《名家專欄》光色測量丨顯示技術的歷史回顧與未來發(fā)展

在上個專題中我們講述了光色測量原理，這次我們再來簡單回顧一下顯示技術的發(fā)展歷史和趨勢。

顯示技術是用于創(chuàng)建和呈現(xiàn)可視化信息的各種方法和系統(tǒng)的總稱。隨著科學研究和技術發(fā)明的不斷進步，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)技術和相應的器件。例如，陰極射線管(CRT：Cathode Ray Tube)、液晶顯示技術（LCD：liquid-crystal display）、有機發(fā)光二極管顯示技術（OLED：Organic light-emitting diode display）、發(fā)光二極管顯示技術（LED：light emitting diode）、等離子顯示技術（PDP：Plasma Display）微型發(fā)光二極管技術（Micro-LED）等。

每一種顯示技術的誕生都是人類聰明才智的結晶，是物理、化學和大規(guī)模制造技術的綜合產(chǎn)物。

CRT是第一種顯示技術，它是一個特制的真空管，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，但是它的運行時間卻貫穿了整個20世紀。CRT最初用于實驗室的示波器和雷達顯示器，后來這種顯示技術逐漸普及，以家用電視機、攝像機等形式出現(xiàn)。它可是電視系統(tǒng)的發(fā)展的基礎，現(xiàn)已逐漸被淘汰。下面是CRT的發(fā)展歷史簡要：

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

1859年，德國數(shù)學家和物理學家Julius Plucker用不可見的陰極射線進行實驗。

1878年，英國人Sir William Crookes爵士確認了陰極射線的存在，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，它是當今電視和雷達管的先驅(qū)。

1907年，俄羅斯科學家Boris Rosing在電視系統(tǒng)的接收器中使用了CRT。Rosing將粗糙的幾何圖案傳輸?shù)诫娨暺聊簧?，并且是第一個這樣使用CRT的發(fā)明者。

1922年，誕生了真正的第一臺顯示器，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。

1936年，第11屆柏林奧運會首次實現(xiàn)電視實況轉播，促進了CRT電視的普及。

1973年，第一臺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。電子由偏轉線圈或板引導，陽極將它們加速到熒光粉涂層的屏幕，當被電子撞擊時，熒光粉屏幕會產(chǎn)生光。

表1 單色CRT的結構

等離子顯示技術（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，對比度高，響應快，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優(yōu)勢。

雖然等離子顯示技術依然牢牢占據(jù)畫面表現(xiàn)的巔峰，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。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）的競爭，PDP和CRT一樣幾乎失去了所有市場份額。面向美國零售市場的等離子顯示器制造已于2014年結束，面向中國市場的制造已于2016年結束。

它的顯示原理為：

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，第一個實用的等離子視頻顯示屏于由Donald Bitzer、H. Gene Slottow 和研究生Robert Willson在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校共同發(fā)明，用于PLATO計算機系統(tǒng)。

70～80年代，單色（橙色）的PDP顯示屏在收銀機、計算器、彈球機、飛機航空電子設備（如收音機、導航儀器）、頻率計數(shù)器和測試設備領域有了廣泛的應用。

1992年，富士通推出了世界上第一臺21英寸全彩顯示屏。

進入2000年后，等離子顯示屏在大尺寸電視機領域獲得了長足的進展和應用。

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

電致發(fā)光顯示技術（EL：Electro-Luminescent Display）

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，就會發(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。實際的ELD是使用彼此平行的扁平、不透明電極條構成的，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。在每個交點處，材質(zhì)亮起，從而創(chuàng)建一個像素。

電致發(fā)光顯示屏是在兩層導體之間夾入一層電致發(fā)光材料（如砷化鎵）而制成。當電流流動時，材料層發(fā)出可見光。術語“電致發(fā)光顯示器”是指既不使用LED也不使用OLED設備，而是使用傳統(tǒng)電致發(fā)光材料的顯示器。

1907年，英國無線電研究員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。它的缺點是尺寸和安全性有限，破裂的EL燈因為存在高壓電路而危及人身安全。電致發(fā)光顯示屏一直是一種小眾技術，現(xiàn)在很少使用。

液晶顯示技術（LCD：Liquid Crystal Display）

LCD顯示技術是利用液晶分子的光學特性控制光的透過，進而產(chǎn)生圖像的技術，它需要背光源。廣泛應用于電腦顯示器、電視、手機等設備。

LCD顯示屏通常由背光、液晶盒組成。液晶盒可以認為是一個光閥開關，光閥打開時，背光透過；光閥關閉時，背光關斷。液晶盒由夾在兩片鍍有ITO像素（子像素）的薄玻璃組成，在兩片玻璃的外側會貼有偏光片；玻璃之間有液晶夾層，在玻璃內(nèi)側還會有彩色濾光片、配向膜；當前后玻璃的ITO像素施加電場時，就會改變液晶分子的排列，進而改變其旋光特性。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，進而混合出想要的顏色。

早在1888年，奧地利植物生理學家Friedrich Reinitzer就研究了膽固醇的各種衍生物的特殊性質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)了它們的兩個熔點。德國物理學家Otto Lehman繼續(xù)對這些“流動”晶體進行研究，并最終創(chuàng)造了“膽固醇液晶”一詞。此后，科學家們對這些材料并不真正感興趣，這些材料長期以來一直是一種好奇心。

1960年代，美國制造了第一個液晶顯示器，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)學中的溫度指示器。

1968年，美國無線電公司(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：開始對向列液晶的研究。“向列”代表分子自行排列成的“棒狀”形狀。

20世紀70年代液晶化學家最重要的問題是：如何降低工作溫度？達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，這是一個巨大的進步。

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

1971年：當時在美國俄亥俄州肯特州立大學的James Fergason以及瑞士的Martin Schadt和Wolfgang Helfrich幾乎同時開發(fā)出“扭曲向列電池”（TN電池）——這是一項巨大的突破，導致該領域付出了更大的努力向列液晶。

1968年美國RCA公司.Wi1liams發(fā)現(xiàn)向列相液晶在電場作用下形成條紋疇，并有光散射現(xiàn)象G.H. Heilmeir 隨即將其發(fā)展成動態(tài)散射顯示模式，并制成世界上第一個液晶顯示器(LCD)。1968年美國Heilmeir等人還提出了賓主效應(GH)式。1969年Xerox公司提出Ch-N相變存儲模式。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)實現(xiàn)黑白顯示技術;之后又有用拉伸高分子膜實現(xiàn)黑白顯示的技術(FSTN)

1996年以后，又提出采用單個偏光片的反射式TN(RTN)及反射式STN(RSTN)模式。

在2007年左右，液晶電視擊敗了PDP，成為消費者（或者，可以說是生產(chǎn)商）的選擇，因為它們的尺寸大，成本低。LED技術不斷進步，LED背光LCD顯示屏贏得市場。OLED技術也在不斷改進，并準備以更好的黑色（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、更長的使用壽命和更高的耐用性。

OLED是自發(fā)光顯示技術，由一層有機化合物圖層和上下電極構成，通電后有機物被電流激發(fā)出彩色光并形成圖像。OLED器件結構：

從結構上看，OLED顯示器件的結構簡單，但其制造工藝難度卻也相當大，這也是其自從發(fā)現(xiàn)到規(guī)模化商業(yè)應用間隔時間比較久的原因。

OLED的研究產(chǎn)生其實起源于一個偶然的發(fā)現(xiàn)。1979年的一天晚上，在美國柯達公司從事科研工作的華裔科學家鄧青云博士(Dr.C.W.Tang)在回家的路上忽然想起有東西忘記在實驗室里，回去以后，他發(fā)現(xiàn)黑暗中有個亮的東西。打開燈發(fā)現(xiàn)原來是一塊做實驗的有機蓄電池在發(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、響應更快。隨之越來越多的國際巨頭加入了對OLED的研發(fā)。

整體上看OLED的應用大致可以分為3個階段。

1997年～2001年：OLED的試用階段。1997年OLED由日本先鋒公司在全球第一個商業(yè)化生產(chǎn)并用于汽車音響，作為車載顯示器運用于市場。

2002年～2005年：OLED的成長階段。在這段時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、手持電腦和個人通訊設備等)、相機、手持游戲機、檢測儀器等。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年蘋果十周年紀念手機iPhoneX采用OLED屏幕。所以OLED從首次商業(yè)應用到成功推出55英寸電視屏僅僅用了16年時間，而LCD走過這段歷程則花了32年時間，可見全球OLED產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅猛。

科學的進步和創(chuàng)新永不止步，近年來一種名為微發(fā)光二極管（Micro-LED）的技術風靡全球。Micro-LED 技術雖然還在研發(fā)階段，但已吸引各大廠商紛紛注資，成為未來的顯示技術的重要研發(fā)方向之一。

Micro-LED可以認為是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結構設計進行薄膜化、微小化以及陣列化后，將Micro-LED巨量轉移到電路基板上，再利用物理沉積技術生成上電極及保護層，形成微小間距的LED。Micro-LED的尺寸僅在1~10μm等級左右，是目前主流LED大小的1%，每一個Micro-LED可視為一個像素，同時它還能夠?qū)崿F(xiàn)對每個像素的定址控制、單獨驅(qū)動發(fā)光。

Micro-LED與其他顯示技術相比，優(yōu)勢明顯，但是制造技術目前并不成熟。限制Micro LED產(chǎn)業(yè)化的一個重要原因是巨量轉移，各大面板廠都在致力于如何將幾百萬個LED高度集成在一起。

2012年，索尼公司率先將Micro-LED技術應用在消費電子領域。隨后，蘋果公司、三星公司積極投入Micro-LED技術的研發(fā)，并將之作為下一代顯示技術。在2018年CES上，三星發(fā)布了世界上第一款Micro-LED技術的電視，取名“THEWALL”，電視大小156寸。

Micro-LED典型結構是一個PN接面二極管，由直接能隙半導體材料構成。當對Micro-LED上下電極施加一正向偏壓，致使電流通過時，電子、空穴對于主動區(qū)復合，發(fā)射出單一色光。Micro-LED的基本構造分為四塊，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三個子像素組成一個像素。對于一個4K電視機，是八百萬個這樣的微觀結構組成的。由上面的對比圖可見，Micro-LED能達到比OLED更輕薄的效果。

Micro-LED還是一個正在蓬勃發(fā)展的技術，相信隨著各大顯示制造廠商的大筆資金投入，再加上物理學家、化學家、工程師等相關人員的積極參與，Micro-LED會在未來的某個時間段會有大的進展。

還有一些其他顯示技術，例如QLED、LCoS、投影技術、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，結合其他光學零件，實現(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。

上面這些不同的顯示技術的發(fā)明和大規(guī)模使用沒有明顯的時間界限，通常是有交疊的。例如，在彩色CRT顯示屏大規(guī)模使用時，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間與CRT顯示屏相比，尺寸和顯示效果有了很大的提升，進而獲得了一定份額的市場。但是和LCD相比，劣勢卻非常明顯，所以隨著LCD顯示屏的廣泛應用，等離子體顯示屏和CRT顯示屏一樣，迅速的被淘汰了。

參考文獻

https://www.thoughtco.com/television-history-cathode-ray-tube-1991459

https://www.163.com/dy/article/HHV4KUHM0511DG68.html

https://livevideostack.cn/news/evolution-of-screen-display-technology/

https://baijiahao.baidu.com/s?id=163587032222294307