薄型显示器技术大聚焦

作者：实用影音技术 华崇良

欢迎访问e展厅 展厅 1 电视机/机顶盒/投影机展厅 数字电视/智能电视, 机顶盒, 广告播放机... 显示器近年来已成为计算科学、医用服务、工业过程控制和家庭娱乐系统中不可缺少的重要组成部分，小到通信手机、PDA、笔记本电脑，大到巨幅屏幕的AV休闲系统，无不需要功能广泛，形状各异的各类显示器作为其重要的信息指示手段。美国消费电子学协会主席加里·夏皮罗把薄型显示器技术看成是消费领域里的五大顶级技术之一（其他四种分别是聚合无线器材、数字成像技术、闪速存储器以及电子娱乐/游戏），表明显示器技术已日益受到大众的广泛重现。 数字显示技术（DDT）是视觉观赏技术中的一次突破。工程师们利用DDT制造出轻薄型宽屏幕电视、平板电视、壁挂式电视，甚至可以像报纸那样卷起业的柔软薄膜电视。据称，这种柔软薄膜电视屏的视觉效果与普通电视屏无异，但在不用时可将其像窗帘那样卷起来便于收藏和携带。上外，利用DDT技术不定期可制作能发光可显示特定标志图符的衣服，用于时装和安全服务领域。 由JVC公司开发的数字光放大（DLA）技术，采用硅基液晶（LCOS）可以在大屏幕上显示出亮度更高的图像；由德州仪器公司开发的数字光处理（DLP）技术，采用数字微镜器件调制反射光可使巨幅图像的亮度和清晰度大大增加；现已广泛用于各种领域超薄型电视机来显示HDTV图像；等离子显示屏（POP）由众多的微型气室（像素）组成，气室中呈等离子状态的气体与每一子气室中的磷相互作用，气室中呈等离子状态的气体与每一子气室中的磷相互作用产生彩色光线，等离子电视显示器在有光照的情况下图像也很清晰；还有一种有机电致发光显示器（OED），薄如信用卡，可产生清晰的图像和鲜艳的色彩。 有这么多新的显示器技术，为什么制造厂家还要选择比较昂贵的DDT？这是因为DDT可以提供非常优异的画面质量，包括屏面的四角和四边。而薄型平板电视可给予消费者更大的选择来配置家用电器设备。在日本，人们将超薄电视机挂在墙上，可以腾出客厅的一大块地方来安放别的家具。随着薄型显示器技术的改进，电视机的形式和尺寸将会多种多样，折叠式电视机和可穿戴式电视机也即将面市，电视机不再固定不变地放在客厅中间，更加雅致、更加时尚的平板电视提醒着人们将它们用来兼作室内装饰。OELD的出现使显示器变得更加漂亮，而随着DDT技术和微电子技术与材料科学的结合，各式各样性能各异的薄型型显示器越来越多地浮现在人们的眼前，诸如光纤织物显示器、纸片式显示器、卷帘式显示器、硅基液晶显示器、电致发光显示器和聚酯纤维显示器等都向消费者展示了其发展前景和无究魅力，下面就对这些薄型显示器技术逐一进行介绍。 一、光纤织物显示器 法国电信公司的研究人员开发一种用塑料光纤编织的织物，可以发光显示各种各样和电视一样的图像。这种用电池供电光纤织物为时装设计师们开拓了新的眼界，他们建议消防人员或警察穿上这种服装来显示安全和警告信息，便于人们在远处就能见到这些提示信息。他们还制作一件低分辨率8×8像素的上衣，可以显示虽然简略但仍然可读的数字第一类符号。从原理上说，虽然柔软和全像素的显示屏也可以用大批塑料LED压嵌在织物上来实现，但用塑料光纤更为厚实、经济，也更容易为现有的纺织技术所采用。每根塑料光纤只有1/4mm的断面，约比人的头发丝略粗一点，多股光纤绞合后编织成像素栅格的织物，各个像素根据需要可以发光或不发光，通过这种控制方法来显示黑白图像。通过快速切换不同图像黑白阵列的配置，就可以在织物上显示出活动图像。要得到彩色图像可以在光纤的一端用不同基色的LED进行激励，通过对显示器边上的微芯片进行控制就可以显示出不同的多色图像。图1是法国电信公司制造的光纤织物显示器。 二、纸片式显示器 徘徊在英国各地火车站中心广场的旅客不久就可看到更醒目的火车运行时刻表。英国诺丁汉的一家制造电子交通标示系统的Tew Engineering公司与从事纳米技术研究的NTera和Dublin公司合作，生产了世界第一台像纸张似的铁路显示器。该显示器采用Ntera公司的纳米铬（nanochromies）类纸片显示器技术作为显示器终端，而Tew公司的专家的负责客户信息标志系统的电路和系统。显示器内包括有纳米结构的薄膜电极，电铬材料在电场作用上通过获取或丢失电子来改变颜色。早期的显示器产品存在开关时间太长和色彩朦胧不清的两大问题，这两大问题改用半导体金属氧化物和电铬紫罗碱（eletctrochromic viologen）颗粒制作纳米结构薄膜电板而获得解决。这些透明电极的表面面积非常大，约有1000多紫罗碱颗粒约束在薄膜表面，可以使它从无声状态至彩色状态的转换非常快速。大量附着的紫罗碱颗粒使色彩绚丽多彩，而电子的高速转移使开关速度大大提高。 电极之间纳米结构的氧化钛薄膜显示器的背景呈白色，在这白反射背景之前的彩色紫罗碱表现为墨水的外观，这样当罗紫碱被变色后就地表现出白色纸上墨迹的视觉效果。使用不同的紫罗碱颗粒就能产生不同的颜色。图2是西门子公司推出的纸片或显示器。 纳米铬超过现有显示器技术的地方主要在于其优美的外观、快速的开关转换速度、出色的对比度和小锐角位置的易读性。 三、卷帘式显示器 显示器可以轻而软到像棉布那样卷起来交将它带至任何地方的程度。这听起来有点像科幻小说里的故事，但千真万确这是不元将来的现实。美国Dupont和Sarnoff公司分包了由美国政府基金赞助的贝尔实验室的一项研究，协助该实验室完成薄型、柔软的彩屏电路项目，这种彩屏的特点是造价低和制造方便。贝尔实验室的优势是拥有丰富的有机电子学和有机材料方面的专门知识；Dupont公司负责开发由OLED发光软料制成的显示器平板；Sarnoff公司负责开发软屏的信号传送技术，使之能显示出全彩色的活动图像来；而贝尔实验室则负责开发新型的有机化合物并利用它们来制薄膜晶体管（TFT）。这些TFT将印制在Dupont公司的塑料薄膜平板上，印制技术也由贝尔实验室负责设计。 据称，这种卷帘式显示器开发成功后，显示器可以用于各个领域，从蜂窝移动电话、PDA和视频游戏直到巨型电视屏幕。这些高亮度、高对比度的薄膜平板具有快速的刷新率、宽广的视角、超薄的外形和惊人的柔软性。它们不需要像LCD那样的背光照射，而且生产成本低。 四、硅基液晶显示器 数字HDTV将传统的CRT和背投影技术结合在一起。在背投影中，图像分别由电视机内有红、绿、蓝三种颜色的CRT管建立并投向背面而产生，三色图像在背面的镜面上反射后送至透明屏幕的反面，形成三色会聚的图像。这种背投技术的优点是屏幕大、分辨率高、声音质量好；缺点是价格高昂、占地面积较大。 由汤姆逊公司开发的硅基液晶（LCOS）技术可以在平面屏的电视机上获得顶级质量的图像，且重量轻、厚度薄、价格低廉。LCOS技术采用先进的光学原理，具有微型显示器和彩色管理的特点。 LCOS背投电视机的三只CRT管中一只叫“光引擎”的器件所取代。光引擎中的关键部件是一只超高压灯炮、聚光组件、棱镜、投影镜头和三只由硅基制成的微型显示器。只有指甲盖大小的微型显示器分辨率很高，将它与光学系统结合使用后可以投射出实际尺寸更大的图像。 光引擎中先由灯炮产生白色光，然后集束成激光那样的光束，再由棱镜将它分成红、绿、蓝三基色光束，分别投射至各自的微型显示器上去，每个微型显示器分别由高分辨率的视频信号来调制。反射后的视频分量接着在同一块棱镜中重新聚合成单一的视频光束，生成一会聚在一起色彩完美校准的数字图像，此图像再经11镜片单元的精密光学镜头系统放大后投射到平面屏幕的反面。利用LCOS技术可以制作各种尺寸的显示器，图3是飞利浦公司推出的大屏幕LCOS显示器。 五、最大的LCD显示器 由LG Philips公司推出的52英寸TFT-LCD显示器具有1920×1080分辨率（207万像素）、宽高比为16:9、视角达1760；由三星推出的另一款54英寸的TFT-LCD显示器样机也是有1920×1080像素的分辨率，其对比度高达800:1，视角为1700。54英寸的LCD屏显示器是当今最先进的生产线能够达到的最大显示器，它代表着第五代LCD生产技术。更大的屏幕尺寸要指望第六代的生产线正式投产，这种生产线可以处理1.8m×1.8m（对角线为100英寸）的玻璃板，一块这样大的玻璃板足足容纳得下制造商个54英寸的屏幕！三星第一条这种生产线预期在2005年实现，总投资约20亿美元。 六、电致发光（EL）显示器 荷兰飞利浦公司和阿姆斯特丹大学曾发明了能发射红光或绿光（视所加电压而定）的电致发光（EL）材料，利用这种材料可使发光显示器固态光源和彩色切换开关的制作过程变得更加方便，同时也能使亮度大大增加。 EL材料发射固定颜色的光束，发什么光由材料的爱激状态和能带决定。因此要由不同颜色的像块或像素组成多色显示器时需要采用不同的EL材料。但新的EL材料可以根据所加电流的方向来改变发射光线的颜色，因此一个像素或像块可以发出两种不同的颜色。 EL材料是由半导电的聚合物和金属复合物的同类混合物组成，每种金属均有不同的激发能级，为了做到有方向性，器件采用非对称的结构，将单层EL材料以三明治的形式来嵌在两块用不同材料构成的电极之间，其中一块是金（Au），另一块是氧化铟锡（ISnO）。当IsnO极上加有正电位时，只有金属复合物发光过程被触发，可以看到红光；当IsnO极上加有负电位时，电流反向，金属复合物中的发光过程结束，半导电的聚合物受激，器件发绿光。这两种色彩均有充分的饱和度，表明不会混有其他颜色。 七、聚酯纤维显示器 卷帘式OLED和聚酯纤维LED均是利用将有机单酯纤维或聚酯纤维沉积在塑料基薄膜表面而制成的LED。沉积的单酯层或聚酯层厚约1mm，其热特性和机械特性与基质材料相互匹配，是用来制造柔软聚酯纤维显示器的理想材料。 电泳显示器由大量球形的微囊组成，每个微囊中含有充有相反电荷的黑、白质点，黑白色质点悬浮在无色的液体中。通过对微囊施加电压，要么是白色质点吸向微囊的表面而呈现白色，要么是黑色质点吸向表现而呈现黑色。这种显示器也是高分辨率和宽视角显示器，其特性最接近于电子纸片。但由于不能作无源矩阵驱动，因此必须采用有源矩阵作像控制，但有源矩阵电路系统增加了制作成本和损害了显示器的柔软性。 八、触摸显示器 一个触摸显示器通常由五个基本部分组成，好：触摸传感器、装有传感器的监视屏（CRT、LCD或PDP）、传达和执行传感器功能的控制器、帮助控制器识别输入信号并使控制器与计算机操作系统间相互通信的软件与触摸屏相连接并接受末端用户访问而运行的电脑。 触摸传感器有电溶性的、电阻性的、声表面波（SAW）的和接地声波（GAW）的等4种类型，用户通过软件可规定触摸传感器的类型。 电容性光笔和红外线光笔是目前较普遍的触摸技术。光笔用在背投系统时，光笔将背投系统转换成电子白板，用户可在显示屏上直接使用光笔。模拟电容性触摸屏是将电导性涂层加至干净玻璃传感器表面制成的，电压沿X-Y坐标轴加至屏面的四角。在屏面不用时，电板上电压建立的电场是均匀的。在屏面上触摸输入时，电场受到干扰，触摸点的坐标信息就从控制器送至PC的串口。电容性触摸屏最适用于如人流较多的零售业、娱乐游戏终端、自动售货的公用售货亭等苛刻的环境。 电阻性触摸屏是将硬膜的导电聚酯纤维薄膜覆盖在干净的玻璃传感器上。在有触摸信号输入时，聚酯纤维薄膜受到挤压与固定的玻璃传感器相接触，这时屏面四角有电压产生，电压的高低与接触点离屏面边缘的距离成比例，控制器根据电流的大小计算出触摸点的坐标，并通过软驱将它作了输入信息送至PC串口。电阻性触摸屏最适用于医务、工业和销售点环境。 红外线触摸屏是在CRT管的正面加一道特制的沟缘，并沿着x-y轴水平和垂直地安装多只红外线LED。有触摸动作发生时，x-y平面内的LED红外光束便受到扰动，传感器就将接触点的坐标信息送至PC串口。 SAW/GAW触摸屏由玻璃沿X轴和Y轴覆盖以发送换能器和接收换能器。触摸屏控制器送出一5MHz的信号至发送换能器，换能器在玻璃内将该信号转换成超声波，这些超声波由反射器阵列在触摸屏表现作横穿传导，屏面对面的反射器收集并引导这些超声波至接收换能器，在那里又将它转换回电信号，形成一张触摸屏的表面地图。当用户触屏时，触摸点吸收部分横穿过屏幕表面的超声波，这时将接收到的信号再与存放在数字地图里的信号相比较，然后对其信号差进行计算。计算过程对X轴和Y轴是分别进行的，因此可算出触摸点的坐标。最后将坐标数据送至电脑作进一步处理。 九、超薄彩色显示器 一些电子公司和研究机构的开发人员正在研制一种基于OLED的超薄显示器，试图用它来取代现在普遍使用的LCD显示器。它是将一薄层有机颗粒或聚酯纤维类在两块电极之间，其中至少一块电级可以允许光线穿过，而光线本身由电致发光产生。当几伏电压加在电极上时，颗粒将电能吸收，交将它发射成可见光，可见光的色彩由材料本身的性质决定。阳极和阴极分别由一大批互相垂直的并行印刷导线组成，导线条的阴极分别由一大批互相垂直的并行印制导线组成，导线条的交叉点就确定了图像的像素，将它密封在两块玻璃薄膜间，整块显示屏的厚度只有几毫米。 虽然OLED长期以来一直被看成是未来的显示器技术，但迄今为止与传统显示器技术相比其优势仍无法充分体现，只局限用来实现小面积和低信息内容的显示器，如汽车元线电和蜂窝电话的显示等等。其主要限制表现在昂贵的驱动有机层发光的多晶硅上。 台湾的同仁们和IBM公司合作试图用非晶硅来取代多晶硅获得了成功。非晶态硅是一种无序结构的材料，它在大面积应用时性价比很高，实现起来比多晶硅方案方便，可以利用现有的TFT-LCD制作工艺实现OLED结构，便于OLED大规模生产是这种技术的又一里程碑。 先进的非晶态硅电路系统与发光层本身优越的性能以及器件总体结构特性三者相结合，使OLED显示器完全可以与相同尺寸、相同分辨率的极品级LCD显示器的性能相比拟，而且只需要后者一半功耗显示出台式电脑的亮度、更好的彩色饱和度和更大的视角。这种显示器的分辨率为WXGA，即1280×768像素，亮度为300cd/m2，功耗只有25W，其全视频能力已达到大型平板电视的有效利用率。 OLED显示器虽然已将厚度减少到只有几毫米，但还有比这更薄的显示器。第一块单色超薄显示器由摩托罗拉公司推出，用于移动手机；另一块由先锋公司推出，用于汽车无线电收音机。这两款都已面市，只不过显示的是单色。彩色的超薄显示器由Osram Opto半导体公司透露了最好的实验室结果是只有几微米厚度的超薄型彩色显示器！这种显示器通常也取材于聚酯纤维薄膜，只是它发偏绿的黄色光，在室温下的有效寿命为2万小时。聚酯纤维基层取代显示器的下班载体也正在探索中。这些微米级的超薄显示器可以卷起来插入钢笔中，或装入膝上机的铰合部中，使用时只要将它展开就成。 西门子也设计了一款火柴盒大小的日光投影机，可以用相应的接口插入至移动电话手机上，投影模块中的LED阵列通过分光器照亮微米显示器，光线受通过镜头的图像调制，再快速用红、绿、蓝三种基色LED按序加亮就能得到全彩色的图像。图4是西门子公司利用微型投影机将手机屏幕上的图像放大到明信片大小到情形。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/13/2004)