什么是光电显示技术

显示技术应用范围非常广泛 ， 其中广播电视和计算机终端显示是重要的应用领域，近年来，通信技术的迅速发展，要求显示器向多功能和数字化方向发展，即具备电视、计算机、 可视电话等为一体的多媒体、 数字化等特点。

多媒体终端显示器在显示性能方向应具有大屏幕、高分辨率、高亮度、全色化等高性能。 另一方面信息技术多样化、实时化的特点，导致便携式终端显示技术成为引人注目的发展领域， 便携式终端显示器应具有重量轻，厚度薄、 能耗小、 工作电压等特性。

正因如此各种显示器件相继出现如： 阴极射线管 （CR显示液晶显示（ LCD）、等离子体显示板（ PDP）显示、电致光显示（ ELD）发光二极管（ L显示、有机发光二极管（OLED）显示、真空荧光管（VFD）显示，场发射显示（FED）

电子显示器件可分为主动发光型和非主动发光型两大类。前者是利用信息来调制各像素的发光亮度和颜色， 进行直接显示，后者本身不发光，而是利用信息调制外光源而使其达到显示目的。 显示器件的分类有各种方式， 屏幕大小、 显示内容形状 ；按显示材料可分固体（晶体和非晶体）、液体、气体、等离子体和液晶体显示器。但是最常见的是按显示原理分类，其主要有：阴极射线管（CRT）、显示液晶显示 （LCD）、等离子体显示板（PDP）显示、电致光显示 （ELD）发光二极管（LED）显示、有机发光二极管（ OLED）显示、真空荧光管（VFD）显示，场发射显示（FED）。

前七种都为主动发光显示，只有 LCD为非主动发光显示，其他还有但市场很小。在20 世纪，图像显示器件中，阴极射线管（CRT）占了绝对统治地位，如电视机显示器等绝大多数都采用 CRT。与此同时平板显示器也在迅速的发展，出现许多平板显示方案，如显示液晶显示（LCD）、等离子体显示板（PDP）显示、电致光显示（ELD）发光二极管（LED）显示、有机发光二极管（OLED）显示、真空荧光管（VFD）显示，场发射显示（FED）等。其中液晶显示器以其大幅度改善的质量、持续下降的价格、低辐射量等优势在中小屏幕显示中代替 CRT。而另一种适合大屏幕的显示器件――等离子显示器（PDP），也逐渐发展并且商品化。

本文将重点介绍当前应用最广泛，已经生产体系的 CRT、LCD、OLED等，并简述有发展潜力的 PDP、ELD、LED、OLED、VFD、FED等。

一、几种常见的显示器介绍

1、阴极射线管（ CRT ）

CRT 是一种使用阴极射线管（ Cathode Ray Tube ）的显示器，阴极射线管主要有五部分组成：电子q（ Electron Gun ），偏转线圈（ DeflecTIon coils ），荫罩（Shadow mask），荧光粉层 （Phosphor） 及玻璃外壳。它是应用最广泛的显示器之一， CRT纯平显示器具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、 响应时间极短等 LCD显示器难以超过的优点。 按照不同的标准， CRT显示器可划分为不同的类型。
 

 技术原理

CRT 显示终端主要由电子q （Electron gun）、偏转线圈 （DeflecTIon coils ）、荫罩（Shadow mask）、荧光粉层（ phosphor）和玻璃外壳五部分组成。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q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。

电子q（ Electron gun ）的工作原理是由灯丝加热阴极，阴极发射电子，然后在加速极电场的作用下，经聚焦极聚成很细的电子束，在阳极高压作用下，获得巨大的能量， 以极高的速度去轰击荧光粉层。 这些电子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。为此，电子q发射的电子束不是一束，而是三束，它们分别受计算机显卡 R、 G、 B 三个基色视频信号电压的控制， 去轰击各自的荧光粉单元。受到高速电子束的激发， 这些荧光粉单元分别发出强弱不同的红、 绿、蓝三种光。从而混合产生不同色彩的像素，大量的不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面，而不断变换的画面就成为可动的图像。很显然，像素越多，图像越清晰、细腻，也就更逼真。

偏转线圈（ DeflecTIon coils） 的作用就是帮助电子q发射的三支电子束，以非常非常快的速度对所有的像素进行扫描激发。 就可以使显像管内的电子束以一定的顺序， 周期性地轰击每个像素， 使每个像素都发光； 而且只要这个周期足够短，也就是说对某个像素而言电子束的轰击频率足够高， 我们就会看到一幅完整的图像。有了扫描，就可以形成画面。荫罩（Shadow mask）的作用是保证三支电子束在扫描的过程中，准确击中每一个像素。 荫罩是厚度约为 0.15mm的薄金属障板， 它上面有很多小孔或细槽，它们和同一组的荧光粉单元即像素相对应。 三支电子束经过小孔或细槽后只能击中同一像素中的对应荧光粉单元， 因此能够保证彩色的纯正和正确的会聚， 所以我们才可以看到清晰的图像。

最后，场扫描的速度来决定画面的连续感，场扫描越快，形成的单一图像越多，画面就越流畅。 而每秒钟可以进行多少次场扫描通常是衡量画面质量的标准，我们通常用帧频或场频（单位为 Hz，赫兹）来表示，帧频越大，图像越有连续感。

3 CRT 显示器的特点

CRT 技术展已有 100多年的历史，这种技术具有显示品质好、 性能稳定可靠、寻址方式简单、制造成本低、价格便宜等特点。近几年， CRT阴罩板、电子q、荧光粉等均有很大改进， 玻壳扁平化及增强机械强度等方面也有进步， 改善了亮度、分辨率、屏幕平面化等问题。随着微电子技术的发展和集成电路的广泛应用，促使信息产品向小型化、节能化、高密度化方向发展， CRT的不足也逐渐显现出来。由于 CRT是电真空器件，存在着体积大、较笨重、电压高、功耗大、辐射微量 X 射线等问题。虽然CRT的分辨率已达到高清晰度电视（ HDTV）的要求，但像素密度不高，一般仅为100dpi 左右，不能满足印刷字符 170dpi 以上的要求。

       2、液晶显示器（ LCD ）

LCD 具有低电压、微功耗、平板化等特点，与 CMOS集成电路匹配，用电池作为电源，适合应用于便携式显示。国际上 20 世纪 60 年代出现 LCD模式， 70年代形成 TN LCD产业，主要应用于电子手表、仪器仪表、计算器等显示器件。

80 年代中期开发生产了 STN LCD产品，主要应用于 BP机、移动电话、个人数码助理（ PDA）、笔记本电脑等。 TN LCD和 STN LCD信息容量有限，不能用于视频显示。人们又开发了 TFT LCD技术，这是一种将液晶显示技术与微电 ？ 术相结合的，显示功能很强的技术。在现代显示技术领域里， TFT LCD研究最活跃、论文最多、技术发展最快。
        自 90 年代初形成 TFT LCD产业以来，由第一代生产线发展到现在的第四代生产线， 基板玻璃尺寸接近 1m2，分辨率由 CGA（320×320），VGA（640×480），SVGA（800×600），XGA（1024×768），SXGA（1280×1024）发展到 UXGA（1600×1200）（括号里的数字表示像素数） ，像素密度超过 200dpi ，在 12in （英寸）屏幕上就能显示整版的报纸内容。

技术原理

液晶是这样一种有机化合物 ， 在常温条件下，呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性，因而称为“液晶” 。 在电场、磁场、温度、应力等外部条件的影响下，其分子容易发生再排列， 使液晶的各种光学性质随之发生变化，液晶这种各向异性及其分子排列易受外加电场、磁场的控制 。 正是利用这一液晶的物理基础 ， 即液晶的“电－光效应” ， 实现光被电信号调制， 从而制成液晶显示器件。 在不同电流电场作用下， 液晶分子会做规则旋转 90 度排列，产生透光度的差别，如此在电源 ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像 。

液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱， 阻止光线通过。 让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。 从技术 上 简 单 地 说 ， 液晶 面 板 包 含 了 两 片 相 当 精 致 的 无 钠玻 璃 素 材 ， 称 为Substrates ，中间夹著一层液晶。 当光束通过这层液晶时， 液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。 大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。 在自然状态下， 这些棒状分子的长轴大致平行。 将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面， 液晶分子会顺着槽排列， 所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。

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 显示器的特点

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 ） 。液晶在节能方面可谓优势明显， 其辐射指标普遍比 CRT要低一些，由于其原理问题不会出现任何的几何失真， 线性失真，这也是一大优点， 液晶显示器可视面积大， 较高精细的画质。 当然他也存在一些缺点：可视偏转角度过小， 容易产生影像拖尾现象， 液晶显示器的亮度和对比度不是很好，液晶“坏点”问题，寿命有限等。LCD产品制造涉及光学、半导体、电机、化工、材料等各项领域，上下游所需技术层面极广， 所以少有单一厂商能从材料到成品全部都做， 因此各领域分工明显，上游材料包括玻璃基板、 ITO 导电玻璃厂、偏光板、彩色滤光片、光源模块、液晶、半导体制造工序所需光罩，液晶驱动 IC、印刷电路板（ PCB）等；中游则集合各材料， 制造 LCD面板，提供给下游应用厂商使用， 由于下游应用产品众多，所需面板规格几乎都不相同， 需根据产品切割面板尺寸， 因此 LCD面板较没有规格产品；下游应用产品种类众多，从各式家电、消费性、信息、通信及工业产品，只要是需要显示的器具，都需使用 LCD产品。

3、发光二极管显示屏（ LED ）

LED 显示屏（ LED panel ），是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED的技术进步是扩大市场需求及应用的最大推动力。最初， LED只是作为微型指示灯，在计算机、音响和录像机 ［1］ 等高档设备中应用，随着大规模集成电路和计算机技术的不断进步， LED显示器正在迅速崛起，逐渐扩展到证券行情股票机、数码相机、 PDA以及手机领域。

 

 原理结构

通过发光二极管芯片的适当连接 （包括串联和并联） 和适当的光学结构。 可构成发光显示器的发光段或发光点。 由这些发光段或发光点可以组成数码管、 符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器， 而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。 其中技术较为成熟的是 TFT 技术。笔记本液晶屏常用的是 TFT。TFT 屏幕是薄膜晶体管 ， 英文全称（Thin Film Transistor）， 是有源矩阵类型液晶显示器 ， 在其背部设置特殊光管 ，可以主动对屏幕上的各个独立的像素进行控制 ， 这也是所谓的主动矩阵 TFT的来历， 这样可以大的提高反应时间 ， 约为 80毫秒， 而 STN的为 200毫秒！ 也改善了 STN闪烁（ 水波纹 ） 模糊的现象 ， 有效的提高了播放动态画面的能力 ， 和 STN相比，TFT有出色的色彩饱和度 ， 还原能力和更高的对比度 ， 太阳下依然看的非常清楚 ， 但是缺点是比较耗电 ， 而且成本也较高。 LED是由发光二极管组成的显示屏。 LED的分辨率一般较低，价格也比较昂贵，因为集成度更高。

特点及应用范围

LED 显示器集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体，以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、清晰度高、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击、色彩艳丽和工作稳定可靠等优点，成为最具优势的新一代显示媒体， LED显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的需要。

4、有机发光二极管显示屏（ OLED ）

OLED 显示技术具有自发光的特性， 采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且 OLED显示屏幕可视角度大，并且能够显著节省电能，从 2003 年开始这种显示设备在 MP3播放器上得到了广泛应用， OLED屏幕具备了许多 LED不可比拟的优势，因此它也一直被业内人士所看好。

以 OLED使用的有机发光材料来看，一是以染料及颜料为材料的小分子器件系统，另一则以共轭性高分子为材料的高分子器件系统。 同时由于有机电致发光器件具有发光二极管整流与发光的特性， 因此小分子有机电致发光器件亦被称为OLED（Organic Light EmitTIng Diode） ，高分子有机电致发光器件则被称为 PLED（Polymer Light-emitting Diode） 。小分子及高分子 OLED在材料特性上可说是各有千秋，但以现有技术发展来看，如作为监视器的信赖性上，及电气特性、生产安定性上来看， 小分子 OLED处于领先地位， 当前投入量产的 OLED组件，全是使用小分子有机发光材料。

结构及其工艺

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。 OLED的特性是自己发光，不像 TFT LCD需要背光，因此可视度和亮度均高， 其次是电压需求低且省电效率高， 加上反应快、重量轻、厚度薄，构造简单，成本低等，被视为 21 世纪最具前途的产品之一。

有机发光二极体的发光原理和无机发光二极体相似。当元件受到直流电（Direct Current ；DC）所衍生的顺向偏压时，外加之电压能量将驱动电子（Electron ）与空穴（Hole）分别由阴极与阳极注入元件， 当两者在传导中相遇、结合，即形成所谓的电子 - 空穴复合（ Electron-Hole Capture ）。而当化学分子受到外来能量激发後，若电子自旋（ Electron Spin ）和基态电子成对，则为单重态（ Singlet ），其所释放的光为所谓的荧光（ Fluorescence ）；反之，若激发态电子和基态电子自旋不成对且平行， 则称为三重态 （Triplet ），其所释放的光为所谓的磷光（ Phosphorescence）。当电子的状态位置由激态高能阶回到稳态低能阶时，其能量将分别以光子（Light Emission ）或热能（ Heat Dissipation ）的方式放出，其中光子的部分可被利用当做显示功能；然有机荧光材料在室温下并无法观测到三重态的磷光，故 PM-OLED元件发光效率之理论极限值仅 25%。

PM-OLED发光原理是利用材料能阶差，将释放出来的能量转换成光子，所以我们可以选择适当的材料当做发光层或是在发光层中掺杂染料以得到我们所需要的发光颜色。此外，一般电子与电洞的结合反应均在数十纳秒（ ns）内，故PM-OLED的应答速度非常快。
5：PM-OLED的典型结构。典型的 PM-OLED由玻璃基板、 ITO（indium tinoxide ；铟锡氧化物）阳极（ Anode）、有机发光层（ Emitting Material Layer ）与阴极（ Cathode）等所组成，其中，薄而透明的 ITO 阳极与金属阴极如同三明治般地将有机发光层包夹其中， 当电压注入阳极的空穴 （Hole）与阴极来的电子（Electron ）在有机发光层结合时，激发有机材料而发光。而发光效率较佳、普遍被使用的多层 PM-OLED结构，除玻璃基板、阴阳电极与有机发光层外，尚需制作空穴注入层（ Hole Inject Layer ；HIL）、空穴传输层（Hole Transport Layer ；HTL）、电子传输层（ Electron Transport Layer ；ETL）与电子注入层（ Electron Inject Layer ；EIL）等结构，且各传输层与电极之间需设置绝缘层，因此热蒸镀（ Evaporate ）加工难度相对提高，制作过程亦变得复杂。

由于有机材料及金属对氧气及水气相当敏感，制作完成後，需经过封装保护处理。 PM-OLED虽需由数层有机薄膜组成，然有机薄膜层厚度约仅 1，000 ～1，500A°（0.10～0.15 um），整个显示板 （Panel）在封装加干燥剂 （Desiccant ）後总厚度不及 200um（0.2mm），具轻薄之优势。以上为光电显示技术基本简介。