《名家专栏》光色测量丨显示技术的历史回顾与未来发展

在上个专题中我们讲述了光色测量原理，这次我们再来简单回顾一下显示技术的发展历史和趋势。

显示技术是用于创建和呈现可视化信息的各种方法和系统的总称。随着科学研究和技术发明的不断进步，人们掌握了多种信息再现的方法，也发开发了各种各样的信息再现技术和相应的器件。例如，阴极射线管(CRT：Cathode Ray Tube)、液晶显示技术（LCD：liquid-crystal display）、有机发光二极管显示技术（OLED：Organic light-emitting diode display）、发光二极管显示技术（LED：light emitting diode）、等离子显示技术（PDP：Plasma Display）微型发光二极管技术（Micro-LED）等。

每一种显示技术的诞生都是人类聪明才智的结晶，是物理、化学和大规模制造技术的综合产物。

CRT是第一种显示技术，它是一个特制的真空管，其中包括电子枪，通过电子枪发射出来的电子束轰击屏幕上的荧光粉，从而显示图像。它的发明到成熟和大规模使用经历了100年。尽管它能耗高、体积大、笨重，但是它的运行时间却贯穿了整个20世纪。CRT最初用于实验室的示波器和雷达显示器，后来这种显示技术逐渐普及，以家用电视机、摄像机等形式出现。它可是电视系统的发展的基础，现已逐渐被淘汰。下面是CRT的发展历史简要：

1855年，德国人Heinrich Geissler发明了盖斯勒管，该管用汞泵制成，是第一个良好的真空（空气）管，后来由Sir William Crookes进行了改进。

1859年，德国数学家和物理学家Julius Plucker用不可见的阴极射线进行实验。

1878年，英国人Sir William Crookes爵士确认了阴极射线的存在，他发明了克鲁克斯管，这也是所有阴极射线管的粗略原型。

1897年，德国人Karl Ferdinand Braun发明了一种阴极射线管扫描装置——博朗管（Braun Tube），即一种带有荧光屏的CRT示波器，它是当今电视和雷达管的先驱。

1907年，俄罗斯科学家Boris Rosing在电视系统的接收器中使用了CRT。Rosing将粗糙的几何图案传输到电视屏幕上，并且是第一个这样使用CRT的发明者。

1922年，诞生了真正的第一台显示器，由Apple I使用CRT组成，是单色阴极射线管。

1929年，Vladimir Kosma Zworykin发明了一种称为显像管的阴极射线管，用于原始的电视系统。

1931年，Allen B. Du Mont制造了第一款商用且耐用的CRT电视机。

1936年，第11届柏林奥运会首次实现电视实况转播，促进了CRT电视的普及。

1973年，第一台配备显示器的奥托电脑发布。

1954年，彩色阴极射线管用于彩色电视机的显示

图1 阴极射线管横截面图（不按比例缩放）及其聚焦和偏转电子束（绿色）

CRT的工作原理是电加热钨线圈，而钨线圈又加热CRT后部的阴极，使其发射出电子，这些电子被电极调制和聚焦。电子由偏转线圈或板引导，阳极将它们加速到荧光粉涂层的屏幕，当被电子撞击时，荧光粉屏幕会产生光。

表1 单色CRT的结构

等离子显示技术（PDP：Plasma Display Panel）

PDP是一种利用气体放电的显示装置，这种屏幕采用了等离子管作为发光元件。它的黑色深，对比度高，响应快，视角大，普通光照环境下可视性好，轻薄，这使得它和CRT显示屏相比具有更高的技术优势。

虽然等离子显示技术依然牢牢占据画面表现的巅峰，但是和成本更低的液晶显示屏以及更轻薄的OLED显示屏相比，它也难以逃脱被淘汰的命运。直到2007年左右，等离子显示屏通常用于大型电视。到2013年，由于来自低成本液晶显示屏（LCD）的竞争，PDP和CRT一样几乎失去了所有市场份额。面向美国零售市场的等离子显示器制造已于2014年结束，面向中国市场的制造已于2016年结束。

它的显示原理为：

1936年，匈牙利工程师 Kálmán Tihanyi 在他的一篇论文中描述了一种平板等离子显示系统。

1964年，第一个实用的等离子视频显示屏于由Donald Bitzer、H. Gene Slottow 和研究生Robert Willson在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校共同发明，用于PLATO计算机系统。

70～80年代，单色（橙色）的PDP显示屏在收银机、计算器、弹球机、飞机航空电子设备（如收音机、导航仪器）、频率计数器和测试设备领域有了广泛的应用。

1992年，富士通推出了世界上第一台21英寸全彩显示屏。

进入2000年后，等离子显示屏在大尺寸电视机领域获得了长足的进展和应用。

尽管PDP曾经短暂的占据了一部分电视机市场，然而很快便退出了历史舞台。

电致发光显示技术（EL：Electro-Luminescent Display）

EL的工作原理是通过使电流穿过原子使原子处于激发态，激发态的原子跃迁回低能态时，就会发射光子。通过改变被激发的材料，就可以改变发出的光的颜色。实际的ELD是使用彼此平行的扁平、不透明电极条构成的，上面覆盖着一层电致发光材料，然后是另一层垂直于底层的电极。此顶层必须是透明的，以便让光线逸出。在每个交点处，材质亮起，从而创建一个像素。

电致发光显示屏是在两层导体之间夹入一层电致发光材料（如砷化镓）而制成。当电流流动时，材料层发出可见光。术语“电致发光显示器”是指既不使用LED也不使用OLED设备，而是使用传统电致发光材料的显示器。

1907年，英国无线电研究员Henry Joseph Round发现了电致发光，这是一种不产生热量的光。它的缺点是尺寸和安全性有限，破裂的EL灯因为存在高压电路而危及人身安全。电致发光显示屏一直是一种小众技术，现在很少使用。

液晶显示技术（LCD：Liquid Crystal Display）

LCD显示技术是利用液晶分子的光学特性控制光的透过，进而产生图像的技术，它需要背光源。广泛应用于电脑显示器、电视、手机等设备。

LCD显示屏通常由背光、液晶盒组成。液晶盒可以认为是一个光阀开关，光阀打开时，背光透过；光阀关闭时，背光关断。液晶盒由夹在两片镀有ITO像素（子像素）的薄玻璃组成，在两片玻璃的外侧会贴有偏光片；玻璃之间有液晶夹层，在玻璃内侧还会有彩色滤光片、配向膜；当前后玻璃的ITO像素施加电场时，就会改变液晶分子的排列，进而改变其旋光特性。改变电压的大小，就可以改变像素/子像素的透光量，透过的光再经过彩色滤光片的滤光，就能显示R、G、B三种颜色，进而混合出想要的颜色。

早在1888年，奥地利植物生理学家Friedrich Reinitzer就研究了胆固醇的各种衍生物的特殊性质，并发现了它们的两个熔点。德国物理学家Otto Lehman继续对这些“流动”晶体进行研究，并最终创造了“胆固醇液晶”一词。此后，科学家们对这些材料并不真正感兴趣，这些材料长期以来一直是一种好奇心。

1960年代，美国制造了第一个液晶显示器，液晶的研究才又开始繁荣。

1966年，胆甾型液晶被用作热成像和医学中的温度指示器。

1968年，美国无线电公司(RCA)的George Heilmeier展示了一款工作在80℃的液晶显示器，平板电视诞生了，它可以像一幅画一样挂在墙上。

1968年：开始对向列液晶的研究。“向列”代表分子自行排列成的“棒状”形状。

20世纪70年代液晶化学家最重要的问题是：如何降低工作温度？达姆施塔特的研究人员成功混合液晶，在室温下获得向列相。与第一代液晶显示器相比，这是一个巨大的进步。

1970年：第一台配备氧化偶氮化合物和集成黄光滤光片的LCD袖珍计算器在阿赫玛(ACHEMA)世界论坛和流程工业领先展会上亮相。

1971年：当时在美国俄亥俄州肯特州立大学的James Fergason以及瑞士的Martin Schadt和Wolfgang Helfrich几乎同时开发出“扭曲向列电池”（TN电池）——这是一项巨大的突破，导致该领域付出了更大的努力向列液晶。

1968年美国RCA公司.Wi1liams发现向列相液晶在电场作用下形成条纹畴，并有光散射现象G.H. Heilmeir 随即将其发展成动态散射显示模式，并制成世界上第一个液晶显示器(LCD)。1968年美国Heilmeir等人还提出了宾主效应(GH)式。1969年Xerox公司提出Ch-N相变存储模式。1971年M.F.Schiekel提出电控双折射(ECB)模式，T.L.Fergason 等提出扭曲向列相(TwistedNematic:TN)模式，1980年N.Clark等提出铁电液晶模式(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提出用双层盒(DSTN)实现黑白显示技术;之后又有用拉伸高分子膜实现黑白显示的技术(FSTN)

1996年以后，又提出采用单个偏光片的反射式TN(RTN)及反射式STN(RSTN)模式。

在2007年左右，液晶电视击败了PDP，成为消费者（或者，可以说是生产商）的选择，因为它们的尺寸大，成本低。LED技术不断进步，LED背光LCD显示屏赢得市场。OLED技术也在不断改进，并准备以更好的黑色（甚至比等离子更好）和更薄的硬性更弱的外形挑战LCD，但是LCD继续提供更低的制造成本、更长的使用寿命和更高的耐用性。

OLED是自发光显示技术，由一层有机化合物图层和上下电极构成，通电后有机物被电流激发出彩色光并形成图像。OLED器件结构：

从结构上看，OLED显示器件的结构简单，但其制造工艺难度却也相当大，这也是其自从发现到规模化商业应用间隔时间比较久的原因。

OLED的研究产生其实起源于一个偶然的发现。1979年的一天晚上，在美国柯达公司从事科研工作的华裔科学家邓青云博士(Dr.C.W.Tang)在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室里，回去以后，他发现黑暗中有个亮的东西。打开灯发现原来是一块做实验的有机蓄电池在发光。OLED研究就此开始，邓博士由此也被称为OLED之父。

而OLED正式商用是则在1987年，柯达公司推出了一款OLED双层器件，展现出了OLED优异的性能：更薄、更黑、响应更快。随之越来越多的国际巨头加入了对OLED的研发。

整体上看OLED的应用大致可以分为3个阶段。

1997年～2001年：OLED的试用阶段。1997年OLED由日本先锋公司在全球第一个商业化生产并用于汽车音响，作为车载显示器运用于市场。

2002年～2005年：OLED的成长阶段。在这段时期人们开始逐渐接触到更多带有OLED的产品，例如车载显示器，PDA(包括电子词典、手持电脑和个人通讯设备等)、相机、手持游戏机、检测仪器等。但主要以10寸以下的小面板为主。

2005年以后：OLED开始走向一个成熟化的阶段。厂商们纷纷推出成熟的产品。LGD,SMD先后推出55英寸OLED电视。2017年苹果十周年纪念手机iPhoneX采用OLED屏幕。所以OLED从首次商业应用到成功推出55英寸电视屏仅仅用了16年时间，而LCD走过这段历程则花了32年时间，可见全球OLED产业发展非常迅猛。

科学的进步和创新永不止步，近年来一种名为微发光二极管（Micro-LED）的技术风靡全球。Micro-LED 技术虽然还在研发阶段，但已吸引各大厂商纷纷注资，成为未来的显示技术的重要研发方向之一。

Micro-LED可以认为是LED阵列的微缩版本，就是微型化的LED，是目前主流LED大小的1%。Micro-LED就是将LED结构设计进行薄膜化、微小化以及阵列化后，将Micro-LED巨量转移到电路基板上，再利用物理沉积技术生成上电极及保护层，形成微小间距的LED。Micro-LED的尺寸仅在1~10μm等级左右，是目前主流LED大小的1%，每一个Micro-LED可视为一个像素，同时它还能够实现对每个像素的定址控制、单独驱动发光。

Micro-LED与其他显示技术相比，优势明显，但是制造技术目前并不成熟。限制Micro LED产业化的一个重要原因是巨量转移，各大面板厂都在致力于如何将几百万个LED高度集成在一起。

2012年，索尼公司率先将Micro-LED技术应用在消费电子领域。随后，苹果公司、三星公司积极投入Micro-LED技术的研发，并将之作为下一代显示技术。在2018年CES上，三星发布了世界上第一款Micro-LED技术的电视，取名“THEWALL”，电视大小156寸。

Micro-LED典型结构是一个PN接面二极管，由直接能隙半导体材料构成。当对Micro-LED上下电极施加一正向偏压，致使电流通过时，电子、空穴对于主动区复合，发射出单一色光。Micro-LED的基本构造分为四块，最下面是衬底，上一层是电极，再往上是RGB排列的Micro-LED，最外层是玻璃面板。RGB三个子像素组成一个像素。对于一个4K电视机，是八百万个这样的微观结构组成的。由上面的对比图可见，Micro-LED能达到比OLED更轻薄的效果。

Micro-LED还是一个正在蓬勃发展的技术，相信随着各大显示制造厂商的大笔资金投入，再加上物理学家、化学家、工程师等相关人员的积极参与，Micro-LED会在未来的某个时间段会有大的进展。

还有一些其他显示技术，例如QLED、LCoS、投影技术、AR、VR、MR等。他们要么是过渡产品，要么是基于LCD、OLED、MicroLED等显示技术，结合其他光学零件，实现虚拟成现象的产品，本质上并不是显示介质的更新。

上面这些不同的显示技术的发明和大规模使用没有明显的时间界限，通常是有交叠的。例如，在彩色CRT显示屏大规模使用时，LCD就已经在小规模的使用了。随着LCD的尺寸越来越大，技术越来越成熟，在2000年以后获得了快速发展，并逐渐替代了CRT显示屏。再如，等离子体显示屏一段时间与CRT显示屏相比，尺寸和显示效果有了很大的提升，进而获得了一定份额的市场。但是和LCD相比，劣势却非常明显，所以随着LCD显示屏的广泛应用，等离子体显示屏和CRT显示屏一样，迅速的被淘汰了。

参考文献

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