群屏四起，各顯神通

楊磊 邱元陽 劉宗凡 倪俊杰 金琦

編者按：每當走進家電手機賣場挑選電器時，總會被銷售人員口中有關顯示屏幕的各種專業名詞弄得暈頭轉向，如液晶顯示屏、等離子屏、LED屏、OLED屏……讓我們不知如何選擇。問及這些屏幕之間究竟有哪些技術上的差異，銷售人員可能也無法做出專業的解答。因此，本期我們延續上期話題，為大家梳理四代顯示技術的發光原理和技術特點。讓我們一起走進顯示技術的世界。

在上一期的文章中，介紹了OLED的發展歷程、發光原理、工藝制備及產品分類，但礙于篇幅，有關OLED之前的三代顯示技術CRT、LCD和PDP卻未能介紹，使得大家對顯示技術的發展歷史無法形成完整的認知框架。本期我們將探討有關OLED之前的三代顯示技術，并對生活中常聽到的“LED屏”的概念和環保的“電子墨水屏”也展開了熱烈討論：它是什么種類的顯示屏？

第一代顯示技術CRT

楊磊：2000年以前我們生活中的顯示器一直使用的是CRT（俗稱“大背頭”）顯示器，可以說它伴隨了幾代人的成長。那么它的內部結構和工作原理是什么？

邱元陽：CRT顯示器（Cathode Ray Tube），也稱為陰極射線顯像管顯示器，顧名思義，就是一種使用陰極射線管的顯示器。它主要由電子槍（Electron Gun）、偏轉線圈（Deflection Coils）、蔭罩（Shadow Mask）、高壓石墨電極和熒光粉涂層（Phosphor）及玻璃外殼六部分組成。

其中電子槍由燈絲、陰極和控制柵組成。電子槍的工作原理是通電后燈絲發熱，燈絲加熱陰極，陰極持續發射電子流，電子流在加速極電場的作用下，經聚焦極聚成很細的電子束后，在陽極高壓作用下，獲得巨大的能量，以極高的速度打在熒光屏上，使熒光粉發光從而顯示成圖像。

熒光屏上涂滿了按一定方式緊密排列的紅、綠、藍三種顏色的熒光粉點或熒光粉條，它們被稱為熒光粉單元。相鄰的紅、綠、藍熒光粉單元各一個組成一組被稱為像素，每個像素都擁有紅、綠、藍（R、G、B）三種基色。因此電子槍發射的電子束不是一束，而是三束，它們分別受顯卡R、G、B三個基色視頻信號電壓的控制，同時去轟擊各自的熒光粉單元，使熒光粉單元分別發出強弱不同的紅、綠、藍三種光，然后三色光再混合成一種顏色，構成一個像素的顏色。電子槍在單位時間內只能發射三支電子束，形成一個像素的顏色，但若要顯示整個屏幕的顏色，就需要電子束按一定方式依次掃描屏幕內的每一像素。

蔭罩的作用是保證掃描過程中三支電子束能準確擊中每一個像素。蔭罩是一塊厚度約為0.15mm的薄金屬板，板面帶有很多小孔或細槽。工作時這些孔槽需要和同一組的熒光粉單元（即一個像素）相對應，使得三支電子束經過小孔或細槽后能擊中同一像素，從而保證彩色的純正和電子束的準確會聚（如圖1）。

劉宗凡： 要想讓電子槍連續射出的電子束填滿整個屏幕的像素，就需要借助偏轉線圈來完成。偏轉線圈的作用就是協助電子束完成非常高速的掃描動作，它讓顯像管內的電子束以一定的順序周期性地轟擊每個像素，讓每個像素都發光，只要這個周期足夠短，也就是說對單個像素而言，只要電子束的轟擊頻率足夠高，電子束便可在人眼無法察覺的時間內迅速填滿整個屏幕的像素，從而在人們眼前展現出一幅完整的圖像。

在偏轉線圈的作用下，電子束既要沿著從左到右的水平方向做運動，同時又要沿垂直方向做運動，因而電子束形成的掃描線不是完全水平的，而是稍微傾斜的。沿水平方向運動完成一行的掃描被稱為行掃描，沿垂直方向運動完成一幅畫面的掃描被稱為場掃描。場掃描的速度決定了畫面的連續感，場掃描越快，形成的單一圖像的數量越多，畫面就越流暢。每秒鐘可以進行多少次場掃描通常是衡量畫面質量的一個標準，一般用幀頻或場頻（單位為Hz，赫茲）來表示，幀頻越大，圖像越有連續感。24Hz場頻可以保證圖像顯示具有連續性，48Hz場頻則保證圖像顯示沒有閃爍的感覺，這兩個條件同時滿足，才能顯示效果良好的圖像。（注：幀頻是指每秒鐘放映或顯示的幀或圖像的數量。）

第二代顯示技術LCD

楊磊：進入2000年，液晶顯示器開始逐漸占領顯示器的市場，小到手機、筆記本、機器設備的操作屏，大到高樓大廈外壁懸掛的巨幅顯示設備，我們周圍處處都有液晶顯示器的身影。可以說此時顯示器的材料和工藝都發生了技術性的變革。

倪俊杰： 是的，液晶顯示器我們稱之為第二代顯示技術。液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）采用的是一種分層結構，簡單地說就是兩層無鈉玻璃基板之間夾有一層液晶。液晶是指在某一個溫度范圍內兼有液體流動性和晶體光學各向異性的一類有機化合物，它具有規則性分子排列特點。我們知道物質有固態、液態、氣態三種形態。液體分子質心的排列雖然不具有任何規律性，但如果這些分子是長形的（或扁形的），它們的分子指向就可能有規律性，通常這些分子的長寬約1nm～10nm。我們將液態又細分為許多形態，其中分子方向沒有規律性的液體我們直接稱為液體，而具有方向性的液體則稱為“液態晶體”，簡稱“液晶”。具體來說，液晶在電場、磁場、溫度等外部條件的影響下，其內部分子容易發生扭轉90度排列，從而讓透過液晶層的光線發生變化，實現通過電信號調制光信號的功能。

由于液晶分子自身是無法發光的，若想讓液晶面板出現畫面，液晶顯示器就需要單獨的發光源為面板提供光線。背光源就是起到提供光線的作用的，背光源越亮，屏幕的亮度也越大。背光源發光后藉由導光板將光線分布到各處。導光板由熒光物質組成，它的主要作用是將線光源或者點光源轉化為平行于顯示屏面的面光源，為顯示器提供均勻的背景光源。導光板發出的光線穿過第一層偏光片后進入下層玻璃基板，偏光片起到讓光線單方向通過的作用。下層塊玻璃基板的內側貼有TFT薄膜晶體管和ITO透明導電層。TFT薄膜晶體管的作用類似于開關，能夠接收IC集成電路上的電壓信號，并將信號輸入ITO透明導電層中來控制液晶分子偏轉角度的大小。ITO透明導電層就是一個導電通路，電路上布滿了像素電極（P級）和公共電極（M級），這些透明的電極呈矩陣分布，通過改變電壓的大小來控制液晶分子的旋轉狀態。射入的光線經由液晶分子折射后再次穿行第二層偏光片，然后投射到上層玻璃基板上。每一個液晶分子的作用類似于一個個小的光閥，在電源開光的控制下可以讓同一束光線形成不同透光度的光線，繼而我們才能在屏幕上看到深淺不一的灰度圖像。為了將圖像顯示實現彩色化，我們需要在兩塊玻璃基板間再加上彩色濾光片。彩色濾光片也稱為濾色器，它是由像素矩陣構成，每個像素中含有固定數量的單色塊（如32位，就是32個單色塊），這些單色塊只有紅、黃、藍三種顏色，并呈一定方式緊密排列。每個單色塊對應一個像素電極，也就是說每個像素對應多個像素電極，32個單色塊同時發出的單色光混合形成一個像素點的顏色，從而將色彩絢麗的圖像呈現在我們面前（如圖2）。

金琦：可以說LCD和CRT在發光原理、材料、構造等方面都截然不同，這就導致二者在畫面的色彩飽和度、視覺廣度等方面都有各自的特點。

1.色彩飽和度

我們知道CRT顯示器的色彩顯示是由三支強度不同的電子束在同一時間分別轟擊一個像素中的紅、綠、藍熒光粉單元后，熒光粉發出強度各異的三原色后再混合成一個像素的顏色。所以CRT理論上可以顯示所有色彩和無限級數的灰度的圖像，實際上CRT確實能顯示出上億的色彩數，它顯示的色彩對比度高，色彩過渡自然，能給人以強烈的色彩絢麗感。

相比之下，液晶顯示器能呈現的色彩卻非常有限，目前它只能顯示大約26萬種顏色。盡管絕大部分產品都宣稱能夠顯示1677萬色（16777216色，32位），但實際上都是通過抖動算法來實現的，與真正的32位色相比還有很大差距，而且色彩過渡有階梯現象，因此相比CRT上億色的表現能力就顯得非常可憐。另外，液晶分子偏轉角度的問題也容易導致在不同方位觀看會有“偏色”的現象;同時分子偏轉的速度相對較慢，容易產生殘留，在高速運動的畫面中會有拖影現象;在灰階能力上，受限于背光顯示原理，黑的不夠黑，白的不夠白，對比度很難提高，很多時候還會出現周邊漏光問題。除此之外，液晶顯示器的亮度還受限于背光源的亮度。大家有條件的話可以自己比較一下：找一臺17英寸CRT顯示器，再擺一臺15寸LCD顯示器，同時顯示一幅1677萬色的圖像。CRT顯示出來的畫面十分鮮艷，而LCD則顯得有些”假”，看著就是沒有那臺CRT舒服。

2.屏幕分辨率

屏幕分辨率是指屏幕顯示的分辨率。屏幕分辨率以水平和垂直像素來衡量。屏幕分辨率低時（如640×480），在屏幕上顯示的像素少，但尺寸比較大。屏幕分辨率高時（如1600×1200），在屏幕上顯示的像素多，但尺寸比較小。分辨率越高，顯示效果就越精細和細膩，同一屏幕內能夠容納的信息就越多。對于一臺能夠支持1280×1024分辨率的CRT顯示器來說，無論是320×240還是1280×1024分辨率，都能夠完整地表現出來，這是因為電子束可以做彈性調整。

但對LCD來說則不然。LCD的最大分辨率就是它的真實分辨率，也就是最佳分辨率。一旦所設定的分辨率小于真實分辨率，比如說15寸LCD，其真實分辨率為1024x768，而畫面設定分辨率為800x600，將有兩種顯示方式。一種是居中顯示，只有LCD中間的800x600個點會顯示圖象，其他沒有用到的點不會發光，保持黑暗背景，看起來畫面是居中縮小的。另一種是擴展顯示，這種方式會使用到屏幕上每一個像素，但由于像素很容易發生扭曲，所以會對顯示效果造成一定影響。

3.視角

大多數CRT顯示器的視角都能達到180度，也就是說，從屏幕前的任意方向上都能清楚地看到其所顯示的內容。而LCD則不同，它的可視角度根據工藝先進與否而有所不同。市場上一線品牌，如三星、LG等產品的可視角度大部分都能達到170度這一水平，而部分采用廣視角的顯示器則能夠達到178度，跟CRT的180度已經非常接近。用戶在使用過程中一旦視角超出其實際可視范圍，畫面的顏色就會減退、變暗，甚至出現正像變成負像的情況。

除了上述差異外，相比于CRT，LCD具有體積小、不占地方、無輻射、對健康有利、畫面無閃爍、對眼睛有利、能耗小、節約能源等諸多方面的優勢。

邱元陽：近十年來，我們經常在市面上看到與LED顯示器相關的產品，大家自然而然地認為LED和LCD是兩種完全不同的平板顯示器，其實這種認識在某種程度上是被廣告誤導了。對于平板顯示器來說，分類的依據是面板類型和是否采用背光。LED和LCD一樣，都采用TFT液晶面板和背光源設計，LED只是LCD中的一個類別。所以準確地講，LED顯示器應該稱為“LED背光液晶顯示器”，LED是發光二極管Light Emitting Diode的英文縮寫。根據背光源的不同，LCD顯示器可以分為CCFL和LED兩種。CCFL顯示器指的是用CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷陰極熒光燈管）作為背光光源的液晶顯示器;LED顯示器指用LED（發光二極管）作為背光光源的液晶顯示器。簡單理解就是前者在液晶面板后設置幾根長形日光燈管，而后者則是設置許多發光二極管。

在LCD顯示器發展的早期階段，背光源采用的是冷陰極熒光燈管，這是因為CCFL燈管具有管體細小、結構簡單、表面溫升小、表面亮度高、易加工成各種形狀（如直管形、L形、U型、環形等）、使用壽命長、顯色性好、發光均勻等優點，并被廣泛應用于廣告燈箱、掃描儀等方面。

隨著大規模集成電路的出現和計算機技術的不斷進步，2009年LED顯示器開始出現，LG推出了一款厚度只有6.9mm的LED電視。不到一支鉛筆的厚度，足以讓人們為科技的進步而驚嘆。LED做背光源，相比CCFL有許多的優點：①能效高。CCFL的光電效率在60lm/W左右，而LED光效已達到100lm/W以上。②更加環保。CCFL燈管中的汞對環境有很大的污染，無害回收有很大的難處。③使顯示器更加纖薄。CCFL顯示器內的絲狀燈管不能使屏幕均勻發光，為此需要添加一些其他的器件，這樣就沒法讓屏幕做得很薄;LED背光源本身就是平面發光材料，無需加其他的器件，同時還可以大幅度減小傳統背光源中導光板的厚度，使得LED背光液晶屏更加纖薄。④更加省電。LED是一種半導體，可在低壓下工作，結構簡單，功耗小。⑤壽命長。CCFL熒光燈和日光燈一樣，時間長了會老化，所以傳統的筆記本屏幕使用兩三年后會發黃變暗，而LED背光屏的壽命就要長多了，至少是前者的兩三倍。

在倡導低碳消費的今天，LED背光液晶顯示器以其色彩鮮艷、亮度高、清晰度高、工作電壓低、功耗小、壽命長、耐沖擊和工作穩定可靠等優點，正在成為最具優勢的新一代顯示媒體，它被廣泛應用于大型廣場、商業廣告、體育場館、信息傳播、新聞發布、證券交易等不同場景中。

第三代顯示技術PDP

楊磊：記得十多年前，市場上曾出現PDP顯示屏的身影，它是一種有別于LCD的新型顯示技術，當時LCD和PDP這兩大技術才剛剛開始興起，還看不出哪種技術能代表未來平板顯示器的發展方向。以松下、東芝為代表的等離子廠商陣營在發展過程當中采取了相對比較保守的戰略，不愿意跟別人分享它的技術和面板資源，結果導致加入這個陣營的企業越來越少。而LCD產商則是采取比較開放的態度，共享產品技術，這樣就導致加入LCD陣營的企業越來越多，并最終取得引領顯示技術發展方向的地位。

劉宗凡：等離子顯示器（Plasma Display Panel，PDP）也稱為電漿顯示屏，是一種平面顯示屏幕（如圖3）。它以等離子管為發光元件，將大量的等離子管以矩陣方式鋪滿整個屏幕。每一個等離子管對應一個像素，每個像素由紅、綠、藍三種顏色的熒光粉組成，這些熒光粉受到激發后發出強弱不同的紅、綠、藍三種光，三種色光再混合成一種顏色，構成一個像素的顏色，進而產生各種灰度和色彩的圖像，這一點與CRT的色彩顯示很相似。屏幕以玻璃作為基板，基板間隔一定距離，四周經氣密性封接而形成一個個小放電空間，放電空間內充入氖、氙等混合惰性氣體。在兩塊玻璃基板的內側面上涂有金屬氧化物導電薄膜作為激勵電極。當向電極上施加電壓時，放電空間內的混合氣體發生等離子體放電現象，這種現象也稱電漿效應。氣體等離子體放電產生紫外線，紫外線激發涂有紅、綠、藍熒光粉的屏幕產生三原色可見光，激發時間和強度決定了三原色的亮度。由于每個獨立的發光體在同一時間一次點亮，所以整個屏幕的色彩就會顯得特別清晰鮮明。等離子顯示器的使用壽命大約5～6萬個小時，隨著使用時間的增加，其亮度也會衰退。需要注意的是，等離子顯示器并不是液晶顯示器。后者的顯示器雖然也很輕薄，但是應用的技術卻大不相同：LCD顯示器是以熒光燈或LED作為背光源，其液晶面板是利用遮罩的原理讓屏幕顯示出圖像。

金琦：相比之下，等離子顯示器是一種主動型發光技術，它的每一個像素都是一個主動發光單元，在發光單元內部實現256級灰度后再進行混色，所以它除了在動態清晰度方面表現優異外，在視覺舒適度、色彩還原度、對比度、可視角度等方面也有較好的性能。當時業界就流傳著這樣一句話：“外行買液晶，內行買等離子。”可見等離子電視的畫面表現在業內還是獲得高度認可的。但礙于當時技術水平，等離子顯示器的屏幕尺寸類型較少，沒有小尺寸型號，不能像LCD顯示器那樣可以應用在手機、平板、筆記本電腦等小尺寸的產品上。LCD顯示器的應用越廣，LCD面板廠商越能掙到錢，就會投入越多的資金去搞研發、開生產線、降低成本，從而形成良性循環。可以說正是這點讓等離子顯示器在移動手機崛起的時代逐漸敗下陣來，三星憑借著LCD技術取代了“等離子之父”松下占據市場第一寶座，迎來黃金發展的十年。如今的三星在將LCD技術做到極致的同時，也在大力投入OLED產業。以往等離子廠商也基本上放棄等離子押寶OLED了。其實無論是液晶也好還是等離子也好，俱往矣，未來是屬于OLED的。

跨越多個時代的顯示技術——電子墨水

楊磊：我們討論好幾代顯示技術，此外還有一種顯示技術在它的適用范圍內一直存在，那就是電子墨水顯示技術，大家第一時間反應就是“哦，那個和看書讀報感覺差不多的kindle就是用這個電子墨水屏的”，而且我們也在手機、可穿戴設備、廣告牌甚至電腦顯示器上發現了其應用。

倪俊杰：是的，電子墨水技術存在周期是很長，20世紀70年代，日本首先研究出電泳顯示技術，然而最初研究出的普通電泳由于存在顯示壽命短、不穩定、彩色化困難等諸多缺點，實驗曾一度中斷。20世紀末，美國E-Ink公司利用電泳技術發明了電泳油墨（即電子墨水），極大地促進了該技術的發展。

金琦：再來說一下電子墨水屏的工作原理（如圖4），電子墨水屏幕同樣是先有一層基板，然后基板上又有兩層電極（TFT），電極層中間就夾著成千上萬體積很小的“微膠囊”組成的薄膜，膠囊中帶有電極性正負相反的黑色粒子和白色粒子懸浮在透明液體層中。當施加正或負的電壓時，黑白粒子就會以不同的方向運動，從而實現在屏幕上黑與白雙色的刷新顯示，同時通過調整電壓大小，來控制黑色或白色微膠囊距離頂部的位置來呈現不同級別的灰色，呈現出近乎完美的閱讀效果，也就是我們看到的文字、圖片等內容。

那么電子墨水屏又如何顯示彩色呢？其實原理和黑白墨水屏是差不多的，只不過小膠囊里的兩種粒子變成多種相應色彩標準的粒子，如我們印刷界通用的CMYK標準，即黃色、品紅、青色、黑色四種顏色，同樣依靠施加電壓控制彩色微膠囊移動來實現多種顏色顯示，這樣的彩色電子墨水屏就帶來更好的視覺體驗。另外墨水屏本身不發光，只反射環境光，護眼效果很好。而其他的顯示屏（液晶具有背光源，OLED自發光）都會發光，眼睛長時間在強光、藍光、頻閃光源下工作，非常容易造成眼睛疲勞甚至眼病。而電子墨水屏的顯示效果接近紙張，易于閱讀，用戶使用起來會比傳統的顯示屏更加舒適護眼。

劉宗凡：省電其實也是電子墨水屏的一大特性，這是因為電子墨水屏只有在我們切換畫面的時候才消耗電量，切換畫面之后，即使斷電了，但因為磁滯效應，這些粒子依舊會保持原來的狀態，文字刷新以后，會長期停留在屏幕上，閱讀的時候甚至可以將電源關閉，而文字依舊會留印在屏幕上，因此電子墨水屏相對更為省電。

邱元陽：以上這些優點源于電子墨水屏工作原理的先天優勢，當然，凡事都有利有弊。由于墨水屏是通過粒子的物理運動顯示畫面，控制彩色粒子的移動所需時間就更長了，這就必然導致其刷新率低于傳統顯示屏，所以以前電子墨水屏只能適應刷新率不高的操作（電子讀物、廣告指示牌等）。但近幾年，國內電子墨水屏企業自主研發的驅動技術已應用在灰度電子墨水顯示器上，除了勝任電腦辦公一族讀寫文檔等操作，還可以流暢地看視頻網頁等動態畫面，速度幾乎可以和液晶屏相媲美！

后記

從CRT到LCD與PDP的分庭出現、競爭與一方的沒落，再到如今OLED的柔性可透視，電子墨水技術的不斷自我革新，沿著顯示技術發展的方向，我們可以清晰地看到顯示技術承載著對未來生活場景的各種奇思妙想。由于受篇幅所限制，我們的討論只能到此為止了。時代發展如此之快，相信不斷涌現的新材料新技術很快會將我們的設想變為現實，就讓我們永遠保持一顆學習的心去迎接未來的生活吧。