显示技术概述

《半导体光电子学》课程论文题目:显示技术概述专业:光电信息科学与工程指导老师:周明斌二〇一七年六月目录显示技术概述 显示技术概述摘要:随着人们对显示器的色彩追求和显示实用性的追求,近二十年前基于等离子技术和液晶技术的平板显示器问世,显示器市场发生了翻天覆地的变化。本文主要回顾显示技术发展历史（CRT、LCD.PDP、FED.LED.OLED.激光显示、量子点显示）,比较各自相关技术特点及优缺点,并指出未来可能的技术发展方向。关键词:显示技术、激光显示、量子点技术、OLED。Abstract:Withthepursuitofcolorpursuitanddisplayofdisplay,almosttwentyyearsago,basedonplasmatechnologyandLCDtechnologyflatpaneldisplaycameout,thedisplaymarkethasundergoneenormouschanges.Thispaperreviewsthedevelopmentofdisplaytechnology(CRT,LCD,HistoryofPDP,FED,LED,OLED,laserdisplay,quantumdotdisplay),comparingtheirrespectivetechnicalcharacteristicsandadvantagesanddisadvantages,andpointsoutthepossiblefuturedirectionoftechnologydevelopment.Keywords:displaytechnology,laserdisplay,quantumdottechnology,OLED.引言随着人们对显示器的色彩追求和显示实用性的追求,近二十年前基于等离子技术和液晶技术的平板显示器问世,显示器市场发生了翻天覆地的变化。显示器件主要包括阴极射线管（CRT）、液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、有机发光二极管(OLED)、场致发射显示器(FED)、发光二极管(LED)等。无论什么显示技术,都有一个被认知的过程,只有获得认知才能进一步发展,也只有发展了才能进一步得到认知,这是一个辨证的关系。显示技术发展历史概述2.1CRT阴极射线管1897,诺贝尔奖获得者、著名物理学家和发明家KarlFerdinandBraun（卡尔·布劳恩）创造了第一个CRT（CathodeRayTube,阴极射线管）。其工作原理是: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。但是,此时的CRT大部分还是用来验证粒子、电子等现象的设备,似乎同显示毫无关系。图2-1布劳恩设计的阴极射线管直到1925年,约翰·洛吉·贝尔德（JohnLogieBaird）在伦敦的一次实验中使用CRT器材“扫描”出木偶的图象成为一个转折点,其被称为电视诞生的标志,而同一时间斯福罗金（VladimirZworykin）也创造了自己的电视系统,但是这两个人实现图像传输的模式有些不同,但都是由CRT设备实现的。其中对未来影响最大的就是斯福罗金的“电视”系统了,这种全电子模式也是未来电视发展的一个起点。随后的几年,电视设备开始进入大发展阶段,并且电视也开始逐渐普及,这其中最有标志性意义的事件就是1936年的柏林夏季奥运会,这是人类历史上第一次实现电视转播,当时大约有16万柏林人通过电视直播观看比赛,而非原来一样必须进入体育场才能观看比赛。图2-2第一台彩色电视机RCACT-100此后,业界开始大力研制彩色显像管。1954年,第一台民用支持NTSC标准的彩色电视机RCACT-100诞生,这也是彩色电视机普及的开端。随后全世界各国都在开发和生产电视,电视产业成为一个新兴的产业蓬勃兴旺的发展着。2.2LCD液晶显示液晶显示技术是目前应用最广泛的一种技术,其技术的基础是液态晶体（LiquidCrystal）。液晶按形态分类有向列型、层列型和胆固醇型三中,其中向列型液晶的介电特性使得它成为液晶显示技术的核心。以TN（TwistedNematic）型液晶面板为例,其基本构造是在两个透明电极间加入液晶分子,两侧电极的内端有以聚酰亚胺制成的配向膜,其作用是使两侧的液晶分子顺着配向膜的凹槽方向排列,两侧的配向膜凹槽呈垂直排列,使得液晶层内的液晶分子逐渐转向形成螺旋状排列；电极两侧外端则有透光轴夹角为90°两片线偏振片。当光从一端入射进液晶面板时,首先通过第一片偏振片起偏,然后在螺旋状液晶分子的作用下逐渐改变偏振方向,最终旋转90°,于是可以从第二片偏振片射出。当在两电极间加上电压时,液晶分子会从平行于面板的水平螺旋排列转换为垂直于面板排列,此时射入的线偏振光方向不发生改变,从而无法从第二片偏振片射出。通过这种方法可以控制单个像素单元的通光与否,从而实现点阵显示。图2-3液晶器件显示原理图根据液晶分子的排布方式可以将液晶面板分为TN（TwistedNematic）、VA（VerticalAlignment）、IPS（In-PlaneSwitching）三种,TN液晶分子在垂直-平行状态间切换,VA将之改良为垂直-双向倾斜的切换方式,IPS技术与上述技术最大的差异就在于,不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行,只是在加电常规状态下分子的旋转方向有所不同。液晶技术主要运用了液晶分子的偏振片性质,光经过物质时,折射率与光偏振方向有关。在大部分向列型液晶中,光偏振方向与分子长轴方向相同时折射率（n∥）较大；光偏振方向与分子长轴方向垂直时折射率（n⊥）较小,于是线偏振光偏振光经过垂直于其入射方向排列的液晶分子层后其偏振方向会改变。2.3PDP等离子显示等离子显示器采用等离子管作为发光元器件,大量的等离子管排列在一起构成屏幕,每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体。在等离子管电极间加上高压后,封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光激发平板显示屏上的红、绿、蓝三原色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素,由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和彩色的图像,与显像管发光很相似。从工作原理上讲,等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差别,在结构和组成方面领先一步,其工作原理类似普通日光灯和电视彩色图像。图2-4等离子体显示器件显示原理图2.4FED场发射显示场发射显示器（FieldEmissionDisplay,FED）发光原理为:在发射与接收电极中间的真空带中导入高电压以产生电场,电子通过隧道效应穿过势垒发射到真空中撞击接收电极下的萤光粉,而产生发光效应。其发光原理与CRT类似,都是在真空中让电子撞击萤光粉发光,不同之处在CRT由单一的电子枪发射电子束,透过偏向轨来控制电子束发射扫瞄的方向,而FED显示器拥有数十万个主动冷发射子,因此在构造上FED可以达到比CRT节省空间的效果。其次在于电压部分,CRT大约需要15~30KV左右的工作电压,而FED的阴极电压约小于1KV。图2-5典型场致发射显示结构原理图虽然FED被视为可取代CRT的技术,不过在发展初期却无法与CRT的成本相比,主要原因是场发射元件的问题。最早被提出的Spindt形式微尺寸阵列虽然是首度实现发射显示的技术,但它的阵列特性却限制显示的尺寸,主要原因是它的结构是在每个阵列单元上包含一个圆孔,圆孔内含一个金属锥,在制作过程中微影与蒸镀技术均会限制尺寸的大小。解决之道是采用取代Spindt场发射元件的技术。1991年NEC发表一篇有关碳纳米管的文章后,研究人员发现以纳米结构合成的石墨,或是碳纳米管作为场发射元件能够得到更好的场发射效率,因此碳纳米管合成技术成为FED研发的新方向。2.5LED显示在CRT时代,英国无线电研究员HenryJosephRound率先发现电场发光,奠定了之后LED技术发展的基础。随后的1961年,德州仪器的RobertBiard和GaryPittman为红外线LED（首个发光二极管）申请了专利。然而,该产品是人眼不可见的。1962年,NickHolonyack发明了首个人眼可见的LED灯,并被称为“LED之父”。LED与LCD相比,在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面,都更具优势,可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器。目前已经取代LCD的位置,成为市场上的主流。2.6OLED电致发光显示电致发光（Electro-luminescent,EL）是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象,在消费品生产中有时被称为冷光。电致发光物料的例子包括掺杂了铜和银的硫化锌和蓝色钻石。目前电致发光的研究方向主要为有机电致发光显示技术（OrganicElectro-luminescentDisplay,OELD）。图2-6OLED显示器结构图20世纪50年代人们就开始用有机材料制作电致发光器件的探索,A.Bernanose等人在蒽单晶片的两侧加上400V的直流电压观测到发光现象,单晶厚10mm～20mm,所以驱动电压较高。1963年M.Pope等人也获得了蒽单晶的电致发光。70年代宾夕法尼亚大学的Heeger探索了合成金属。1987年Kodak公司的邓青云首次研制出具有实用价值的低驱动电压（<10V,>1000cd/m2）OLED器件。1990年,Burroughes及其合作者研究成功第一个高分子EL（PLED）,更为有机电致发光显示器件实用化进一步奠定了基础。1997年单色有机电致发光显示器件首先在日本产品化,1999年日本先锋公司率先推出了为汽车音视通信设备而设计的多彩有机电致发光显示器面板,并开始产,同年9月,使用了先锋公司多色有机电致发光显示器件的摩托罗拉手机大批量上市。目前ELD显示设备的主要元件是有机发光二极管（OrganicLightEmittingDiode,OLED）,因为其发光原理与发光二极管相似。图2-7曲面屏幕的诞生OLED是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。其典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层,发光层上方有一层低功函数的金属电极。当电极上加有电压时,发光层就产生光辐射。其发光机理是由正极和负极产生的空穴和电子在发光材料中复合成激子,激子的能量转移到发光分子,使发光分子中的电子被激发到激发态,其去激过程产生可见光。为增强电子和空穴的注入和传输能力,通常又在ITO和发光层间增加一层有机空穴传输材料或/和在发光层与金属电极之间增加一层电子传输层,以提高发光效率。2.7激光显示激光显示技术是继黑白显示、标准彩色显示和数字显示后的下一代显示技术,是显示技术的一场革命。激光显示以激光为光源,充分利用了激光波长可选择和高光谱亮度的特点,因此显示图像具有更大的色域,其色域覆盖率可达荧光粉的2倍以上,可达到人眼所能识别色彩空间的90%以上,而且具有很高的色饱和度。激光电视利用半导体泵浦固态激光工作物质,产生红、绿、蓝3种波长的连续激光作为彩色激光电视的光源,通过电视信号控制三基色激光扫描图像。图2-8中科院激光显示样机激光显示系统由激光器、调制器、光偏转器和屏幕等组成。系统接收到视频信号后,从信号中分离出红、绿、蓝三色图像信号和帧同步信号。经过处理,三色信号控制三色半导体激光二极管行阵列,使之发出相应强度的光,经合色器调制输出,在帧同步信号的控制下,通过光偏转器,实现光束扫描,射到接收屏上,形成图像。红、绿、蓝激光器是彩色显示的三原色光源,与荧光光源相比,光束质量和效率更高,没有荧光光源产生的绿影和白炽光源产生的黄影,可实现三原色的平衡。激光显示的产业链很广,包括半导体、人工晶体、光学冷加工、图像引擎、数字信号处理、整机集成技术等方面。具体说来,化合物半导体及封装、激光泵浦源、人工晶体、激光器等产业链构成了激光产业,也就是激光显示的上游产业。应用于显示领域的激光器和激光光源整合处理技术以及光学引擎技术、光机制造,为激光显示的中游,是把激光产业与显示产业联合起来的关键环节。显示终端的制造企业,比如投影机和电视等为下游产业。2.8量子点技术显示虽然以上显示技术拥有众多优点,但也并非完美无缺。一个非常关键的短板就是其色域范围低,也就是所能呈现的色彩范围非常有限,普通LCD显示屏的色域一般只有72%NTSC水平。这在如今要求日益提升的科研和生活领域来说显然是不够的。为了解决这一问题,量子点技术应运而生。量子点(QuantumDots)是一种人造的半导体纳米材料,每当受到光的刺激,量子点便会发出非常纯净的有色光线,使用量子点材料的背光源是目前色彩最纯净的背光源。量子点作为一种具有独特光特性的全新纳米材料,可精确高效地将高能量蓝光转换为红色和绿色光,量子点可以在LCD显示屏的LED背光上形成一层薄膜,用蓝色LED照射就能发出全光谱的光,通过对背光进行精细调节,可以大幅提升色域表现,让色彩更加鲜明。图2-9量子点电视量子点显示技术在色域覆盖率、色彩控制精确性、红绿蓝色彩纯净度等各个维度已全面升级,被视为全球显示技术的制高点,也被视为影响全球的显示技术革命。相比传统LCD显示器,量子点显示屏的色域可以达到110%。除了更广的显示色域外,量子点显示屏的成本也相对低廉,因为其本质上依然属于LCD显示屏范畴。显示屏生产厂商无需大规模改变生产原料和工艺,只需在原有的LED背光源上下功夫即可。量子点技术的优异特性使其很快便受到许多显示设备厂商的亲睐,包括三星、夏普、索尼、LG、TCL、海信、华硕以及亚马逊等电视和智能设备厂商均推出了搭载量子点技术的设备。调研机构Displaybank预估,量子点显示产品产值,可望从2013年的千万美元成长至2020年的2亿美元;量子点技术产品出货量,有望从2013年的50万台扩充至2023年的8700万台。虽然量子点显示技术的应用前景非常被看好,但是这项技术同样存在着一个很大的问题,那就是安全性。今天的量子点通常由两种化合物制成：硒化镉和磷化铟。美国癌症学会和3家联邦政府机构的调查显示,磷化铟具有高致癌性,白鼠实验表明它会引发“相当高”的肺癌发病率。而镉作为一种高熔点无挥发的金属,常温下性能稳定。显示技术未来发展方向每当我们谈到未来的显示技术时,总是有人认为这些技术都太过于炫目科幻,很难实现,仅仅是存在电影里的场景。虽然这些未来的显示技术现在来看还有些遥不可及,但事实上其中的很多技术已经开始了探索的脚步,虽然目前的进度还很缓慢。下面就一些新技术做简单介绍。3.14K超高清超高清技术,近年来一直是影视行业的关注热点,它通过提高图像空间分辨率来提升影视图像质量,包括“4K分辨率(3840×2160像素)”和“8K分辨率(7680×4320像素)”,是影视技术发展的重要趋势,我们经常提到的4K分辨率电视即为超高清电视。简单点说,4K实际上就是影像的分辨率,比原来2K提高了四倍。然而我们所说的4096×2160是单从分辨率指标的提高,还不足以能代表整个画面影像的高水准。4K影像的高质量是有几个重要的指标组成的,分辨率是其中很重要的一个指标,除此之外,像色域空间,像宽容度、感光度等指标也代表着4K的综合表现力。可以说它是一个画面从技术层面上真正高质量的提升。索尼作为视听行业的先驱,由其打造的4K产业链目前已经趋于完善,4K的普及即将成为不争的事实。同时,4K超高清分辨率的普及,也极大地促使了电视行业向着更大化的趋势发展。3.2裸眼3D但对于大部分普通用户来说,真正接触到3D显示技术还是得益于电影《阿凡达》的上映。这部历时14年,耗资5亿美元打造的电影,用最新的3D技术为观众打造了一个梦幻般的虚拟仙境。从这部电影开始,越来越多的普通人开始关注喜欢3D电影,开始关注3D技术。目前大部分3D放映技术主要包括主动立体和被动立体两种,不过这两种都需要靠佩戴眼镜来达到3D效果,但是长时间佩戴眼镜会产生不舒服的感觉,所以裸眼3D将会是未来最佳观影体验的热点技术。裸眼3D可以专业地划分为光屏障式柱状透镜技术和指向光源,裸眼3D优势很多,其中最大的优势就是不再受眼镜的束缚,只是当前技术尚有欠缺,其最大的缺点就是使用者不能距离屏幕过远,甚至角度也有严格要求,否则3D效果就会大打折扣。不过,通过多年的研究和努力,裸眼3D技术的弊端大部分被彻底解决了,真正的普及化指日可待。3.3虚拟现实（VR）和增强现实（AR）伴随着3D技术的快速发展,虚拟现实(VR,VirtualReality)和增强现实（AR,AugmentedReality）也逐渐走进人们的生活。尤其在近两年的CES大展上,我们看到许多厂商都已经推出了相应的设备。虚拟现实(VR,VirtualReality)通过多种传感设备,用户可根据自身的感觉,使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件,同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知,并使参与者“沉浸”于模拟环境中。虽然,目前大部分虚拟现实设备是增加游戏的现实感而设计,但我们需要注意是,它在电影业的影响力将远远大于游戏行业,而最终虚拟现实会颠覆整个影视行业。增强现实（AR）是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术,也被称之为混合现实。它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味