光电显示技术

第四节　光电显示技术

一、光电显示器件的种类与性能

1．足义和种类

电子显示器件，即是人们常说的人机界面，它能将来自各种电子装置的信息，通过人的视觉传递给人；而且通过它能与人交换信息，进行人机对话，具有电子工具的功能。因此，电子显示器件是连接人与机器的纽带，是人机间传递、交换信息的桥梁。在当今的信息社会中，无论产业领域还是民用领域，电子显示器件的作用越来越重要，且在广泛使用、日益普及的同时，仍在日新月异地发展着。为充分满足突飞猛进发展中的信息社会的多样化需求，高性能、新形式的电子显示器件不断地被开发出来，可以说是层出不穷。下面让我们比较具体地看看电子显示器件。

依电子显示器件功能来定义，它是指能将各种电子装置输出的电情报信息，变换为人的视觉可辨知的光情报信息的器件。而且这些器件一般具有将变换的光情报信以二维空间图形化输出的功能。也就是说，能将光信息变换为数字、文字、图形、画面等图形化的形式并显示出来。电子显示器件可分主动发光型和非主动发光型两大类，前者利用光信息发光，直接进行显示；后者本身并不发光，而是通过反射、散射、干涉等现象，对其它光源所发出的光进行控制，即通过光变换进行显示。一般又称主动发光型显示为能动型或发光型显示，而称非主动发光型显示为被动型或受光型显示。

历史最悠久的当属布劳恩管（CRT）显示器，到目前为止，它在显示质量、经济性、市场占有率等方面依然保持第一位。从市场销售看，属第二位的为LCD，以下按VFD、PDP、LED、ELD这样的顺序排列。而且LCD以下全部电子显示器件的合计市场占有率大约为50%强，这就表明，即使目前，综合看来，CRT仍不失为最杰出的电子显示器件。

但从另一方面看，在1970年前后，随着IC及LSI半导体技术的迅猛发展，各种电子元器件纷纷实现了固体化及低电压、低功耗等。与此相伴，各种电子设备也向小型、轻量化方向发展。随着以计算机为轴心的各种各样信息处理装置的诞生，为适应这种新形势，人们对全新的电子显示器件——薄型、轻量、低驱动电压、低功耗的平面显示板型的电子显示器件的社会需求急剧增加。为满足这种巨大的社会需求，目前对各种各样平面显示板型的电子显示器件的研究、开发、改良工作正在积极进行之中。其实用法也在踏踏实实地逐步进展之中。

2．沿革与变迁

几种平面显示板型电子显示器件的技术萌芽可以追溯到19世纪末期。1888年Reinitzer，发现的液晶、1897年Braun发明的布劳恩管（CRT）、1923年lossew发现的SiC单晶的电荷注入型发光现象、1936年Destriau发现的ZnS荧光体中电致发光（EL）现象等，均可以算是这个领域中最初的发现。

但是，除1930年前后开始的电视广播中CRT显示器达到实用化之外，大部分的电子显示器件呈现实用化的形式是出现在此后的50～60年，在20世纪60年代之后才慢慢提到日程上。从现代科学技术的发展速度讲，可算经历了漫长的发展历程。

（1）液晶显不器LCD和电化学显示器ECD

LCD和ECD均属于非主动发光型电子显示器，二者诞生的时间也不相上下，前者以1968年HeiImeier等发表DSM型和GH型的LCD方式以及1971年Schadt等发表TN型LCD方式为标志，后者以1969年Deb发表氧化钨系全固体ECD及1973年Schoot等发表氧化还原系液体ECD为标志。但是，从实用的观点看，两种电子显示器却存在很大差别。LCD已于1980年前后达到实质的实用化阶段，特别是1980年Dundee大学试制的a－SiTFT驱动ICE）和1982年Scheffer等人开发的STNLCD，为LCD的进一步推广普及创造了极好的条件。最近，作为数字、文字、图形、电视画面显示等应用，已渗透到生产和消费的所有领域。除CRT之外，其市场实绩已稳居整个电子显示器的第一位。相比之下，ECD尚停留在开始商品化的试验性阶段。

（2）等离子体显示板PDP和电致发光显示器ELD

PDP和ELD均属于主动发光型平面显示板式电子显示器。PDP的原型可追溯到1956年开发的冷阴极放电显示管（nixie管，数码管）；而作为平面显示板式显示器的实质性开发，是以1966年Illinois大学存储型AC驱动PDP的发表以及1969年Burroughs公司自扫描型DC驱动PDP的发表为标志。1975年前后，由AC驱动和DC驱动，用于数字、文字及图形显示的平板显不器升始普及。1985年，NHK试制了脉冲存储型DC驱动彩色PDPTV。1993年，21英寸的大画面全彩色视频显示PDP由富士通公司实现商品化。

与此相对，关于ELD，利用1936年由Destriau发现的EL现象，Sylvania公司（美）曾于1950年开发成功分散型AC驱动FL照明板。但显示器的实用化，却因显示器的低辉度和短寿命几乎停顿F来。后来，由于受到1968年贝尔实验室开发成功薄膜型AC驱动EL显示板（Iumocen）NN励，ELD的实用化研究再度活跃起来。1978年由夏普公司实现了高辉度、长寿命二重绝缘薄膜型AC驱动EL文手显示用平面显示板的商品化。而后，1980年，具有更高辉度的原子层外延（ALE）薄膜型AC驱动EL平面显示板由Lohja公司（芬兰）实现实用化。在此之后，1987年，柯达公司（美）发表可在低电压工作，具有更高辉度，通过发光层选择可以获得多彩色发光的有机薄膜EL。1988年，美国的平板系统公司（Planer System）正式发表全彩色显示ELD。

（3）真空荧光管显示器VFD和光发射二极管显示器LED

VFD和LED同属主动发光型，在初期阶段作为数字显示和指示器等，在实用化方面亦有相似之处。关于VFD，1967年伊势电子（目）开发出显示1位数字的球形单行管；1972年双叶电子工业（日）开发出显示多位数字的球形多行管及平行多行管。由于平行管的出现，VFD作为显示字符及图形的大容量平板显示器而崭露头角。在此之后，随着视角及视差的大幅度改善以及前面发光方式VFD的实用化，1985年前后，各大公司相继发表将这种方式与红绿蓝（RGB）荧光体相组合的多色彩VFD显示器。

另一方面，关于LED，其发祥要追溯到1925年，但比较活跃的实用化研究是在1953年对GAP发光现象的观察以及1962年Pankove等发表GaAs电荷注入发光现象之后。此后，1968年，首先GaAsP系的红色LED达到实用化，继而以GaP及A1GaAs系为中心的红色、橙色、黄色、绿色等各种发光色的LED纷纷达到制品化。最近，高辉度的GaN蓝色发光LED也开始达到实用化。I－E1的主要用途为导航灯及数字显示板等小型显示器。与VFD－g4，最近其应用领域也开始迅速向字符及图形显示领域扩大。1990年，集中红、绿、蓝彩色管，使之纵横排列而构成的大画面全彩色LED显示板业已问世。

（4）阴极射线管（布劳恩管）显示器CRT

布劳恩发明了布劳恩管（CRT）是。100多年前的事，因此CRT显示器的实用化很早，在1930年前后德国及美国已开始使用黑白电视播送节目。1950年，球形彩色显示CRT在美国开发成功。在日本，民用CRT显示器的实用化也自1953年黑白电视问世和1960年彩色电视问世而正式开始。而产业领域CRT显示器的普及则是在1970年前后，当时将计算机终端引入CRT显示才刚刚开始。1982年，以实现平面型CRT为目标，束导向型CRT（RCA公司）及等离子体激励的CRT（西门子公司）等开发成功并正式发表，而且于1991年开始高清晰度卫星试验播送，从此开始了高清晰度CRT接收机的商品化。

（5）其它电子显示器

以平面显示板型显示器为中心，列举其主要类型。1969年由Marks、1975年由Magnabox公司（美）、1977年由施乐（xerox）公司（美）分别开发出分散颗粒取向型显示器（SPD）、磁性颗粒旋转型显示器（MPD）以及分色颗粒旋转型显示器（TBD）等颗粒旋转方式的显示器。1969年Salldia研究室开发出采用透明锆钛酸铅镧（PLZT）的显示器。1970年RcA公司，1980年飞利浦公司和Ben出x公司（美）分别试制出箔变形型显示器（DMD）、箔吸引型显示器（DFD）等静电吸引方式的显示器。1973年松下电器开发出电泳成像显示器（EPlD）等。1989年LETI（法）开发出spindt型微阴极方式显示器，并作为21世纪高性能平面显示板型电子显示器而受到广泛注目。

3．显示性能及特征的比较

（1）各种显示性能的比较

表1中按非主动发光型和主动发光型两大类，分别列出各种电子显示器件有代表性的性能。根据表1，人们可以对各种显示器件的性能进行比较，并且可以掌握受光型和发光型显示器件的典型特征。

（2）其它特征的比较

表2中示出前一部分中没有讨论的显示器件特征和性能的比较。已达到全色化、实用化水平的显示器件有CRT、附加微滤色器方式的LCD和荧光体激励发光方式的PDP。而VFD全色化的关键是开发具有蓝、绿色荧光体波长的高辉度和长寿命的各色荧光体。对于LED来说，其主要课题是提高蓝色LED的发光辉度和发光效率。而对于ELD来说，提高发蓝光的辉度也是全色化的关键。

表1　各种电子显示器件的显示性能

①表中的数据源于20世纪90年代中期。由于近年来电子显示技术的快速发展，各类显示器的性能都有日新月异的变化。作为历史的记录，表中的数据仍有参考价值；②AM型：有源矩阵型；PM型：单纯矩阵型；③无背景光的情况下；④使用滤色器；⑤铁电性型LCD；⑥荧光体激励发光方式。0——不存在问题，容易实现；△——存在一些问题，可以实现；×——存在难以解决的问题，不能实现。

表2　各种电子显示器件的特征比较

——容易实现／优；○——可能实现　普通；△——难以实验／差；×——不能实现。

除LED和VFD之外，为实现大画面显示，从结构上讲，平面显示板型电子显示器件具有得天独厚的优势。特别是PDP的大型化进展迅速，目前60英寸的大型PDP已达实用化。而且随着显示器件的集成化以及投影方式的采用，包括LED及VFD在内，对角线达数米的大画面显示也已经实现。

易实现高解像度的电子显示器件有CRT、ELD以及有源矩阵型LCD等。但应该指出，目前要实现像素间距小于0．2mm量级的高精细化并不容易。

尽管同属于平面显示板型的电子显示器件，但模块化显示单元的厚度和重量却有很大差别。最为薄型轻量的当数LCD和ELD。

显示品质及显示清晰度主要取决于解像度、显示色、主动发光还是非主动发光以及视角等因素。但非主动发光型中以有源矩阵型的LCD，主动发光型中以ELD和PDP等为最优。

二、发展现状、课题与展望

1．各种电子显示器的市场定位

图34　EPD和CRT销售增长预测

据统计，1996年各类平板显示器（FPD）的产值达120亿美元，同一时期的CRT产值为213亿美元。预计到2002年两者的产值均将达到300亿美元左右，但前者的增长率为16．2%，而后者仅为6．3%，而且FPD的增长率有继续提高的趋势。从图34可以看出，2000年FPD的产值已超过CRT。FPD是2l世纪的显示技术，是一种朝阳技术，是21世纪显示技术的主流。显然，FPD发展的动力是信息时代对便携式信息工具、多媒体终端、大屏幕壁挂电视和HDTV的需求急速增长的结果。

在各类FPD中，LCD占主导地位，1996年产值为103亿美元，预计2002年将达到230亿美元，年平均增长率为13．2%；PDP在未来几年中将获得高速增长，2002年产值可达31亿美元，年平均增长率达56．8%，从而进一步确立其在FPD中的地位。

虽然CRT受到平板显示器的严峻挑战，但由于其生产技术成熟，驱动方法简单，性能价格比仍然占据各类显示器的首位。CRT也在不断完善其生产工艺及显示技术，产量仍然逐年上升，只是增幅日益减少。它已进入产品的成熟期后期。

表3　PDP在各类显示器中所处的位置FDP覆盖了30英寸到70英寸的高分辩HD领域

从表3可以看出，TFT－LCD加上PDP所覆盖的应用领域超过CRT。在21英寸以下的范围内，CRT将受到TFT－LCD的有力竞争；而在30英寸以上的范围内，CRT将受到PDP的严峻挑战。但由于目前PDP、TFT－LCD的生产成本依然昂贵，各项技术有待进一步完善，CRT的优势依然很明显，尤其以价格优势最为突出。现阶段FPD的发展将主要依靠开辟新的应用领域，但预计2000年以后，FPD将逐渐占领显示领域的主导地位。

2．应用发展现状、课题与展望

（1）液晶显示器LCD

现在的液晶显示器可以分为有源矩阵液晶及单纯矩阵液晶两大类，其主要特征如下：

有源矩阵液晶对每个像素均没有开关控制，具体又可分为：①金属一绝缘体一金属（MIM）型：它容易扩大开口率，比TFT亮1．3倍，且功耗小，成本低；②薄膜晶体管（TFT）型：它是平板显示器的主流，在品质、性能（对比度、色彩、分辨率）方面相当于CRT。

单纯矩阵液晶又可以分为：①扭曲向列（TN）：一般用于小型仪表、电子表、计算器等，成本低廉，不适合大尺寸；②超扭曲向列（STN）：液晶的扭曲为180°～230°，与TFT相比，性能稍劣，但在成本上有优越性，且适合各种尺寸；③其它：铁电液晶（SSFLS）具有存储性，可实现高速响应、高对比度、广视角等，但全色显示性能有待进一步研究；聚合物分散液晶（PDLC）不使用偏振片，透过率高，正在新领域开发应用。

在各类LCD中，TFT和STN占据了最大的市场份额，尤以TFT引人注目，其产值比例已达70%，而STN约占30%。1996～1998年的近三年中，LCD的平均价格下跌了一半，但性能却不断提高，并取得多项技术突破：NEC用“超精细TFT”技术生产出分辨率为1280×1023的产品；夏普的TFT Super－VLCD平板对比度可达300∶1，亮度达250cd／m2，功率却只有10W；日立的13．3英寸LCD视角可达130°；最近夏普又推出创纪录的30英寸彩色TFT－LCD；此外响应速度为50ms的TFT产品也已面市。LCD在一些性能上已能与CRT媲美，体积与重量却远远优胜于CRT。

1998年以前，LCD的最主要用途为笔记本型电脑，12．1英寸SVGA为主流产品。但液晶台式Pc机市场发展极快，其世界市场占有份额在1999年为270万台，2000年达350万台，年增长率为30%。LCD在电视方面的应用将与PDP等离子体显示器进行竞争，首先从高清晰度电视、公共场所显示板等业务用方面开始。在新的世纪中，随着多媒体的成熟，机顶盒用监视器、PC／TV用监视器以及家用新型液晶电视机的需求都将大量增加。今后，信息家电、网络终端、广播、通信等用途的LCD市场也将迅速扩大。LCD发展方向不仅在于大屏幕，而且在中小屏幕方面，例如汽车导航系统、摄像机、数字式照相机、便携式电视、PDA（个人数字助理）、娱乐／游戏机、投影机等，还会有进一步的发展。增长最快的领域包括下一代电视、车载设备、电子图书、液晶监视器等。

随着LCD的进一步研究开发，为扩大其应用领域，提高其市场占有率，目前的主要技术课题包括：扩大视角，提高对比度，增加色纯度，提高响应速度，减小显示板厚度及降低功耗等。在工业化生产方面应采取的措施包括：与高密度电子封装工程紧密配合；制造装置及工业生产设备的改进；提高生产效率及成品率，降低原材料价格及生产费用，进一步降低LCD的价格。

从发展趋势看，下一代LCD将是铁电型及反铁电型LCD、高分子分散型LCD、塑料基板LCD等。LCD的应用开发将进一步多样化。

（2）等离子体显示器PDP

彩色PDP是利用气体放电产生的真空紫外线激发三基色荧光粉发光而实现显示的新型平板显示技术。它的特点是主动发光、视角大、响应快、有存储特性、色彩丰富（与CRT不相上下）、数字化工作模式、易于制作大尺寸。因此它的产业化发展很快。

据预测，1996～2000年为彩色PDP的新生期，主要是商业应用，重点在开拓市场。2001～2005年为成长期，这一阶段PDP性能价格比趋于合理，大屏幕HDTV得到普及，多媒体显示成为主要应用之一。2006年以后为成熟期，PDP成为大众商品，应用于数字电视，并在整个电视机市场中占据主要位置。

从目前的发展趋势看，20～30英寸彩色PDP，如21英寸VGA产品、25英寸XGA产品，将主要进入PC、工作站等市场。价格是进入该市场的最关键因素。30～70英寸产品的最大市场是作为HDTV、家庭影院进入家庭，人们盼望多年的壁挂电视梦将成为现实。由于目前产品的售价问题，彩色PDP产品还没有大量进入这一市场。彩色PDP的另一用途是进入商店、博物馆、图书馆、政府办公室以及批发中心等场所，用于金融、公共交通、商品展示、新闻等的显示。该领域是目前彩色PDP的主要市场。例如纽约股票交易所、东京中心火车站、香港新机场等已使用了彩色PDP产品。

彩色PDP市场潜力巨大，今后几年将快速发展，stanford Resources预测，2003年前它的年增长率为39%；富士通公司估计，2000年，高清晰度电视已占电视市场的30%，PDP产品则占高清晰度电视市场的10%。根据专家的最新预测，2005年彩色PDP将接近500万台，其中家用约100万台，产值约50亿美元。

虽然彩色PDP实现了快速发展，但目前仍存在如下问题：①生产的成品率低，导致产品的价格过高，制约了市场的拓展和进入批量生产的进程。成品率低的主要原因是技术、设备、材料尚不完善，有待改进；②亮度和发光效率有待进一步提高。目前的发光亮度最高约500cd／m²，发光效率在1%～2%，仍未达到CRT水平；③目前彩色PDP的功耗在300～300W，明显过高。彩色PDP今后的发展方向是朝着大型化、高清晰度、高发光效率、低功耗方向发展。同时，必须提高成品率、扩大生产、改进技术和设备等以便大幅度降低成本。

（3）电致发光显示器ELD

对于ELD来说，过去在可靠性及寿命、发光辉度、价格等方面都存在一些问题，因此未达到完全实用的水平。在彩色化方面进展较慢，尤其是使用蓝色材料比较困难，但ELD的分辨率可以做得很高。现在已经把TFT和ELD结合，做成AMELD，分辨率可达80线／mm。也可做成小尺寸全色显示，用作虚拟现实显示等。

现在开发的重点是，为实现高辉度而对材料进行的开发，通过降低驱动电压以降低驱动回路的价格，为实现彩色化而对高辉度三色荧光体进行探索，特别是提高蓝色及红色荧光体的发光效率等。

与无机ELD受阻于彩色化相比较，有机ELD的发展十分迅速。有机电致发光有很丰富的颜色，可覆盖包括蓝光在内的整个可见光波段。同时有可供选择的材料广泛、驱动电压低、制备比较简单等优点，受到平板显示界的密切关注。典型的材料有八羟基喹啉铝（A1q3）等。英国剑桥大学最早报道有机ElD（OELD），但初期的OELD寿命十分短暂。日本先锋公司突破了长寿命的关键技术，已制成95cm，256×63像素蓝色OELD，100cd／m²，功耗仅0．5W，寿命可达数干小时。先锋公司打算首先用OELD代替VFD应用在家用电器上。日本Idemitsu公司也做出了一台12．7cm彩色OELD原理性样机，可显示1670万种颜色，响应时间1μs，工作电压20V，在100cd／m²亮度时寿命可达2×10³h。由于OELD主动发光，电压和功耗都低，其发展值得注意。

由于ELD具有全固体化结构及存储功能，而且容易实现薄型、轻量、小型化，因此随着上述课题的开发进展，有可能制备出显示性能与CRT相匹敌的高显示品位ELD。其在民用、产业两大领域的应用将是不可估量的。

（4）真空荧光管显示器VFD

对于VFD来说，为增大其显示容量，迄今为止的开发集中在显示板的大型化和高精细化，以及各色荧光体的高辉度化等方面。今后这将仍然是VFD研究开发的主要课题。

VFD的大型化，以对角线尺寸10英寸为现实技术的上限。在高精细化方面，采用光刻制版法制做的0．2mm左右节距（pitch）的高精细化图形显示VFD已达实用化。而且采用高发光效率的新荧光体与前面发光方式等技术相组合，全色显示VFD的开发也在进行之中。FED（场发射显示器）技术的诞生，预计有可能实现优于CRT的高画质显示。通过在基板内部封装驱动IC的封装（chip in glass，CIG）技术，可使外部电路变得更为简单。毫无疑问，通过上述高精细化、全色化、高画面质量、CIG封装等新技术的组合，VFD的应用范围将从民生领域向情报信息、产业领域进一步扩大。

（5）场致发射阵列平板显示器FED

从原理上讲，FED既具有CRT的显示性能，又具有LCD低功耗的优点，是一种有潜力与TFT－LCD正面较量的平板显示技术。美国曾下了很大的力量进行开发，试图借此来挽回在LCD领域的劣势，但目前尚处在研究开发的阶段。国际上只有法国Pixtech公司有1条小尺寸引导线，生产13cm的1／3VGA产品（135cd／m²），10%点亮时功耗为3W。日本Canon公司1997年曾报道一种25cm样品，亮度为630cd／m²，效率为10Lm／W，性能的高指标引起人们的注意。一般认为，一种FPD技术是否成熟并能推向市场，25cm的生产线能否正常运转是一个重要标志。FED还在向这个方向努力。

在FED的研究开发过程中，尖锥发射阵列的研究较深入，而传统的电真空技术却没有跟上，例如器件的支撑和装配、排气和真空的保持（含消气剂放置）等，低压荧光粉材料的研制电需进一步改进。

（6）光发射二极管显示器IED

迄今为止，LED作为显示简单数字、文字以及位置等的高辉度指示灯，作为信号机、汽车用高辉度彩色光源灯等，无论在生产还是消费领域都有广泛应用。最近，在上述用途的基础上，通过LED纵横排列，构成点矩阵型大型显示管。它作为现代信息显示的重要媒体，在金融证券、体育、机场、交通、商业、广告宣传、邮电通信、指挥调度、国防军事等许多领域得到广泛应用。目前普通LED产品已供过于求，价格下降，利润减少。制造商转向高性能的LED，开发生产高亮度（超过3000cd／m²）、小型化、短波长、低功耗和低成本的LED，并不断提高色纯度和扩展其应用范围。目前的大屏幕LED显示器一般为红、绿单色显示及红、绿、橙中的2色到3色显示。同时，由红、绿、蓝LED构成的全色大画面显示器也开始大量采用。关于全色显示，在此之前由于蓝色LED辉度较低，仅限于室内使用。随着LED的发展，蓝色LED已达到足够亮度，高辉度、便于户外应用的LED显示器将更加丰富多彩、鲜艳夺目。

（7）阴极射线管显示器CRT

从显示容量、解像度、辉度、全色显示等方面比较，迄今为止，CRT仍然具有优于其它显示器的综合性能，而且价格也较低，从而能继续保持市场占有率第一的位置。但是CRT也仍然有待开发的课题，其中主要课题之一是，伴随着各种电子器件的固体化和低电压、低功耗化，开发适用于电子设备的小型、轻量的平面显示板型CRT，并生产出相应制品。当前的课题是，如何适应大视角播送的实用化、图像情报的多媒体化以及工作站的高性能化等，以开发出高精细、高度彩色再现性、平板大画面等具有优异显示性能和功能的高性能CRT，并使其达到实用化。另外，从低功耗、安全性及生态环境学的观点出发，也还存在不少亟待开发的技术课题。

以上就典型的电子显示器件，针对有待开发的课题和展望等，进行了简要的讨论。应该指出的是，即使这些课题完全得以解决，实现电子显示的理想状态也是相当困难的，因为理想状态是随着现实不断变化的。因此，为了追求这种理想状态，惟有靠各种新型的电子显示器件的诞生，以及靠现有电子显示器件的永无止境的技术革新。