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,。

1. 陰極射線管顯示技術（CRT：Cathode Ray Tube）

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*會首*實現(xiàn)電視實況轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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

2. 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*，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*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：

(1) 等離子顯示屏由兩片玻璃組成，在兩片玻璃之間有數(shù)百萬個小隔間,。這些隔室或“燈泡”或“細胞”填充惰性氣體和微量其他氣體（例如,，汞蒸氣）的混合物；

(2) 當在隔室上施加高壓時,，隔室中的氣體會形成等離子體,。隨著電流（電子）的流動，當電子穿過等離子體時,，一些電子撞擊汞原子,，使得原子的激發(fā)到高能級，直到處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)生能級躍遷,，并以紫外線的形式釋放光子,；

(3) 然后，紫外光子撞擊涂在隔室內(nèi)部的熒光粉,。當紫外光子撞擊熒光粉分子時,，它會暫時提高熒光粉分子中外軌道電子的能級，使電子從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài),；然后,，電子會以低于紫外光的能級以光子的形式釋放多余的能量；

(4) 低能量光子大多在紅外范圍內(nèi),，但大約40%在可見光范圍內(nèi),。因此，輸入能量主要轉(zhuǎn)換為紅外光,，但也轉(zhuǎn)換為可見光,。

(5) 屏幕在運行期間會被加熱至30℃至41℃。根據(jù)所使用的熒光粉,，可以獲得不同顏色的可見光,。

(6) 等離子顯示屏中的每個像素都由三個單元組成，這些單元構成了可見光的原色,。改變施加在單元上的信號電壓可以就可以產(chǎn)生不同的顏色,。

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*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。

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

電致發(fā)光（EL）是一種光學和電學現(xiàn)象,，其中材料響應通過它的電流或強電場而發(fā)光,。

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。

4. 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*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*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?！跋蛄小贝矸肿幼孕信帕谐傻摹鞍魻睢毙螤?。

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*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*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。

5. 有機發(fā)光二極管顯示技術（OLED：Organic Light Emitting Diode）

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：

(1) 基板(透明塑料,、玻璃,、金屬箔)：基層用來支撐整個OLED。

(2) 陽極：陽極在電流流過設備時產(chǎn)生“空穴”,。

(3) 空穴傳輸層：該層由有機材料分子構成,，這些分子傳輸由陽極而來的“空穴”。

(4) 發(fā)光層：該層由有機材料分子(不同于導電層)構成,，發(fā)光過程在這一層進行,。

(5) 電子傳輸層：該層由有機材料分子構成，這些分子傳輸由陰極而來的“電子”,。

(6) 陰極：當設備內(nèi)有電流流通時,，陰極會將電子注入電路。

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)?；虡I(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*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*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*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,。

6. 微小的LED陣列（Micro-LED）

科學的進步和創(chuàng)新永*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(zhuǎn)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(zhuǎn)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*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*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,。

7. 其他

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,。

8. 結語

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。