群屏四起，各显神通

杨磊 邱元阳 刘宗凡 倪俊杰 金琦

编者按：每当走进家电手机卖场挑选电器时，总会被销售人员口中有关显示屏幕的各种专业名词弄得晕头转向，如液晶显示屏、等离子屏、LED屏、OLED屏……让我们不知如何选择。问及这些屏幕之间究竟有哪些技术上的差异，销售人员可能也无法做出专业的解答。因此，本期我们延续上期话题，为大家梳理四代显示技术的发光原理和技术特点。让我们一起走进显示技术的世界。

在上一期的文章中，介绍了OLED的发展历程、发光原理、工艺制备及产品分类，但碍于篇幅，有关OLED之前的三代显示技术CRT、LCD和PDP却未能介绍，使得大家对显示技术的发展历史无法形成完整的认知框架。本期我们将探讨有关OLED之前的三代显示技术，并对生活中常听到的“LED屏”的概念和环保的“电子墨水屏”也展开了热烈讨论：它是什么种类的显示屏？

第一代显示技术CRT

杨磊：2000年以前我们生活中的显示器一直使用的是CRT（俗称“大背头”）显示器，可以说它伴随了几代人的成长。那么它的内部结构和工作原理是什么？

邱元阳：CRT显示器（Cathode Ray Tube），也称为阴极射线显像管显示器，顾名思义，就是一种使用阴极射线管的显示器。它主要由电子枪（Electron Gun）、偏转线圈（Deflection Coils）、荫罩（Shadow Mask）、高压石墨电极和荧光粉涂层（Phosphor）及玻璃外壳六部分组成。

其中电子枪由灯丝、阴极和控制栅组成。电子枪的工作原理是通电后灯丝发热，灯丝加热阴极，阴极持续发射电子流，电子流在加速极电场的作用下，经聚焦极聚成很细的电子束后，在阳极高压作用下，获得巨大的能量，以极高的速度打在荧光屏上，使荧光粉发光从而显示成图像。

荧光屏上涂满了按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光粉点或荧光粉条，它们被称为荧光粉单元。相邻的红、绿、蓝荧光粉单元各一个组成一组被称为像素，每个像素都拥有红、绿、蓝（R、G、B）三种基色。因此电子枪发射的电子束不是一束，而是三束，它们分别受显卡R、G、B三个基色视频信号电压的控制，同时去轰击各自的荧光粉单元，使荧光粉单元分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光，然后三色光再混合成一种颜色，构成一个像素的颜色。电子枪在单位时间内只能发射三支电子束，形成一个像素的颜色，但若要显示整个屏幕的颜色，就需要电子束按一定方式依次扫描屏幕内的每一像素。

荫罩的作用是保证扫描过程中三支电子束能准确击中每一个像素。荫罩是一块厚度约为0.15mm的薄金属板，板面带有很多小孔或细槽。工作时这些孔槽需要和同一组的荧光粉单元（即一个像素）相对应，使得三支电子束经过小孔或细槽后能击中同一像素，从而保证彩色的纯正和电子束的准确会聚（如图1）。

刘宗凡： 要想让电子枪连续射出的电子束填满整个屏幕的像素，就需要借助偏转线圈来完成。偏转线圈的作用就是协助电子束完成非常高速的扫描动作，它让显像管内的电子束以一定的顺序周期性地轰击每个像素，让每个像素都发光，只要这个周期足够短，也就是说对单个像素而言，只要电子束的轰击频率足够高，电子束便可在人眼无法察觉的时间内迅速填满整个屏幕的像素，从而在人们眼前展现出一幅完整的图像。

在偏转线圈的作用下，电子束既要沿着从左到右的水平方向做运动，同时又要沿垂直方向做运动，因而电子束形成的扫描线不是完全水平的，而是稍微倾斜的。沿水平方向运动完成一行的扫描被称为行扫描，沿垂直方向运动完成一幅画面的扫描被称为场扫描。场扫描的速度决定了画面的连续感，场扫描越快，形成的单一图像的数量越多，画面就越流畅。每秒钟可以进行多少次场扫描通常是衡量画面质量的一个标准，一般用帧频或场频（单位为Hz，赫兹）来表示，帧频越大，图像越有连续感。24Hz场频可以保证图像显示具有连续性，48Hz场频则保证图像显示没有闪烁的感觉，这两个条件同时满足，才能显示效果良好的图像。（注：帧频是指每秒钟放映或显示的帧或图像的数量。）

第二代显示技术LCD

杨磊：进入2000年，液晶显示器开始逐渐占领显示器的市场，小到手机、笔记本、机器设备的操作屏，大到高楼大厦外壁悬挂的巨幅显示设备，我们周围处处都有液晶显示器的身影。可以说此时显示器的材料和工艺都发生了技术性的变革。

倪俊杰： 是的，液晶显示器我们称之为第二代显示技术。液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）采用的是一种分层结构，简单地说就是两层无钠玻璃基板之间夹有一层液晶。液晶是指在某一个温度范围内兼有液体流动性和晶体光学各向异性的一类有机化合物，它具有规则性分子排列特点。我们知道物质有固态、液态、气态三种形态。液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但如果这些分子是长形的（或扁形的），它们的分子指向就可能有规律性，通常这些分子的长宽约1nm～10nm。我们将液态又细分为许多形态，其中分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而具有方向性的液体则称为“液态晶体”，简称“液晶”。具体来说，液晶在电场、磁场、温度等外部条件的影响下，其内部分子容易发生扭转90度排列，从而让透过液晶层的光线发生变化，实现通过电信号调制光信号的功能。

由于液晶分子自身是无法发光的，若想让液晶面板出现画面，液晶显示器就需要单独的发光源为面板提供光线。背光源就是起到提供光线的作用的，背光源越亮，屏幕的亮度也越大。背光源发光后藉由导光板将光线分布到各处。导光板由荧光物质组成，它的主要作用是将线光源或者点光源转化为平行于显示屏面的面光源，为显示器提供均匀的背景光源。导光板发出的光线穿过第一层偏光片后进入下层玻璃基板，偏光片起到让光线单方向通过的作用。下层块玻璃基板的内侧贴有TFT薄膜晶体管和ITO透明导电层。TFT薄膜晶体管的作用类似于开关，能够接收IC集成电路上的电压信号，并将信号输入ITO透明导电层中来控制液晶分子偏转角度的大小。ITO透明导电层就是一个导电通路，电路上布满了像素电极（P级）和公共电极（M级），这些透明的电极呈矩阵分布，通过改变电压的大小来控制液晶分子的旋转状态。射入的光线经由液晶分子折射后再次穿行第二层偏光片，然后投射到上层玻璃基板上。每一个液晶分子的作用类似于一个个小的光阀，在电源开光的控制下可以让同一束光线形成不同透光度的光线，继而我们才能在屏幕上看到深浅不一的灰度图像。为了将图像显示实现彩色化，我们需要在两块玻璃基板间再加上彩色滤光片。彩色滤光片也称为滤色器，它是由像素矩阵构成，每个像素中含有固定数量的单色块（如32位，就是32个单色块），这些单色块只有红、黄、蓝三种颜色，并呈一定方式紧密排列。每个单色块对应一个像素电极，也就是说每个像素对应多个像素电极，32个单色块同时发出的单色光混合形成一个像素点的颜色，从而将色彩绚丽的图像呈现在我們面前（如图2）。

金琦：可以说LCD和CRT在发光原理、材料、构造等方面都截然不同，这就导致二者在画面的色彩饱和度、视觉广度等方面都有各自的特点。

1.色彩饱和度

我们知道CRT显示器的色彩显示是由三支强度不同的电子束在同一时间分别轰击一个像素中的红、绿、蓝荧光粉单元后，荧光粉发出强度各异的三原色后再混合成一个像素的颜色。所以CRT理论上可以显示所有色彩和无限级数的灰度的图像，实际上CRT确实能显示出上亿的色彩数，它显示的色彩对比度高，色彩过渡自然，能给人以强烈的色彩绚丽感。

相比之下，液晶显示器能呈现的色彩却非常有限，目前它只能显示大约26万种颜色。尽管绝大部分产品都宣称能够显示1677万色（16777216色，32位），但实际上都是通过抖动算法来实现的，与真正的32位色相比还有很大差距，而且色彩过渡有阶梯现象，因此相比CRT上亿色的表现能力就显得非常可怜。另外，液晶分子偏转角度的问题也容易导致在不同方位观看会有“偏色”的现象;同时分子偏转的速度相对较慢，容易产生残留，在高速运动的画面中会有拖影现象;在灰阶能力上，受限于背光显示原理，黑的不够黑，白的不够白，对比度很难提高，很多时候还会出现周边漏光问题。除此之外，液晶显示器的亮度还受限于背光源的亮度。大家有条件的话可以自己比较一下：找一台17英寸CRT显示器，再摆一台15寸LCD显示器，同时显示一幅1677万色的图像。CRT显示出来的画面十分鲜艳，而LCD则显得有些”假”，看着就是没有那台CRT舒服。

2.屏幕分辨率

屏幕分辨率是指屏幕显示的分辨率。屏幕分辨率以水平和垂直像素来衡量。屏幕分辨率低时（如640×480），在屏幕上显示的像素少，但尺寸比较大。屏幕分辨率高时（如1600×1200），在屏幕上显示的像素多，但尺寸比较小。分辨率越高，显示效果就越精细和细腻，同一屏幕内能够容纳的信息就越多。对于一台能够支持1280×1024分辨率的CRT显示器来说，无论是320×240还是1280×1024分辨率，都能够完整地表现出来，这是因为电子束可以做弹性调整。

但对LCD来说则不然。LCD的最大分辨率就是它的真实分辨率，也就是最佳分辨率。一旦所设定的分辨率小于真实分辨率，比如说15寸LCD，其真实分辨率为1024x768，而画面设定分辨率为800x600，将有两种显示方式。一种是居中显示，只有LCD中间的800x600个点会显示图象，其他没有用到的点不会发光，保持黑暗背景，看起来画面是居中缩小的。另一种是扩展显示，这种方式会使用到屏幕上每一个像素，但由于像素很容易发生扭曲，所以会对显示效果造成一定影响。

3.视角

大多数CRT显示器的视角都能达到180度，也就是说，从屏幕前的任意方向上都能清楚地看到其所显示的内容。而LCD则不同，它的可视角度根据工艺先进与否而有所不同。市场上一线品牌，如三星、LG等产品的可视角度大部分都能达到170度这一水平，而部分采用广视角的显示器则能够达到178度，跟CRT的180度已经非常接近。用户在使用过程中一旦视角超出其实际可视范围，画面的颜色就会减退、变暗，甚至出现正像变成负像的情况。

除了上述差异外，相比于CRT，LCD具有体积小、不占地方、无辐射、对健康有利、画面无闪烁、对眼睛有利、能耗小、节约能源等诸多方面的优势。

邱元阳：近十年来，我们经常在市面上看到与LED显示器相关的产品，大家自然而然地认为LED和LCD是两种完全不同的平板显示器，其实这种认识在某种程度上是被广告误导了。对于平板显示器来说，分类的依据是面板类型和是否采用背光。LED和LCD一样，都采用TFT液晶面板和背光源设计，LED只是LCD中的一个类别。所以准确地讲，LED显示器應该称为“LED背光液晶显示器”，LED是发光二极管Light Emitting Diode的英文缩写。根据背光源的不同，LCD显示器可以分为CCFL和LED两种。CCFL显示器指的是用CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷阴极荧光灯管）作为背光光源的液晶显示器;LED显示器指用LED（发光二极管）作为背光光源的液晶显示器。简单理解就是前者在液晶面板后设置几根长形日光灯管，而后者则是设置许多发光二极管。

在LCD显示器发展的早期阶段，背光源采用的是冷阴极荧光灯管，这是因为CCFL灯管具有管体细小、结构简单、表面温升小、表面亮度高、易加工成各种形状（如直管形、L形、U型、环形等）、使用寿命长、显色性好、发光均匀等优点，并被广泛应用于广告灯箱、扫描仪等方面。

随着大规模集成电路的出现和计算机技术的不断进步，2009年LED显示器开始出现，LG推出了一款厚度只有6.9mm的LED电视。不到一支铅笔的厚度，足以让人们为科技的进步而惊叹。LED做背光源，相比CCFL有许多的优点：①能效高。CCFL的光电效率在60lm/W左右，而LED光效已达到100lm/W以上。②更加环保。CCFL灯管中的汞对环境有很大的污染，无害回收有很大的难处。③使显示器更加纤薄。CCFL显示器内的丝状灯管不能使屏幕均匀发光，为此需要添加一些其他的器件，这样就没法让屏幕做得很薄;LED背光源本身就是平面发光材料，无需加其他的器件，同时还可以大幅度减小传统背光源中导光板的厚度，使得LED背光液晶屏更加纤薄。④更加省电。LED是一种半导体，可在低压下工作，结构简单，功耗小。⑤寿命长。CCFL荧光灯和日光灯一样，时间长了会老化，所以传统的笔记本屏幕使用两三年后会发黄变暗，而LED背光屏的寿命就要长多了，至少是前者的两三倍。

在倡导低碳消费的今天，LED背光液晶显示器以其色彩鲜艳、亮度高、清晰度高、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和工作稳定可靠等优点，正在成为最具优势的新一代显示媒体，它被广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等不同场景中。

第三代显示技术PDP

杨磊：记得十多年前，市场上曾出现PDP显示屏的身影，它是一种有别于LCD的新型显示技术，当时LCD和PDP这两大技术才刚刚开始兴起，还看不出哪种技术能代表未来平板显示器的发展方向。以松下、东芝为代表的等离子厂商阵营在发展过程当中采取了相对比较保守的战略，不愿意跟别人分享它的技术和面板资源，结果导致加入这个阵营的企业越来越少。而LCD产商则是采取比较开放的态度，共享产品技术，这样就导致加入LCD阵营的企业越来越多，并最终取得引领显示技术发展方向的地位。

刘宗凡：等离子显示器（Plasma Display Panel，PDP）也称为电浆显示屏，是一种平面显示屏幕（如图3）。它以等离子管为发光元件，将大量的等离子管以矩阵方式铺满整个屏幕。每一个等离子管对应一个像素，每个像素由红、绿、蓝三种颜色的荧光粉组成，这些荧光粉受到激发后发出强弱不同的红、绿、蓝三种光，三种色光再混合成一种颜色，构成一个像素的颜色，进而产生各种灰度和色彩的图像，这一点与CRT的色彩显示很相似。屏幕以玻璃作为基板，基板间隔一定距离，四周经气密性封接而形成一个个小放电空间，放电空间内充入氖、氙等混合惰性气体。在两块玻璃基板的内侧面上涂有金属氧化物导电薄膜作为激励电极。当向电极上施加电压时，放电空间内的混合气体发生等离子体放电现象，这种现象也称电浆效应。气体等离子体放电产生紫外线，紫外线激发涂有红、绿、蓝荧光粉的屏幕产生三原色可见光，激发时间和强度决定了三原色的亮度。由于每个独立的发光体在同一时间一次点亮，所以整个屏幕的色彩就会显得特别清晰鲜明。等离子显示器的使用寿命大约5～6万个小时，随着使用时间的增加，其亮度也会衰退。需要注意的是，等离子显示器并不是液晶显示器。后者的显示器虽然也很轻薄，但是应用的技术却大不相同：LCD显示器是以荧光灯或LED作为背光源，其液晶面板是利用遮罩的原理让屏幕显示出图像。

金琦：相比之下，等离子显示器是一种主动型发光技术，它的每一个像素都是一个主动发光单元，在发光单元内部实现256级灰度后再进行混色，所以它除了在动态清晰度方面表现优异外，在视觉舒适度、色彩还原度、对比度、可视角度等方面也有较好的性能。当时业界就流传着这样一句话：“外行买液晶，内行买等离子。”可见等离子电视的画面表现在业内还是获得高度认可的。但碍于当时技术水平，等离子显示器的屏幕尺寸类型较少，没有小尺寸型号，不能像LCD显示器那样可以应用在手机、平板、笔记本电脑等小尺寸的产品上。LCD显示器的应用越广，LCD面板厂商越能挣到钱，就会投入越多的资金去搞研发、开生产线、降低成本，从而形成良性循环。可以说正是这点让等离子显示器在移动手机崛起的时代逐渐败下阵来，三星凭借着LCD技术取代了“等离子之父”松下占据市场第一宝座，迎来黄金发展的十年。如今的三星在将LCD技术做到极致的同时，也在大力投入OLED产业。以往等离子厂商也基本上放弃等离子押宝OLED了。其实无论是液晶也好还是等离子也好，俱往矣，未来是属于OLED的。

跨越多个时代的显示技术——电子墨水

杨磊：我们讨论好几代显示技术，此外还有一种显示技术在它的适用范围内一直存在，那就是电子墨水显示技术，大家第一时间反应就是“哦，那个和看书读报感觉差不多的kindle就是用这个电子墨水屏的”，而且我们也在手机、可穿戴设备、广告牌甚至电脑显示器上发现了其应用。

倪俊杰：是的，电子墨水技术存在周期是很长，20世纪70年代，日本首先研究出电泳显示技术，然而最初研究出的普通电泳由于存在显示寿命短、不稳定、彩色化困难等诸多缺点，实验曾一度中断。20世纪末，美国E-Ink公司利用电泳技术发明了电泳油墨（即电子墨水），极大地促进了该技术的发展。

金琦：再来说一下电子墨水屏的工作原理（如图4），电子墨水屏幕同样是先有一层基板，然后基板上又有两层电极（TFT），电极层中间就夹着成千上万体积很小的“微胶囊”组成的薄膜，胶囊中带有电极性正负相反的黑色粒子和白色粒子悬浮在透明液體层中。当施加正或负的电压时，黑白粒子就会以不同的方向运动，从而实现在屏幕上黑与白双色的刷新显示，同时通过调整电压大小，来控制黑色或白色微胶囊距离顶部的位置来呈现不同级别的灰色，呈现出近乎完美的阅读效果，也就是我们看到的文字、图片等内容。

那么电子墨水屏又如何显示彩色呢？其实原理和黑白墨水屏是差不多的，只不过小胶囊里的两种粒子变成多种相应色彩标准的粒子，如我们印刷界通用的CMYK标准，即黄色、品红、青色、黑色四种颜色，同样依靠施加电压控制彩色微胶囊移动来实现多种颜色显示，这样的彩色电子墨水屏就带来更好的视觉体验。另外墨水屏本身不发光，只反射环境光，护眼效果很好。而其他的显示屏（液晶具有背光源，OLED自发光）都会发光，眼睛长时间在强光、蓝光、频闪光源下工作，非常容易造成眼睛疲劳甚至眼病。而电子墨水屏的显示效果接近纸张，易于阅读，用户使用起来会比传统的显示屏更加舒适护眼。

刘宗凡：省电其实也是电子墨水屏的一大特性，这是因为电子墨水屏只有在我们切换画面的时候才消耗电量，切换画面之后，即使断电了，但因为磁滞效应，这些粒子依旧会保持原来的状态，文字刷新以后，会长期停留在屏幕上，阅读的时候甚至可以将电源关闭，而文字依旧会留印在屏幕上，因此电子墨水屏相对更为省电。

邱元阳：以上这些优点源于电子墨水屏工作原理的先天优势，当然，凡事都有利有弊。由于墨水屏是通过粒子的物理运动显示画面，控制彩色粒子的移动所需时间就更长了，这就必然导致其刷新率低于传统显示屏，所以以前电子墨水屏只能适应刷新率不高的操作（电子读物、广告指示牌等）。但近几年，国内电子墨水屏企业自主研发的驱动技术已应用在灰度电子墨水显示器上，除了胜任电脑办公一族读写文档等操作，还可以流畅地看视频网页等动态画面，速度几乎可以和液晶屏相媲美！

后记

从CRT到LCD与PDP的分庭出现、竞争与一方的没落，再到如今OLED的柔性可透视，电子墨水技术的不断自我革新，沿着显示技术发展的方向，我们可以清晰地看到显示技术承载着对未来生活场景的各种奇思妙想。由于受篇幅所限制，我们的讨论只能到此为止了。时代发展如此之快，相信不断涌现的新材料新技术很快会将我们的设想变为现实，就让我们永远保持一颗学习的心去迎接未来的生活吧。