发光与显示器件第一章平板显示技术概述.pdf

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1、汪 汉 斌湖北大学物电学院发光与显示技术参考教材参考教材平板显示技术平板显示技术 应根裕应根裕 胡文波等编胡文波等编人民邮电出版社人民邮电出版社 20022002年第一版年第一版电子显示电子显示 田民波田民波 编著编著 清华大学出清华大学出版社版社 20012001年第一版年第一版中国光学光电子行业论坛中国光学光电子行业论坛http:/http:/ 1、2020世纪世纪，阴极射线管阴极射线管（Cathode Ray Tube Cathode Ray Tube，CRTCRT）2 2、2121世纪世纪，平板显示器平板显示器（Flat Panel DisplayFlat Panel Display，

2、FPDFPD）的时代到来的时代到来3 3、平板显示器按显示原理分类平板显示器按显示原理分类：液晶平面显示液晶平面显示液晶平面显示液晶平面显示（Liquid Crystal Display,LCDLiquid Crystal Display,LCDLiquid Crystal Display,LCDLiquid Crystal Display,LCD）等离子体显示板等离子体显示板等离子体显示板等离子体显示板（Plasma Display PanelPlasma Display PanelPlasma Display PanelPlasma Display Panel，PDPPDPPDPPDP）显

3、示显示）显示显示 电致发光显示电致发光显示电致发光显示电致发光显示（ElectroElectroElectroElectro-LuminescenceLuminescenceLuminescenceLuminescence DisplayDisplayDisplayDisplay,EL,EL,EL,ELD D D D）发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管（Light Emitting DiodeLight Emitting DiodeLight Emitting DiodeLight Emitting Diode，LEDLEDLEDLED）显示显示）显示显示 有机发光二极管有机发光二极管有

4、机发光二极管有机发光二极管（Organic Light Emitting DiodeOrganic Light Emitting DiodeOrganic Light Emitting DiodeOrganic Light Emitting Diode，OLEDOLEDOLEDOLED）显示显示）显示显示 真空荧光管显示真空荧光管显示真空荧光管显示真空荧光管显示（Vacuum Fluorescence DisplayVacuum Fluorescence DisplayVacuum Fluorescence DisplayVacuum Fluorescence Display，VFDVFDVF

5、DVFD）场发射显示场发射显示场发射显示场发射显示（Field Emission DisplayField Emission DisplayField Emission DisplayField Emission Display，FEDFEDFEDFED）1、电子显示器按发光类型分类：主动发光型主动发光型：利用信息来调制各象素的发光亮度和颜色进行直接显示。（除LCD外的各种显示方式）非主动发光型非主动发光型：本身并不发光，利用信息调制外光源而使其达到显示目的。（LCD）除上述显示外，还有电致变色显示（ECD)、旋转球显示(TBD)、电化学显示等显示方式，但这些显示器件应用面不大，市场很小亮度L

6、：与环境光强度有关，高质量显示器亮度要求为300cd/m2。对比度：画面上最大亮度与最小亮度之比（Lmax/Lmin）灰度：可认为是亮度，简单的说就是色彩的深浅程度 分辨力：能够分辨出电视图象最小细节的能力。响应时间响应时间：从施加电压到出现图象显示的时间。余辉时间余辉时间：从切断电源到图象显示消失的时间。显示色显示色：一般分为黑白、单色、多色、全色。发光效率发光效率：器件所发出的光通量与器件所消耗的功率之比。工作电压工作电压：驱动电路集成化要求工作电压一般不超过45V。存储功能存储功能：外加电压除去之后，仍然能保持显示状态的功能。寿命寿命二二、显示器件的主要参量显示器件的主要参量三、平板显示

7、技术的发展前景1、FPD 的特点阴极射线管阴极射线管CRT的优点的优点：价格低、性价比高、调整分辨力容易、形状大小变化大、寻址容易、可视性好、发光效率好、色彩丰富、寿命特性好、响应速度高、彩色和灰度能力好、大规模生产基础、大量的销售者。阴极射线管阴极射线管CRT的缺点的缺点：大尺寸带来的大体积和大重量、屏面内有光散射、图象有闪烁和抖动、最大尺寸有限制、无数字寻址、图象有畸变、应用电压很高、在荫罩彩管内分辨力受限制、X射线辐射。（1）LCD：占平板显示器市场分额的八成以上。a.有源矩阵有源矩阵LCD（Active Matrix LCD，AMLCD）优点：高性能、全彩色、高分辨力、响应快和薄，生产

8、规模、工业基础及投资、产品附加值等方面领先。b.无源矩阵无源矩阵LCD（Passive Matrix LCD，PMLCD）优点：价格便宜、性能不错、适合低功率、多色、性能要求不高的领域。三三 平板显示器件的现状及其发展方向平板显示器件的现状及其发展方向优点：均匀性好，全彩色，有记忆功能，无闪烁，长寿命（大于5万小时），坚固性好，有尖锐的阈值、结构简单和大屏幕。缺点：投资大，成本高，采用高压驱动器（约200V），电子线路复杂以及发光效率不够高。（2）等离子体显示器等离子体显示器ACPDP“PDP与LCD优劣之争的话题已经毫无意义。从产业规模、市场趋势的角度而言，两者之间的对立已经发展到战后阶段。

9、”三洋电机展出的是解像度1,280720分辨率的15寸有机EL显示器。（3）电致发光板电致发光板（ElectroLuminescent）目前应用的主要是交流薄膜电致发光板，具有成本低，高可靠、信息容量高，长寿命等特点。但在发光效率、色彩、尺寸等方面面还存在缺陷。可穿戴的显示器EL显示屏ELEL显示器的主要问题是缺少全彩色的能力显示器的主要问题是缺少全彩色的能力，难以大规模生产大尺寸难以大规模生产大尺寸显示器显示器，这极大地限制了它在更广阔的市场中获得应用这极大地限制了它在更广阔的市场中获得应用。三星产真空荧光管显示器三星产真空荧光管显示器VFD是一种特殊变体的三级真空管是一种特殊变体的三级真空

10、管。电子从负极电子从负极（灯丝灯丝）发射发射出来通过栅网加速出来通过栅网加速，撞击正极表面附着的磷光体撞击正极表面附着的磷光体，从而发光从而发光。VFD所特有的优点所特有的优点：自动发光装置自动发光装置高清晰度和高亮度使其具有更佳显示效果高清晰度和高亮度使其具有更佳显示效果低压操作低压操作，低电耗低电耗可靠且使用寿命长可靠且使用寿命长从红色到蓝色多种色彩从红色到蓝色多种色彩，使用滤色器可获得更多色彩使用滤色器可获得更多色彩宽视角宽视角反应速度快反应速度快 小尺寸显示器小尺寸显示器、汽车仪表汽车仪表(4)真空荧光管显示真空荧光管显示(VFD)(5)有机发光二极管显示有机发光二极管显示(OLED)

11、特点特点：低电压、低功耗、自发光、高亮度、高对比度、薄、轻、单片结构，重量只有LCD的一半，彩色、发光效率高、响应快速、宽视角等。应用领域应用领域：手机、MP3、计算机显示器、电视机等方面。柯达的OLED显示屏(1)OLED发光材料通电后抗氧化能力极差，需要真空玻璃密封，因此需要LTPS TFT基板(2)目前大尺寸OLED面板的良品率仍然没有明显提高，从而也大幅提高了OLED产品线的成本，同时也使得产量无法快速提高。瓶颈瓶颈：显示屏的研制使得三星成为世界第一的OLED屏幕电视机生产商。世界最大的40英寸OLED屏幕电视！1.温度温度，在低温下照常使用在低温下照常使用2.发光发光，自主发光带来更

12、高亮度自主发光带来更高亮度3.视角视角，无可视角度问题无可视角度问题4.响应响应，是是LCD的的1000倍倍5.缺憾缺憾，“短命短命”的的OLEDOLED同同LCD的比较优势的比较优势OledOled显示器的市场份额正在逐渐增显示器的市场份额正在逐渐增长长，预期预期20152015年能达到年能达到7878亿美元亿美元。但对于大型面板而言但对于大型面板而言，还是存有市还是存有市场的竞争场的竞争，特别是液晶面板性能的特别是液晶面板性能的迅速提高迅速提高。O OL LEDED显示器的未来还充显示器的未来还充满重重考验满重重考验。03年3月北京维信诺公司和清华大学成功开发出4.82英寸OLED显示屏，

13、首次填补了国内超过2英寸OLED显示屏的空白.OLED前景前景：自2003年开始正式有厂家把OLED技术应用在数码相机、手机等数字产品的显示屏幕上，说明OLED在移动产品上正在赶超LCD的产品。从OLED的低能耗、高亮度，反应时间短以及没有视角限制等优异特性来看，OLED毋庸置疑将是下一代的平板显示设备的新星，为我们的显示新视野展开崭新的一页。透明透明、可弯曲和超薄可弯曲和超薄。双叶电子工业日前成功开发出了8英寸彩色FED面板，FED面板还处于研究开发阶段兼有CRT与LCD的优点，曾被认为是CRT最好的继承者，但由于结构复杂、寿命、支撑（像素真空封装技术）等问题，使FED的研制工作受到影响。（

14、6）场发射显示器场发射显示器（FED）（7）发光二极管显示发光二极管显示（LED）在低容量、低密度显示中有广泛的应用，随着高亮度与蓝光的研究开发成功，显示屏在高亮度和超大屏显示上具有了明显优势。1 阴极射线管显示阴极射线管显示阴极射线管（Cathode Ray Tube,CRT）的发展可追溯到1897年布朗的示波管。1938年德国人W.Fleching提出彩色显像管专利。1950年美国的RCA公司研制出三枪三束荫罩式彩色显像管，1953年实用化。20世纪60年代，玻壳由圆形发展为角矩形管，尺寸由21英寸发展到25英寸偏转角由70增大到90，荧光粉由发光效率较低的磷酸盐型发展为硫化物蓝绿荧光粉和

15、稀土类红色荧光粉。70年代后，彩色显示管进行了一系列的改进，荧光屏由平面直角发展到超平，纯平，尺寸发展到主流29英寸以上，偏转角由90增大到110，横纵比、分辩率不断增大。近年来，高分辨率彩电已成为发展方向。CRT包括五大部件包括五大部件：（1）电子枪发射电子并将它们会聚成细束（2）偏转系统使电子束在荧光屏上扫描（3）荧光屏根据电子束能量强弱而发出不同亮度的光（4）萌罩装于玻璃壳和电子枪之间，起分色作用（5）玻璃外壳内部形成真空，吸收多余X射线荧光屏/粉三束电子枪电子束萌罩模拟信号CRT及其主要组件示意图1.1、黑白黑白CRT黑白显像管黑白显像管：是通过电光转换重现电视图像的一种窄束强流电子束

16、管，是单色CRT。主要用途主要用途：是在电视机中显示图像。基本工作原理基本工作原理：电子枪发射出电子束，电子枪受阴极或栅极所加的视频信号电压的调制，电子束经过加束极的加速，聚焦极的聚焦，偏转磁场的偏转扫描到屏幕前面的荧光涂层上，产生复合发光，最终形成满足人眼视觉特性要求的光学图像。1.1、黑白黑白CRT一一、电子枪电子枪电子枪的内部结构示意图1.1、黑白黑白CRT电子枪是显像管中极为重要的组成部分。电子束的发射、调制、加速、聚集均由电子枪来完成。显示管用电子枪属于弱流电子枪，由圆筒电极、圆片和圆帽电极排列装配而成。1.1、黑白黑白CRT常用的黑白显像管电子枪包括5个以上的电极，即阴极（发射极）

17、，栅极（控制极），第一阳极（加速极），第二阳极和第三阳极级成聚焦极，第四阳极与第二阳极内部相连组成高压电极，并且与管锥体内侧所涂石墨导电层相连。金属圆筒金属圆筒，中间开孔中间开孔正常工作时正常工作时，栅极所加的电压比栅极所加的电压比阴极低阴极低，从而对来自阴极的电子从而对来自阴极的电子有排斥作用有排斥作用栅极与阴极之间所加的电压控栅极与阴极之间所加的电压控制电子飞出的多少制电子飞出的多少加速极呈圆盘状，中间也开有上孔，电压一般为300450V。聚焦极装在加速极后面，电压在0450V之间可调，改变这个电压，可以改变电子束聚焦的质量。第四阳极与第二阳极施加800016000V的高压，使电子束以足够

18、高的速度轰击荧光粉发光。1.1、黑白黑白CRT二二、玻璃外壳玻璃外壳玻璃外壳由管颈、锥体和面玻璃三部分组成。管颈内部安装电子枪。玻璃锥体将面玻璃和管颈连接起来，其张开角代表最大电子束偏转角度。同样尺寸的荧光屏，偏转角越大，管子长度就越短，可以减少电视机的厚度，国产标准显像管主要有70、90、110和114等。玻壳外涂层石墨与电视机的地相连并与高压帽绝缘，内外石墨层在璃壳壁形成5001000pf的高压电容器，兼作为高压整流滤波电容。1.1、黑白黑白CRT三三、荧光屏荧光屏荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层和和铝膜层构成，也称作屏幕。屏幕对角线长度定为显像管的规格，用厘米（或英寸）表示。荧光粉层完成显

19、像管内的光电转换功能，黑白显像管要求在电子轰击下荧光粉发白光，一般采用颜色互补的两种荧光粉混合起来发白光。荧光粉的另一个重要参数是余辉时间，余辉时间定义为亮度减少到1/10时所用的时间，余辉时间长于0.1秒的叫长余辉荧光粉，介于0.10.001秒的称为中余辉荧光粉，短于0.001秒的称为短余辉荧光粉。电视采用中余辉荧光粉，示波器等则采用长余辉荧光粉。1.1、黑白黑白CRT荧光粉采用沉淀法涂覆在玻璃屏上。要求均匀牢固。在荧光粉层表面蒸镀一层0.10.5m的铝膜，并使其与电子枪的阳极相连，可以提高图像显示性能。主要优点（1）可以防止负电荷积累导致的荧面电位下降，从而限制了亮度的提高；（2）铝可将荧

20、光粉发向管内的光线反射到观察者一侧，提高亮度；（3）阻档负离子对荧光层的轰击防止离子斑。荧光粉的发光效率以每瓦电功率所获得的发光强度计。一般的荧光粉发光效率都大于5cd/W，有的大于10cd/W，而白炽灯的发光效率都不超过2cd/W。1.1、黑白黑白CRT四四、扫描方式扫描方式在显像管中电子束的扫描是通过磁偏转来实现的。在广播电视技术中，将一幅画面称为一帧，并规定每秒传送25帧。每帧只要分解为几十万个像素，这些像素又分割成625行，这样每秒就要传送25625=15625行，要实现这样的速度，必须采用电子扫描来实现。按电子束运动的规则可分为直线扫描、圆扫描、螺旋扫描等。在电视系统中，为了充分利用

21、矩形屏幕并使扫描设备简单可靠，采用了匀速单向直线扫描匀速单向直线扫描方式，而单向直线扫描又分为逐行扫描逐行扫描和隔行扫描隔行扫描两种方式。1.1、黑白黑白CRT五五、逐行扫描逐行扫描在电视系统中，摄像管与显像管电子枪外部都装有相互垂直的行、场两对偏转线圈，线圈中分别流有行、场锯齿电流。电子束在通过两个偏转磁场时，在荧光屏上做从上到下、从左到右的匀速往复直线扫描动动。我们将一行紧跟一行的抚摸方式称为逐行扫描，在逐行扫描过程中，其图像信号的时间顺序与空间顺序是一致的。实线为正程扫描虚线为逆程扫描我国电视标准规定，行扫描的周期为64s，其中行扫描正程为52，行逆程为12s。场扫描（纵向扫描)频率为5

22、0Hz(20ms)，即可适应人眼的暂留效应，克服闪烁感，又与电网频率相同，达到消除干扰的目的。场扫描周期为20ms，场扫描正程时间18.4ms，场扫描逆程时间1.6ms，要实现这样的指标，电视图像信号的通频带要求达到11MHz以上1.1.黑白黑白CRT六六、隔行扫描隔行扫描我国电视信号通频带规定，图像信号带宽为6MHz。为了达到即不占用很宽的频率带，又能够满足足够高的扫描频率，以克服以闪烁现像，因此提出了2：1隔行扫描的工作方式。隔行扫描即是把一帧分为两场来扫描，每秒扫描50场。规定奇数行1，3，5，7573（显示行，其它为场逆程非显示行）的场为奇数场，偶数行2，4，6，574的场为偶数场。若

23、采用奇、偶两场均匀相互嵌套的话，即可以获得高的清晰度，又能保证每帧扫描起点相同，两场的扫描锯齿电流规律相同，大大降低了对扫描电路的要求。这就是奇数行2：1隔行扫描方式。其扫描过程如图所示。1.1、黑白黑白CRT隔行扫描示意图隔行扫描示意图奇场光栅偶场光栅每帧光栅行锯齿电流波形行锯齿电流波形场锯齿电流波形场锯齿电流波形相加混色红、绿、蓝三个发光点，当它们互相靠的很近，近到人眼不能分辨时，这三个发光点便在人眼中产生混色效应。彩色电视机的颜色采用的是空间加色法的原理相减混色（黄、品红、青）减法混色是利用透射及反射原理，对波长范围较广的某一光源所发出的复合光所进行的一种减波作用。颜料油漆等的混合配色是

24、一种减色法。（4）色度坐标系为了使各种颜色可以通过人的视觉系统良好地重现，人们建立了许多种色度坐标系，下面介绍其中的一种：CIE-RGB计色系统在色度学中，国际照明委员会（CEI）于1931年规定了三基色（RGB）计色系统。该系统采用的三基色是：波长700nm、光通量1lm 的红光为一个红基色单位，用R表示；波长546.1nm、光通量为4.5907lm的绿光为一个绿色单位，用G表示；波长435.8nm、光通量为0.0601lm的蓝光为一个蓝基色单位，用B表示；等量的RGB能配出等能白光即，当用1lm的红光做为基准时，要配出白光，需要4.507lm的绿光和0.0601lm的蓝光，白光的光通量为5

25、.6508lm。任一彩色光F总可以通过下列配色议程配出)()()()()()()(BbGgRrBGRBBGGRRF 其中，R（R）、G（G）B（B）称为F的三色分量，R、G、B称为三色系数.r、g、b称为色度坐标或相对色系数，分别代表F所用三基色单位总量为1时所需的各基色量的数值.,BGRBbBGRGgBGRRr 1931CIE色度图系统1.2、彩色CRT 彩色显像管采用红绿蓝（简称RGB）三基色相加混色原理实现彩色图像的显示。彩色显像管应能产生三束电子流，它们可以是来自一个电子枪（单枪三束），也可以来自三个电子枪（三枪三束）。确保受三个基色信号控制的三束电子束准确轰击相应的荧光粉，是彩色显像管技术的关键。（1）荫罩式彩色显像管荫罩是一块刻有成千上万个孔的薄钢板。荫罩孔的作用在于保证三个电子共同穿过同一个荫罩孔，以激发荧光粉，使之发出红、绿、蓝三色光。孔状荫罩和沟槽状荫罩由于电子束在轰击荫罩时会产生软X射线，因此玻壳配方中掺入重金属，屏幕上为氧化锶和氧化钡，玻壳内含有氧化铅。主流中低档荫罩式显示器孔状荫罩优点：成本低缺点：透过率50%，亮度、对比度低，分辨率低沟糟荫罩优点：分辨率高，透过率70%荫栅式彩色显像管条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的互相平行的铁线阵列组成。电子透过率达到95%以上三菱三枪三束与SONY单枪三束