显示技术概述

《半导体光电子学》课程论文题目：显示技术概述专业：光电信息科学与工程指导老师：周明斌二〇一七年六月目录显示技术概述 (1)1.引言 (1)2.显示技术发展历史概述 (2)2.1 CRT 阴极射线管 (2)2.2 LCD 液晶显示 (3)2.3 PDP 等离子显示 (5)2.4 FED 场发射显示 (5)2.5 LED 显示 (6)2.6 OLED 电致发光显示 (7)2.7激光显示 (8)2.8量子点技术显示 (10)3.显示技术未来发展方向 (11)3.1 4K超高清 (11)3.2 裸眼3D (12)3.3 虚拟现实（VR）和增强现实（AR） (13)3.4 全息投影技术 (13)4.结束语 (14)参考文献 (14)显示技术概述摘要:随着人们对显示器的色彩追求和显示实用性的追求，近二十年前基于等离子技术和液晶技术的平板显示器问世，显示器市场发生了翻天覆地的变化。

本文主要回顾显示技术发展历史（CRT、LCD、PDP、FED、LED、OLED、激光显示、量子点显示），比较各自相关技术特点及优缺点，并指出未来可能的技术发展方向。

关键词：显示技术、激光显示、量子点技术、OLED。

Abstract: With the pursuit of color pursuit and display of display, almost twenty years ago, based on plasma technology and LCD technology flat panel display came out, the display market has undergone enormous changes. This paper reviews the development of display technology (CRT, LCD, History of PDP, FED, LED, OLED, laser display, quantum dot display), comparing their respective technical characteristics and advantages and disadvantages, and points out the possible future direction of technology development.Key words: display technology, laser display, quantum dot technology, OLED.1. 引言随着人们对显示器的色彩追求和显示实用性的追求，近二十年前基于等离子技术和液晶技术的平板显示器问世，显示器市场发生了翻天覆地的变化。

显示器件主要包括阴极射线管（CRT）、液晶显示器(LCD )、等离子显示器(PDP)、有机发光二极管(OLED )、场致发射显示器(FED )、发光二极管(LED )等。

无论什么显示技术，都有一个被认知的过程，只有获得认知才能进一步发展，也只有发展了才能进一步得到认知，这是一个辨证的关系。

2. 显示技术发展历史概述2.1 CRT 阴极射线管1897，诺贝尔奖获得者、著名物理学家和发明家KarlFerdinand Braun（卡尔·布劳恩）创造了第一个CRT （Cathode Ray Tube，阴极射线管）。

其工作原理是：电子枪发射高速电子，经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光，通过电压来调节电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点形成各种图案和文字。

但是，此时的CRT大部分还是用来验证粒子、电子等现象的设备，似乎同显示毫无关系。

图2-1 布劳恩设计的阴极射线管直到1925年，约翰·洛吉·贝尔德（John Logie Baird）在伦敦的一次实验中使用CRT器材“扫描”出木偶的图象成为一个转折点，其被称为电视诞生的标志，而同一时间斯福罗金（Vladimir Zworykin）也创造了自己的电视系统，但是这两个人实现图像传输的模式有些不同，但都是由CRT设备实现的。

其中对未来影响最大的就是斯福罗金的“电视”系统了，这种全电子模式也是未来电视发展的一个起点。

随后的几年，电视设备开始进入大发展阶段，并且电视也开始逐渐普及，这其中最有标志性意义的事件就是1936年的柏林夏季奥运会，这是人类历史上第一次实现电视转播，当时大约有16万柏林人通过电视直播观看比赛，而非原来一样必须进入体育场才能观看比赛。

图2-2 第一台彩色电视机RCA CT-100此后，业界开始大力研制彩色显像管。

1954年，第一台民用支持NTSC标准的彩色电视机RCA CT-100诞生，这也是彩色电视机普及的开端。

随后全世界各国都在开发和生产电视，电视产业成为一个新兴的产业蓬勃兴旺的发展着。

2.2 LCD 液晶显示液晶显示技术是目前应用最广泛的一种技术，其技术的基础是液态晶体（Liquid Crystal）。

液晶按形态分类有向列型、层列型和胆固醇型三中，其中向列型液晶的介电特性使得它成为液晶显示技术的核心。

以TN（Twisted Nematic）型液晶面板为例，其基本构造是在两个透明电极间加入液晶分子，两侧电极的内端有以聚酰亚胺制成的配向膜，其作用是使两侧的液晶分子顺着配向膜的凹槽方向排列，两侧的配向膜凹槽呈垂直排列，使得液晶层内的液晶分子逐渐转向形成螺旋状排列；电极两侧外端则有透光轴夹角为90°两片线偏振片。

当光从一端入射进液晶面板时，首先通过第一片偏振片起偏，然后在螺旋状液晶分子的作用下逐渐改变偏振方向，最终旋转90°，于是可以从第二片偏振片射出。

当在两电极间加上电压时，液晶分子会从平行于面板的水平螺旋排列转换为垂直于面板排列，此时射入的线偏振光方向不发生改变，从而无法从第二片偏振片射出。

通过这种方法可以控制单个像素单元的通光与否，从而实现点阵显示。

图2-3 液晶器件显示原理图根据液晶分子的排布方式可以将液晶面板分为TN（Twisted Nematic）、V A （Vertical Alignment）、IPS（In-Plane Switching）三种，TN 液晶分子在垂直-平行状态间切换，V A将之改良为垂直-双向倾斜的切换方式，IPS 技术与上述技术最大的差异就在于，不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行，只是在加电常规状态下分子的旋转方向有所不同。

液晶技术主要运用了液晶分子的偏振片性质，光经过物质时，折射率与光偏振方向有关。

在大部分向列型液晶中，光偏振方向与分子长轴方向相同时折射率（n∥）较大；光偏振方向与分子长轴方向垂直时折射率（n⊥）较小，于是线偏振光偏振光经过垂直于其入射方向排列的液晶分子层后其偏振方向会改变。

2.3 PDP 等离子显示等离子显示器采用等离子管作为发光元器件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕，每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体。

在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光激发平板显示屏上的红、绿、蓝三原色荧光粉发出可见光。

每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和彩色的图像，与显像管发光很相似。

从工作原理上讲，等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差别，在结构和组成方面领先一步，其工作原理类似普通日光灯和电视彩色图像。

图2-4 等离子体显示器件显示原理图2.4 FED 场发射显示场发射显示器（Field Emission Display, FED）发光原理为：在发射与接收电极中间的真空带中导入高电压以产生电场，电子通过隧道效应穿过势垒发射到真空中撞击接收电极下的萤光粉，而产生发光效应。

其发光原理与CRT 类似，都是在真空中让电子撞击萤光粉发光，不同之处在CRT 由单一的电子枪发射电子束，透过偏向轨来控制电子束发射扫瞄的方向，而FED 显示器拥有数十万个主动冷发射子，因此在构造上FED 可以达到比CRT 节省空间的效果。

其次在于电压部分，CRT 大约需要15~30KV 左右的工作电压，而FED 的阴极电压约小于1KV。

图2-5 典型场致发射显示结构原理图虽然FED 被视为可取代CRT 的技术，不过在发展初期却无法与CRT 的成本相比，主要原因是场发射元件的问题。

最早被提出的Spindt 形式微尺寸阵列虽然是首度实现发射显示的技术，但它的阵列特性却限制显示的尺寸，主要原因是它的结构是在每个阵列单元上包含一个圆孔，圆孔内含一个金属锥，在制作过程中微影与蒸镀技术均会限制尺寸的大小。

解决之道是采用取代Spindt 场发射元件的技术。

1991 年NEC 发表一篇有关碳纳米管的文章后，研究人员发现以纳米结构合成的石墨，或是碳纳米管作为场发射元件能够得到更好的场发射效率，因此碳纳米管合成技术成为FED 研发的新方向。

2.5 LED 显示在CRT时代，英国无线电研究员Henry Joseph Round率先发现电场发光，奠定了之后LED技术发展的基础。

随后的1961年，德州仪器的Robert Biard和Gary Pittman为红外线LED（首个发光二极管）申请了专利。

然而，该产品是人眼不可见的。

1962年，Nick Holonyack发明了首个人眼可见的LED灯，并被称为“LED之父”。

LED与LCD相比，在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器。

目前已经取代LCD的位置，成为市场上的主流。

2.6 OLED 电致发光显示电致发光（Electro-luminescent，EL）是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象，在消费品生产中有时被称为冷光。

电致发光物料的例子包括掺杂了铜和银的硫化锌和蓝色钻石。

目前电致发光的研究方向主要为有机电致发光显示技术（Organic Electro-luminescent Display, OELD）。

图2-6 OLED显示器结构图20 世纪50 年代人们就开始用有机材料制作电致发光器件的探索，A. Bernanose 等人在蒽单晶片的两侧加上400V 的直流电压观测到发光现象，单晶厚10mm～20mm，所以驱动电压较高。

1963 年M. Pope 等人也获得了蒽单晶的电致发光。

70 年代宾夕法尼亚大学的Heeger 探索了合成金属。

1987 年Kodak 公司的邓青云首次研制出具有实用价值的低驱动电压（<10V，>1000cd/m2）OLED 器件。

1990 年，Burroughes 及其合作者研究成功第一个高分子EL（PLED），更为有机电致发光显示器件实用化进一步奠定了基础。