新世紀(jì)主流顯示技術(shù)

概述
全球化實(shí)時(shí)性信息交流的實(shí)現(xiàn)使人們對顯示器件的需求越來越大，因而顯示產(chǎn)業(yè)正成為電子信息產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。
電子顯示器與半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路并稱為信息產(chǎn)業(yè)的兩塊基石，在推進(jìn)信息化進(jìn)程中起著不可忽視的作用。進(jìn)入新千年，伴隨著現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，顯示技術(shù)正在發(fā)生一場革命，低功耗、小型化、數(shù)字化、便攜式、多功能越來越受人們的青睞。在此背景下，平板顯示(FPD ，F(xiàn)lat Panel Display)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，而且發(fā)展迅猛，已可與CRT相抗衡，正成為新世紀(jì)的主流顯示技術(shù)。用平板顯示器代替陰極射線管顯示器(CRT，Cathode Ray Tube)已成為高技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
平板顯示技術(shù)被譽(yù)為朝陽技術(shù)，發(fā)展高清晰度平板顯示終端已被列入我國十五期間"863"計(jì)劃的重大專項(xiàng)。液晶顯示技術(shù)(LCD)、等離子體顯示技術(shù)(PDP)、有機(jī)電致發(fā)光顯示技術(shù)(OELD)、場致發(fā)射顯示技術(shù)(FED)、真空熒光顯示技術(shù)(VFD)和發(fā)光二極管顯示技術(shù)(LED)都是平板顯示技術(shù)的典型代表。

顯示技術(shù)的發(fā)展歷程
當(dāng)今時(shí)代是多媒體技術(shù)日益成熟、日益深入的時(shí)代，多媒體具有高效控制各種媒體龐大信息的功能，支撐多媒體的三大關(guān)鍵技術(shù)革新是數(shù)字技術(shù)革新、網(wǎng)絡(luò)革新和人機(jī)界面革新,由此可見信息顯示的重要性。
顯示技術(shù)代替印刷技術(shù)成為知識(shí)、信息傳播的途徑已有１００多年的歷史。現(xiàn)代電子顯示器件的發(fā)展則經(jīng)歷了從CRT陰極射線管到各種平板顯示器件的歷程，但大致都可分為主動(dòng)發(fā)光型和非主動(dòng)發(fā)光型兩大類,前者利用光信息發(fā)光,直接進(jìn)行顯示；后者本身并不發(fā)光,而是通過反射、散射、干涉等現(xiàn)象,對其它光源所發(fā)出的光進(jìn)行控制,即通過光變換進(jìn)行顯示。一般又稱主動(dòng)發(fā)光型顯示為能動(dòng)型或發(fā)光型顯示，而非主動(dòng)發(fā)光型顯示為被動(dòng)型或受光型顯示。

表1按照主動(dòng)發(fā)光型和非主動(dòng)發(fā)光型兩大類列出了具有代表性的電子顯示器件。
此外，在談到顯示器件時(shí)必須注意各類顯示器都有顯示格式的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格，主要分為計(jì)算機(jī)類和電視類兩大市場領(lǐng)域。表2表示了各種格式中的像素?cái)?shù)。

各種顯示技術(shù)綜述及FPD的優(yōu)勢
下面對各種顯示技術(shù)的基本特征進(jìn)行概述，以比較異同及發(fā)展前景。
CRT顯示技術(shù)
陰極射線管(CRT)已有100多年的發(fā)展歷史，是實(shí)現(xiàn)最早、應(yīng)用最為廣泛的一種顯示技術(shù)，它使用內(nèi)光源，也叫主動(dòng)式投影方式，是利用高能電子束激勵(lì)熒光體發(fā)光的電子顯示器件。
CRT技術(shù)成熟、圖像色彩豐富、還原性好、全彩色、高清晰度和較低成本，具有豐富的幾何失真調(diào)整能力，主要用作彩電顯像管和電腦監(jiān)視器。
但是陰極射線管顯示器由于體積大、重量重、電壓高、易受干擾，在便攜式電子產(chǎn)品和大屏幕顯示方面的應(yīng)用受到限制，隨著屏面尺寸的不斷增大，其重量、厚度也隨之不斷增大，無法滿足人們對大屏幕、薄型化日益增長的要求。具體來說,在51cm以下范圍CRT正受到液晶顯示器(LCD)的有力競爭,在大于100cm的范圍受到彩色等離子體顯示板(PDP)的有力挑戰(zhàn)。
液晶顯示技術(shù)(LCD,Liquid Crystal Display)
液晶(liquid crystal) 是一種在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同于固態(tài)、液態(tài)的特殊物質(zhì)態(tài)，是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物。液晶由于晶體各向異性而具有電光效應(yīng)，尤其是扭曲向列效應(yīng)和超扭曲效應(yīng)，所以能制成不同類型的顯示器件。
液晶顯示器的原理是利用液晶的物理特性:在通電導(dǎo)通后排列有序，使光線容易通過；不通電時(shí)排列混亂，阻止光線通過。
液晶顯示技術(shù)經(jīng)歷了扭曲向列(TN-LCD)、超扭曲向列(STN-LCD)和薄膜晶體管陣列(TFT-LCD)三個(gè)重要發(fā)展階段。其中，TFT-LCD(Thin Film Transistor-LCD)是集大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路技術(shù)、驅(qū)動(dòng)IC技術(shù)和平板光源技術(shù)于一體的高新技術(shù)，采用薄膜晶體管有源矩陣，在每個(gè)像素上設(shè)計(jì)有一個(gè)場效應(yīng)開關(guān)管，易于實(shí)現(xiàn)真彩、高分辨率，而且響應(yīng)速度快、灰度高，因此成為LCD的主要發(fā)展方向。它使LCD進(jìn)入高畫質(zhì)真彩圖像顯示的新階段。TFT-LCD被譽(yù)為具有高科技含量、高附加值、高效益的"三高"產(chǎn)品，具有美好的發(fā)展前景。
LCD有 "第二半導(dǎo)體"的稱謂。它具有低工作電壓、功耗小、重量輕、厚度薄、長壽命、無電磁輻射、不耀眼、抗干擾性好、抗震性能好、有效顯示面積大、適于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示等優(yōu)良特色。但也有不足之處，LCD屬于非主動(dòng)發(fā)光型即被動(dòng)光源，顯示視角小，對比度和亮度受環(huán)境的影響較大，響應(yīng)速度較慢且工藝復(fù)雜。但是長期困擾液晶平板顯示器的三大難題：視角、色飽和度、亮度在今天已經(jīng)獲得重大突破,液晶平板顯示技術(shù)已經(jīng)步入成熟階段。
等離子體顯示技術(shù)(PDP,Plasma Display Panel )
PDP是伴隨惰性氣體等離子體放電,利用行、列矩陣電極交點(diǎn)發(fā)光的顯示器件。其中等離子體(Plasma)是指正負(fù)電荷共存,處于電中性的放電氣體的狀態(tài)。

圖1 彩色PDP的主要應(yīng)用領(lǐng)域

圖2 PDP世界市場發(fā)展預(yù)測

PDP分為交流和直流兩種類型，采用表面放電式的AC-PDP占主導(dǎo)地位。在ACPDP中，普遍采用子場技術(shù)來實(shí)現(xiàn)灰度顯示,它將一幀分為若干個(gè)子場，每個(gè)子場由尋址期和顯示期組成，子場顯示期的長短與二進(jìn)制權(quán)數(shù)成比例，這樣， 8個(gè)子場就可表示 256級(jí)灰度。PDP驅(qū)動(dòng)電壓很高，驅(qū)動(dòng)電路成本占整機(jī)的75％。采用尋址顯示分離(ADS,Address Display Separate)子場技術(shù)可以降低驅(qū)動(dòng)電路成本。
與其它平板顯示器件相比，PDP(Plasma Display Panel 等離子顯示屏)具備許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，具體如下：
?屏幕亮度非常均勻，沒有亮區(qū)和暗區(qū)，不會(huì)出現(xiàn)圖像幾何畸變和色彩漂移現(xiàn)象，不受磁場影響，具有更好的環(huán)境適應(yīng)能力；
?具有非常陡峭的閾值特性，適合于時(shí)分多路驅(qū)動(dòng)；
?具有存儲(chǔ)效應(yīng)，即使增加顯示容量，也容易獲得高亮度顯示；
?結(jié)構(gòu)及制造工藝簡單，不需要TFT那樣的高精度，投資小，適合現(xiàn)代化大批量生產(chǎn)；
?具有記憶特性，高亮度、大屏幕、全彩色，高對比度和高分辨率，使圖像更加清晰，色彩更加鮮艷，感受更加舒適，效果更加理想；
?色彩還原性好，灰度豐富可超過 256級(jí)，色域與 CRT相近，對迅速變化的畫面響應(yīng)速度快，適用于顯示動(dòng)畫和播放視頻；
而且視野開闊，能提供格外亮麗、均勻平滑的畫面和更大觀賞角度，視角高達(dá)160度；
?純平面、厚度薄、體積小，特別適合公共信息顯示、壁掛式大屏幕電視和自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng) 。
PDP工作在全數(shù)字化模式，易于制成大屏幕顯示，是數(shù)字電視、高清晰度電視、計(jì)算機(jī)工作站及多媒體終端理想的顯示器件。尤其是近年來，關(guān)鍵技術(shù)基本突破，產(chǎn)品性能逐漸提高并已達(dá)到實(shí)用水平。預(yù)期今后在大屏幕壁掛電視、計(jì)算機(jī)工作站、多媒體顯示等領(lǐng)域?qū)⒕哂芯薮蟮氖袌銮熬啊D1所示為彩色PDP的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
隨著數(shù)字電視和高清晰度電視時(shí)代的臨近，也必將加快彩色PDP的發(fā)展進(jìn)程。專家預(yù)測，人類歷史上最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)線之一將會(huì)是PDP生產(chǎn)線,到2002年以后，世界PDP市場將進(jìn)入高速增長期，到2005年世界PDP市場將是1999年的7倍。圖2所示為PDP世界市場發(fā)展預(yù)測。
但是PDP也有不足，顯示屏上的玻璃極薄，不能承受過大或過小的氣壓，更不能承受重壓。顯示屏的每一顆像素都是獨(dú)立地自行發(fā)光，功耗大，在顯示器背板必須裝有多組風(fēng)扇用于散熱。此外，PDP驅(qū)動(dòng)電壓高，價(jià)格也較高。
反射式液晶投影新技術(shù)LCOS
LCOS(Liquid Crystal on Silicon)即硅上液晶或硅光引擎。LCOS是一種LCD新興技術(shù)，是由Aurora Systems融合半導(dǎo)體CMOS集成電路和液晶兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢，在2000年開發(fā)出來的一種高分辨率、低價(jià)格的反射式新型顯示技術(shù)。它代表了倍頻掃描電視和電腦顯示器的完美結(jié)合，分割畫面和多重掃描可使其應(yīng)用多樣化、生活化和個(gè)性化。作為新型顯示器件，LCOS集高清晰度電視(HDTV)信號(hào)顯示、視頻多制式兼容接收和兼容多格式電腦顯卡信號(hào)于一身，其應(yīng)用產(chǎn)品被廣大消費(fèi)者和業(yè)內(nèi)人士看好，市場潛力無限。
LCOS具有以下技術(shù)優(yōu)勢
?以CMOS芯片為電路基板，可利用廣泛使用且成熟便宜的CMOS制程而毋需額外投資；
?省電、大屏幕、高亮度、高反應(yīng)速度；
?光利用效率高， LCOS屬反射式成像，光利用效率可達(dá)４０％以上，與DLP(Digital Light Processing)相當(dāng)；
?體積小，可將驅(qū)動(dòng)IC和信息處理系統(tǒng)等外圍線路完全整合在一片CMOS基板上，大大減少了外圍IC的數(shù)目及封裝成本并縮小了體積；
?高分辨率，由于采用半導(dǎo)體方式來控制分辨率，因而分辨率很高，普遍達(dá)到SXGA等級(jí)(1280×1024)。較高的分辨率使畫質(zhì)真實(shí)自然；
?高解析度，可隨半導(dǎo)體制程快速實(shí)現(xiàn)微細(xì)化,易于提高解析度，尤其適合應(yīng)用于攜帶型資訊設(shè)備；
?制造技術(shù)成熟，傳統(tǒng)的LCD是做在玻璃基板上，而LCOS則是長在矽晶圓上。
LCOS是HDTV(High Definition Television,高清晰度電視)的背投影技術(shù)發(fā)展的主要方向，基于LCOS圖像芯片開發(fā)的投影機(jī)和高清晰度電視功耗低、體積輕薄、無電磁輻射、圖像分辨率高、亮度和對比度高、色彩逼真，被業(yè)界認(rèn)為是最有希望進(jìn)入家庭的高品位視頻產(chǎn)品。隨著數(shù)字電視和高清晰度電視的推廣應(yīng)用，必將加快LCOS產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
有機(jī)電致發(fā)光顯示技術(shù)
有機(jī)電致發(fā)光顯示，在不同的國家有不同的稱謂。在中國和日本稱為有機(jī)電致發(fā)光顯示(OELD，Organic Electro-Luminescence Display)，即有機(jī)EL(Organic Electro- Luminescence Display)；在美國則稱為有機(jī)發(fā)光二極管(OLED， Organic Light Emitting Diode)。
OELD被認(rèn)為是極具發(fā)展前途的嶄新技術(shù)。它具有響應(yīng)速度快，亮度高，視角廣，溫度特性好，可彎曲等優(yōu)異性能，代表著新一代光學(xué)顯示技術(shù)的發(fā)展方向，成為發(fā)光技術(shù)和平板顯示技術(shù)研發(fā)的重中之重。
有機(jī)電致發(fā)光技術(shù)來源于電致發(fā)光(EL)。電致發(fā)光是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為光輻射的物理現(xiàn)象，有機(jī)EL是在發(fā)光層上使用有機(jī)化合物的發(fā)光型顯示器件,由于采用電流注入型的工作機(jī)制，故屬于發(fā)光二極管類。但以薄膜面發(fā)光，因此稱為有機(jī)EL或有機(jī)薄膜EL。
有機(jī)電致發(fā)光技術(shù)依其所使用的有機(jī)薄膜材料的不同，大致可分為二類：
?以染料及顏料為發(fā)光材料的小分子組件(molecule-based device)系統(tǒng)，即OELD；
OELD從1963年開始研究，當(dāng)時(shí)進(jìn)展不大，直到1987年Kodak公司的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)能發(fā)出高效綠光的材料， 這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)帶來了有機(jī)電致發(fā)光研究的根本性轉(zhuǎn)變，展示了有機(jī)電致發(fā)光材料的巨大應(yīng)用前景。
?以共軛高分子為發(fā)光材料的高分子組件系統(tǒng)(polymer-based device)，即PLED。
PLED則始于1990年英國劍橋大學(xué)的研究成果，即用導(dǎo)電高分子聚合物制成了有機(jī)電致發(fā)光器件，揭開了高分子電致發(fā)光材料研究的序幕。
正是這兩個(gè)研究成果的發(fā)表，帶動(dòng)了有機(jī)電致發(fā)光技術(shù)的飛速發(fā)展。
OELD的巨大吸引力來源于它具有先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、主動(dòng)發(fā)光、低電壓驅(qū)動(dòng)、高亮度、全色彩、厚度小、可大面積顯示、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、可達(dá)到LCD的1000倍以上等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)很有前途的顯示器。OELD克服了第一代顯示器陰極射線管體積大、笨重、功耗大和不便于攜帶的缺點(diǎn)，也克服了液晶顯示器視角小、響應(yīng)速度慢、在低溫下不能使用，且自身不能發(fā)光的不足。因此OELD有著非常誘人的應(yīng)用前景，已被公認(rèn)為是下一代可以取代超扭曲向列(STN-LCD)的產(chǎn)品。
OELD顯示方式分為被動(dòng)(Passive Matrix)矩陣顯示和主動(dòng)(Acitive Matrix)矩陣顯示兩種方式。PM-OELD顯示方式需要很高的電流和電壓，從而引起功耗增加，顯示效率急劇下降,這就限制了它在大面積顯示中的應(yīng)用。主動(dòng)矩陣OELD(AM-OELD)采用薄膜晶體管陣列,各個(gè)象素同時(shí)發(fā)光,單個(gè)象素發(fā)光亮度大大降低，電壓也隨之下降,因而功耗比PM-OELD要低很多，是大面積顯示比較理想的選擇?？梢灶A(yù)見，主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是今后OELD發(fā)展普遍采用的方式。　　
但是有機(jī)電致發(fā)光顯示器(OLED)仍有不盡人意之處,需要在發(fā)光亮度、量子效率、穩(wěn)定性和耐用性等方面不斷改進(jìn)。
在平板顯示器件中，還有許多類型也極具競爭性，且在不斷完善提高。例如場致發(fā)射顯示(FED)是將真空微電子管應(yīng)用于顯示而非使用熱能,因而場發(fā)射電子束能量分布范圍較傳統(tǒng)熱電子束窄且具有較高亮度,此外非常薄、輕、省能源, 它集CRT的高顯示質(zhì)量和LCD的低功耗優(yōu)點(diǎn)于一身,是一種新興的具有廣闊發(fā)展?jié)摿Φ淖园l(fā)光平板顯示技術(shù)；另外發(fā)光二極管顯示技術(shù)(LED)發(fā)展速度也很快，超高亮度LED和藍(lán)色LED的研制成功使其發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。

結(jié)語
在新世紀(jì)，顯示技術(shù)的發(fā)展步伐必將越來越快。從CRT到LCD、PDP、OELD、FED、LED及FPD,各種顯示技術(shù)都在不斷發(fā)展，不斷完善，呈現(xiàn)出一片百花齊放，百家爭鳴的景象。每種顯示技術(shù)都有其存在的優(yōu)勢，也都有其不足之處，因此必然具有自己的市場定位和應(yīng)用領(lǐng)域。目前CRT與FPD相互共存，協(xié)同發(fā)展，但CRT的增長速度已明顯放緩，F(xiàn)PD的發(fā)展勢頭則越來越猛。預(yù)計(jì)當(dāng)FPD的性價(jià)比接近CRT時(shí)，F(xiàn)PD取代CRT就成必然。我們相信在顯示技術(shù)發(fā)展的道路上，必將會(huì)出現(xiàn)更多更完善的高技術(shù)成果把現(xiàn)代顯示技術(shù)推向一個(gè)新高峰,為信息時(shí)代的發(fā)展注入新的生機(jī)與活力。

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