色组合变化产生各种灰度和色彩的图像，这与CRT的原理很相似。等离子管的中心元件就是等离子体，它是由自由流动的离子（带电的原子）和电子（带负电的粒子）组成的气体。在通常情况下，气体主要由不带电的粒子组成，也就是说，一个单独的气体分子包括了相同数量的质子（原子核里带正电荷的粒子）和电子，带负电荷的电子和带正电荷的质子保持着完美的平衡，所以原子的净电荷为零。如果利用加大电压的方法把一些电子放入到气体内，那么它就会立刻产生变化，自由的电子与原子相撞，并使原子内部的电子数目失衡，这就会使其带正电荷，并产生了离子。在稳定等离子体中如果有电流穿行其中，那么带负电的粒子就会冲向那些带正电粒子的区域，而带正电的粒子也会杀向那些带负电粒子的区域。在这样的运动中，双方的粒子不断地进行着撞击。这些撞击激发了等离子体中的气体原子，促使它们发出了光。这个工作原理很类似于普通日光灯。等离子显示屏上每个等离子对应的小室内都充有氖、氙原子，当它们被撞击时便发出了光。一般来讲，这些原子发出的光只是紫外线光，而紫外线光人眼是无法辨别的。但正是这些紫外线光，才激发了荧光粉，才产生了我们可见的光线。OLED显示器：1、结构图OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO),与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。整个结构层中包括了：空穴传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合,产生光亮,依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色，构成基本色彩。第四章LCD/OLED/CRT优缺点3、CRT优缺点：优点:高对比度、高响应速度、大尺寸、使用寿命长、色域宽、颜色响应准确，非常适合出版、绘图等应用。缺点：体积大、重量大、某些CRT存在几何畸变现象、功耗较大、运作时会释出少量X射线，有辐射。长时间使用令人眼部不适，容易造成近视、含有铅,丢弃后会严重污染环境、易受外来磁场干扰而出现色斑、假如长时间显示同一画面，该画面会永久以残影形式留在画面。2、LCD优缺点:优点：LCD与CRT相比拟有工作电压低、功耗小，用电比传统CRT显示器的耗电量少70%，散热小、没有丝毫辐射、对人体健康无损害、完全平面、能精确还原图像、无失真、可视面积大、款式新颖多样、能大量节省空间、抗干扰能力强、显示字符锐利、画面稳定不闪烁、屏幕调节方便。缺点：显示色域不够宽，颜色重现不够逼真、早期产品可视角度不够广响应速度偏低，玩游戏或播放影片时或出现残影、假如长时间显示同一画面，该画面会永久以残影形式留在画面。长时间使用可能会产生了亮点、暗点、坏点、长时间使用寿命不及CRTPDP优缺点超大屏幕：传统电视的屏幕最大尺寸只能做到40英寸，而PDP屏幕可以做到80英寸以上；超宽视角：PDP的视角超过160度，因此可以容纳更多人同时观看；纯平面无失真：PDP完全是纯平面显示，且各个发光单元的结构都相同，因此不会出现显像管电视常见的梯形失真、线性失真和枕形失真等几何失真现象；不受电磁干扰：由于PDP本身没有电磁结构，因此不会受电磁的干扰，喇叭、高压电、甚至磁场都不会对其产生任何干扰，这样就能够获得更稳定的画质；亮度均匀：传统CRT电视有热晕问题（画面正中与四角的亮度不均匀），而PDP的各像素都可独立发光，且非常均匀，没有亮区和暗区，不存在热晕问题；绿色环保：PDP是通过等离子体放电（不是通过扫描）形成图像的，因此画面无大面积闪烁（还无电磁辐射），人们长时间观看不会受到伤害，属绿色环保产品；图像清晰、彩色鲜艳：PDP有较高的亮度（显示的画面更清晰、鲜艳）和对比度（图像就会越清晰）全数码显示：支持数码视频接口（DVI）,无需数模转换即可显示数字图像信号，这样可以减少转换带来的失真经久耐用：世界各等离子显示屏厂家均以10万小时使用寿命为目标开发显示屏，通常估计，其实际寿命约在6万小时左右，按每天观看6小时计算，PDP的使用寿命在30年以上。4.OLED的优点是：第一，OLED可以自身发光，而LCD则不能。所以OLED比LCD要亮得多，另外OLED对比度更大，色彩效果更加丰富；第二，LCD需要背景灯光点亮，而OLED在需要点亮的单元才加电，并且电压很低，因此更加节能；第三，OLED所需材料很少，制造工艺简单，量产时的成本要比LCD节省20%；第四，OLED没有视角范围的限制，可视角度一般可达到160度，重量也比LCD轻得多。同时OLED还可弯曲，应用范围极广技术优势目前，LCD是小型设备显示器的首选，而大屏幕电视采用LCD的情况也很普遍。常规LED可以用来构成电子表和其他电子设备上的数字。OLED则具备很多LCD与LED所不具备的优势：相较于LED或LCD的晶体层，OLED的有机塑料层更薄、更轻而且更富于柔韧性。OLED的发光层比较轻，因此它的基层可使用富于柔韧性的材料，而不会使用刚性材料。OLED基层为塑料材质，而LED和LCD则使用玻璃基层。OLED比LED更亮。OLED有机层要比LED中与之对应的无机晶体层薄很多，因而OLED的导电层和发射层可以采用多层结构。此外，LED和LCD需要用玻璃作为支撑物，而玻璃会吸收一部分光线。OLED则无需使用玻璃。OLED并不需要采用LCD中的逆光系统，LCD工作时会选择性地阻挡某些逆光区域，从而让图像显现出来，而OLED则是靠自身发光。因为OLED不需逆光系统,所以它们的耗电量小于LCD（LCD所耗电量中的大部分用于逆光系统）。这一点对于靠电池供电的设备（例如移动电话）来说，尤其重要。OLED制造起来更加容易，还可制成较大的尺寸。OLED为塑胶材质，因此可以将其制作成大面积薄片状。而想要使用如此之多的晶体并把它们铺平，则要困难得多。OLED的视野范围很广，可达170度左右。而LCD工作时要阻挡光线，因而在某些角度上存在天然的观测障碍。OLED自身能够发光，所以视域范围也要宽很多。缺点：OLED似乎是一项完美无缺的技术，适合各类的显示器，但它也存在一些问题：寿命：尽管红色和绿色的OLED薄膜寿命较长(10000-40000小时)，但根据目前的技术水准，蓝色有机物的寿命要短的多(仅有约1000小时)。制造：OLED的造价目前还比较高。水：OLED如果遇水，很容易就会损毁。4LCD/PDP/OLED的主要生产厂商1LCD的主要生产厂商由于LCD的生产厂商比较多，限于篇限所限，这里仅将TFT-LCD的主要生产厂商罗列如下。第1代，玻璃基板尺寸约为300mmX400mm的厂商主要有：日本的NEC、卡西欧、夏普、三洋、松下，韩国的三星，中国台湾省的联友光电，中国大陆的吉林彩晶。第2代，玻璃基板尺寸约为370mmX470mm的厂商主要有：日本的NEC、精工爱普逊、夏普、松下、日立韩国的LG飞利浦、现代、三星中国台湾省的元太科技第2.5代，玻璃基板尺寸约为400mmX500mm的厂商主要有：日本的ADI、飞利浦神户、夏普、东芝、富士通、精工爱普逊等。第3代，玻璃基板尺寸约为550mmX650mm的厂商主要有：日本的夏普、NEC、鸟取三洋、松下、东芝，韩国的三星、现代、LG飞利浦，中国台湾省的瀚宇彩晶、中华映管等。第3.5代，玻璃基板尺寸约为600mmX720mm的厂商主要有：日本的STLCD、日立，韩国的现代、三星，中国台湾省的广辉电子、联友光电、奇美电子、达基科技等。第3.7代，玻璃基板尺寸约为680mmX880mm的厂商主要有：日本的NEC、夏普、三洋、鸟取三洋、日立韩国的LG飞利浦、三星，中国台湾省的达基科技、元太科技、奇美电子、中华映管等。第4代，玻璃基板尺寸约为730mmX920mm的厂商主要有：日本的日立，韩国的三星，新加坡的AFPD。(8)第5代，玻璃基板尺寸约为1100mmXI300mm的厂商主要有:韩国的三星、LG飞利浦，中国台湾省的友达光电、中华映管、奇美电子、广辉电子、瀚宇彩晶，中国大陆上广电、京东方等。(9)第6代，玻璃基板尺寸约为1500mmX1800mm的厂商有：日本夏普、韩国LG飞利浦、中国台湾友达光电、中华映管、瀚宇彩晶、广辉等。2PDP的主要生产厂商日本，有富士通日立(FHP)、先锋、松下。⑵韩国，有LG电子和三星SDI、UPD等。中国台湾省，有台塑光电(从FHP引进)、中华映管、友达光电等。中国大陆，有上海松下和彩虹集团。3OLED的主要生产厂商日本,有东北先锋、TDK、SKDisplay、索尼、东芝松下等。韩国，有LG、三星、SNMD、NESS等。中国台湾省，有铼宝科技、东元激光、光磊科技、悠景等。中国大陆，有维信诺、汕尾信利等。5LCD/PDP/OLED发展的市场热点当前，LCD/PDP/OLED发展的三大市场热点分别是:在中小尺寸面板领域,非晶硅（a-Si）TFT-LCD向多晶硅（p-Si）TFT-LCD方向发展;在手机和数码相机领域，LCD和OLED逐渐形成竞争关系；在大尺寸面板/平板电视领域，LCD-TV和PDP-TV已在争夺市场份额。1在中小尺寸面板领域，非晶硅TFT-LCD向多晶硅TFT-LCD方向发展目前我们一般所讲的TFT-LCD从严格意义上讲应该称为a-SiTFT-LCD,它的电子迁移速度约为0.5cm2/VaIcm2/Vs,从表4我们可以看出，LTPS比a-SiTFT的电子迁移速度高出约100倍,HTPS更高达500倍。电子迁移速度越快，设计线宽就可以更细，像素面积也可以做得更小，从而大大提高开口率、显示清晰度和亮度。不仅如此,多晶硅TFT还可以直接将集成电路芯片连接在玻璃基片上（即COG方式），使显示器更轻更薄、经久耐用。因此LTPS的市场前景相当良好。HTPS由于需采用石英玻璃成本较高，仅限于投影机用。现在，LTPS和HTPS技术都掌握在日本手中，有资料显示，日本近年已经投资了相当数量的LTPSTFT-LCD生产线，主要是在原有的3代线基础上改建完成的。LTPS作为一种高附加值技术，其产品性能优异、利润较高。它为日本LCD产业的升级换代和扭亏增盈都作出了贡献。2在手机、数码相机等领域，LCD和OLED今后将逐渐形成竞争关系OLED作为新一代显示器件，目前许多国家包括中国都在投资研发。它和LCD相比，宽视角化和响应速度快是两大特点。制作工序也比LCD减少三分之二。问题是主要在发光材料的寿命，见表5。一般估计随着发光材料的不断改进，到2007年以后，在手机、数码相机、车载领域,LCD和OLED将逐渐形成竞争关系。下面我们列出OLED的技术特点和今后研发课题。（1）OLED的技术特点：（a）发光亮度和发光效率高、功耗低；（b）驱动电路比较简单；（c）全固化体、可靠性高；（d）主动发光、宽视角化；（e）响应速度快；（f）材料选择范围宽、发光颜色丰富、可实现彩色显示；（g）超薄、质量轻、工艺简单；（h）可制作在柔软衬底上，器件可弯曲。（2）OLED的今后研发课题：（a）可直接将IC连接在显示器件上，即COG安装方式；（b）要确立工艺简单可靠的彩色显示方案；（c）要提高OLED的成品率、稳定性和寿命；（d）需扩大基板尺寸，提高生产效率；（e）要基本确立OLED的标准生产工艺和量产技术；（f）设备、材料要有较大的批量生产以降低成本。3在平板电视领域,LCD-TV和PDP-TV正在争夺市场份额平板电视目前正如日中天,全球去年销量达到了1260万台，其中中国约40万台。今年中国的销量比去年更好,仅在上半年就销售约70万台,在上海、北京等地，平板电视销售额已经超过了CRT电视。伴随着平板电视销售的全面走高，LCD-TV和PDP-TV之间的市场争夺也成为人们注目的焦点。目前的市场份额大致为LCD-TV占三分之二、PDP-TV占三分之一。那么，液晶电视和等离子电视到底谁更有未来的市场前景呢？我们可以通过表6来进行比较。表6液晶电视和等离子电视的比较比较项冃LCD-IVrop-w活动图像浪小及视角尚可对比度頂度、分辨率、耗电.轻薄程度好尚可寿命60OOt)h以上20000h〜30000h从表6的比较项目可以看出，液晶电视在总体上略胜于等离子电视，但从活动图像显示及视角方面来看，等离子电视占优。考虑到平板电视的最大用途在于家电,因此，53m叶107mm的应该是最有市场前景的，而在这一尺寸领域LCD-TV显然比PDP-TV更有优势。PDP-TV是利用气体放电而发光的平板电视，所以比较耗电，寿命相对短暂。目前国际上基本把PDP的亮度使用一定年限后降到出厂标准的50%以下来作为寿命时间的判断标准。尽管如此，PDP-TV在101mm〜152mm大尺寸领域，目前仍有量产优势，其出厂时的画质也仍比LCD-TV要好。鉴此,LCD-TV和PDP-TV孰优孰劣的论争当前实际上并没有很大意义，作为都已经技术成熟的平板电视，二者的性价比才是最关键的决定因素。以上,我们就LCD/OLED的类型、用途、