1、7.1光電顯示技術(shù)基礎(chǔ),7.1.1顯示技術(shù)與顯示器件 1897年德國的布勞恩（Braun）發(fā)明了陰極射線管（CRT）雛形 1968年美國的Heilmeier發(fā)現(xiàn)液晶雙折射的電光效應(yīng)可以用于制作顯示裝置，即現(xiàn)在的液晶顯示器（LCD） 20世紀(jì)90年代，液晶顯示器首先在筆記本電腦領(lǐng)域取得了絕對優(yōu)勢。,7.2.2陰極射線管(Cathode Ray Tube, CRT),1 黑白顯像管 (1)工作原理：電子槍發(fā)射出的電子束被加在電子槍柵極或陰極上的視頻電信號所調(diào)制后，經(jīng)過加速、聚焦、掃描、復(fù)合發(fā)光等一系列過程最終變?yōu)闊晒馄辽习纯臻g分布的、亮度隨電信號強(qiáng)弱而變化的相應(yīng)光信號，從而得到與原被攝景物幾何相似

2、、明暗對應(yīng)的適合人眼視覺特性要求的光學(xué)圖像。,燈絲 2. 陰極 3. 控制極 4. 加速極 5. 聚焦極 6. 高壓陽極 7.電子束 8.玻殼,(2)黑白顯像管的基本結(jié)構(gòu),(3)電子槍,單電位電子槍(UPF，Uni-Potential Focus)結(jié)構(gòu) 燈絲Hf 陰極K 控制極G1 加速極G2 第二陽極 (聚焦極)G3 和高壓陽極G4,電子槍的作用,發(fā)射并加速電子 ，電子槍的電子發(fā)射系統(tǒng)主要由陰極、控制極、加速極組成，加速極電壓一般在700伏左右。 用視頻信號調(diào)制電子束流 ，目前顯像管一般采用陰極調(diào)制的方式，也就是控制極接地，將視頻信號加到陰極上，此時(shí)陰極電壓越向負(fù)極變化，電子束流就越大，所以

3、稱負(fù)極性調(diào)制。這種調(diào)制方式對電子束的控制較強(qiáng)，調(diào)制靈敏度較高。 利用電子透鏡會聚電子束，并在熒光面上將電子束聚焦成小點(diǎn)。高速電子束流經(jīng)G2和G3構(gòu)成的予聚焦透鏡被壓縮變細(xì)，再經(jīng)G3、G4、G5構(gòu)成的聚焦透鏡進(jìn)一步聚焦，在熒光粉面上產(chǎn)生足夠小的光點(diǎn)。,(4)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用 ： 為了顯示一幅圖像，必須讓電子束在水平方向和垂直方向上同時(shí)偏轉(zhuǎn)，使整個(gè)熒光屏上的任何一點(diǎn)都能發(fā)光而形成光柵 磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 由兩組套在管頸外面的互相垂直的偏轉(zhuǎn)線圈組成，常為S/T型結(jié)構(gòu)，即：垂直偏轉(zhuǎn)線圈繞在磁環(huán)上為環(huán)形，水平偏轉(zhuǎn)線圈為空心鞍型；水平線圈放在垂直線圈里面，且緊貼管頸。,偏轉(zhuǎn)線圈的輸入：一般情況下，在水平偏

4、轉(zhuǎn)線圈上輸入行頻為15625Hz的鋸齒波電流，在垂直偏轉(zhuǎn)線圈上輸入場頻為50Hz的鋸齒波電流。 電子束著屏點(diǎn)偏移量：當(dāng)電流通過線圈時(shí)，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場，使電子束偏轉(zhuǎn)，如圖7-11所示。垂直磁場入射的電子束在磁場內(nèi)作圓周運(yùn)動，離開磁場后沿圓周切線射向熒光屏面 。,圖7-11 偏轉(zhuǎn)線圈上的電流,偏移量,PAL制式規(guī)定： 每幀625行，每秒25幀；隔行掃描，每幀兩場，每秒50場。每行水平掃描正程為52s，逆程為12s，場正程時(shí)間18.4ms，逆程時(shí)間1.6ms，垂直方向顯示575行。,(5)熒光屏,對熒光屏要求： 發(fā)光亮度和發(fā)光效率足夠高，發(fā)光光譜適合人眼觀察，圖像分辨力高、傳遞效果好，余輝時(shí)間適當(dāng)，機(jī)

5、械、化學(xué)、熱穩(wěn)定性好，壽命高。 熒光屏的組成： 由涂覆在玻殼內(nèi)表面的熒光粉層和疊于熒光粉層上面的鋁膜共同組成。黑白顯像管一般用兩種熒光粉（藍(lán)與黃，比例55：45）混合制得 制作方法： 一般采用沉積法，把洗凈烘干的玻屏放在涂膠機(jī)上，玻屏的傾角和轉(zhuǎn)速都可由涂膠機(jī)控制。向玻屏中心注入加有醋酸鋇等電解質(zhì)的熒光粉和水玻璃懸浮液，開啟涂膠機(jī)使其均勻涂布于玻璃基板上，經(jīng)烘干后即形成牢固的熒光粉層,金屬化熒光屏 ： 在熒光粉層表面蒸鍍一層0.10.5m的鋁膜，并使之與電子槍陽極相連. 可以提高圖像顯示性能。 金屬化熒光屏優(yōu)點(diǎn)： 鋁膜與電子槍的陽極相連，可防止介電性的熒光粉負(fù)電荷積累導(dǎo)致的熒光面電位下降(這會限

6、制亮度提高)； 鋁膜可將熒光粉所發(fā)向管內(nèi)的光線反射到觀察者一側(cè)，從而增高熒光屏亮度、改善對比度； 鋁層能有效阻擋管內(nèi)負(fù)離子對熒光粉的轟擊，防止熒光屏出現(xiàn)離子斑。,2彩色顯像管,彩色顯象管組成： 電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、三色組熒光屏、蔭罩 蔭罩 顯像管選色機(jī)構(gòu)，是彩管中特有的極為重要的組件 作用 當(dāng)顯像管工作時(shí)，蔭罩限制電子束著屏方向和著屏束徑，以保證電子束只能打中熒光屏面上規(guī)定的基色粉點(diǎn)(條)，即保證電子束正確選色。,彩色顯像管分類： 根據(jù)蔭罩管四個(gè)組成部分不同組合方式 品字型三槍三束蔭罩式彩管（簡稱蔭罩管） 單槍三束柵網(wǎng)蔭罩彩管（簡稱單槍三束管） 自會聚式彩管（簡稱自會聚管） 目前彩色電視機(jī)采用最

7、多的是自會聚管。,三槍三束蔭罩管結(jié)構(gòu),紅綠藍(lán)三基色點(diǎn)呈品字型 均勻交替排列在整個(gè)熒光屏上，,品字型排列、相隔120度、與管頸中軸線傾斜11.5度的小電子槍 。,蔭罩板上打有數(shù)十萬個(gè)小孔,數(shù)目達(dá)100萬顆以上,顯象管的結(jié)構(gòu),b 自會聚彩管典型結(jié)構(gòu)： 電子槍采用了三槍三束精密直列式結(jié)構(gòu) ， 采用精密環(huán)形偏轉(zhuǎn)線圈，實(shí)現(xiàn)了會聚自校正。,7.3液晶顯示,LCD是利用液晶的光學(xué)各向異性，在電場作用下對外照光進(jìn)行調(diào)制而實(shí)現(xiàn)顯示的。 7.3.1 液晶及其物理性質(zhì) 1 液晶的特點(diǎn)及分類 介于完全規(guī)則狀態(tài)(如固態(tài)晶體)與不規(guī)則狀態(tài)(如各向同性液體)之間的中間態(tài)物質(zhì)。 熱致液晶是指某些有機(jī)物加熱溶解后，由于加熱破壞

8、結(jié)晶晶格而形成的液晶。 溶致液晶是指某些有機(jī)物放入一定的溶劑中時(shí)，由于溶液破壞結(jié)晶晶格而形成的液晶。,根據(jù)分子的不同分類： 近晶型，也稱層狀液晶 由棒狀或條狀分子排列成層，層內(nèi)分子長軸相互平行，方向垂直于層面或與層面呈傾斜排列 分子層間作用力較弱，相互間容易滑動，呈現(xiàn)二維流體性質(zhì)，黏度高，具有正單軸晶體的雙折射性 向列型液晶，也稱絲狀液晶 由長徑比很大的棒狀分子組成，每一分子位置無規(guī)則，但整體分子軸向著同一方向 各個(gè)分子容易順著長軸方向自有移動，黏度小，易流動，仍具有正單軸晶體的雙折射性 膽甾型，也稱螺旋形液晶 和近晶型一樣具有層狀結(jié)構(gòu)，但層內(nèi)分子排列與向列型類似，分子長軸在層內(nèi)相互平行 各層

9、分子取向與鄰層都略有偏移，整體呈現(xiàn)可見光波長量級的螺旋結(jié)構(gòu)，具有旋光性、選擇性光散射性、偏振光二色性、負(fù)單軸晶體雙折射性,(b) 向列型 (c) 膽甾型,2熱致液晶的物理性質(zhì),(1)介電各向異性 液晶分子中偶極矩和分子長軸間的夾角的大小是決定液晶分子正負(fù)介電各向異性的關(guān)鍵數(shù)值。 的液晶稱為正性液晶，或稱P型液晶； 的液晶稱為負(fù)性液晶，或稱N型液晶。 (2)電導(dǎo)各向異性 電導(dǎo)率平行與垂直于分子軸方向的分量不同的特性，稱為電導(dǎo)各向異性。如向列型液晶總有,(3)粘度,液晶粘度對顯示器響應(yīng)時(shí)間和余輝時(shí)間產(chǎn)生較大影響 。 (4)雙折射 光在液晶這種各向異性物質(zhì)中傳播時(shí)會發(fā)生雙折射，相應(yīng)于正單軸晶體的液晶

10、稱為正雙折射液晶，或稱正光性液晶，向列型晶體的光軸與分子取向一致，一般有，,為正光性液晶。,液晶材料的物理性質(zhì)與顯示器性能參數(shù)關(guān)系表,7.3.2液晶的電光效應(yīng),1垂直排列相畸變效應(yīng),將具有負(fù)介電各向異性的液晶材料采取垂直排列方法使液晶分子垂直排列于基片表面后，利用液晶分子的高度雙折射性，給此液晶層施加電場控制分子的傾斜程度，則當(dāng)偏振光通過該液晶層后，將使偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，且所加電壓不同，經(jīng)檢偏器后顯示圖像的顏色就不同，液晶的這種電壓控制顏色變化從而進(jìn)行色相調(diào)制的電光效應(yīng)就稱為垂直排列相畸變效應(yīng)，又稱電控雙折射效應(yīng)(ECB)。,2扭曲向列效應(yīng),液晶分子在基片相對的兩個(gè)電極面上沿面排列且軸線互

11、相垂直，從基片一面到另一面，分子扭轉(zhuǎn) 。若上下玻璃板基片兩側(cè)偏振片的偏振方向互相垂直，則不加外場時(shí)，當(dāng)一束偏振光入射到液晶層時(shí)，由于液晶不均勻的光學(xué)特性，垂直于玻璃板壁的線偏振光通過液晶層后旋轉(zhuǎn)而透過檢偏器射出液晶層，稱為亮場；當(dāng)在液晶兩基片上加上足夠高的電壓(大于閾值電壓)時(shí)，則除兩基片壁上液晶分子外，中間部分的液晶分子取向要平行于電場，因而成為垂面排列，這樣，分子排列對入射偏振光沒有作用，光束不能通過液晶顯示器件，此時(shí)為暗場。,TFT-LCD技術(shù)發(fā)展簡介,TFT-LCD薄膜晶體管液晶平板顯示器。 利用液晶作為光閥的優(yōu)良特性把發(fā)光顯示器件分解成兩部分，即光源和對光源的控制。 LCD發(fā)明以來，

12、背光源在不斷地進(jìn)步，由單色到彩色，由厚到薄，由側(cè)置熒光燈式到平板熒光燈式。 對光源的控制，把半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路的技術(shù)和工藝移植過來，研制成功了薄膜晶體管（TFT）生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了對液晶光閥的矩陣尋址控制，,基本原理：顯示屏由許多可以發(fā)出任意顏色的光線的象素組成，只要控制各個(gè)象素顯示相應(yīng)的顏色就能達(dá)到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技術(shù)，為了能精確地控制每一個(gè)象素的顏色和亮度就需要在每一個(gè)象素之后安裝一個(gè)類似百葉窗的開關(guān)，當(dāng)“百葉窗”打開時(shí)光線可以透過來，而“百葉窗”關(guān)上后光線就無法透過來。,TFT顯示器組成：一般由一個(gè)夾層組成，組成這個(gè)夾層的每一層是偏光板、彩色濾光片組成，這兩層之間就

13、是液晶層。偏光板、彩色濾光片決定了多少光可以通過以及生成何種顏色的光。這個(gè)夾層位于兩層玻璃基板之間。在上層玻璃基板上有FED晶體管，而下層是共同電極，他們共同作用可以生成能精確控制的電場，電場決定了液晶的排列方式。目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶顯示器,TFT象素架構(gòu)如下圖所示，彩色濾光鏡依據(jù)顏色分為紅、綠、藍(lán)三種，依次排列在玻璃基板上組成一組（dot pitch）對應(yīng)一個(gè)象素每一個(gè)單色濾光鏡稱之為子象素（sub-pixel）。也就是說，如果一個(gè)TFT顯示器最大支持12801024分辨率的話，那么至少需要128031024個(gè)子象素和晶體管。對于一個(gè)15英寸的TFT顯示器（1024768）

14、那么一個(gè)象素大約是0.0188英寸（相當(dāng)于0.30mm）,TFT是在玻璃或塑料基板等非單晶片上（當(dāng)然也可以在晶片上）通過濺射、化學(xué)沉積工藝形成制造電路必需的各種膜，通過對膜的加工制作大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路（LSIC）。 在大面積玻璃或塑料基板上制造控制像元開關(guān)性能的TFT比在硅片上制造大規(guī)模IC的技術(shù)難度更大。對生產(chǎn)環(huán)境的要求（凈化度為100級），對原材料純度的要求（純度為99.999985），對生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)的要求都超過半導(dǎo)體大規(guī)模集成，是現(xiàn)代大生產(chǎn)的頂尖技術(shù)。,三星40英寸大屏幕TFTLCD顯示效果,7.4等離子體顯示,等離子體顯示是利用氣體放電產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象的平板顯示。 等離子體就是高度

15、電離化的多種粒子存在的空間，其中帶電粒子有電子、正離子，不帶電粒子有氣體原子、分子、受激原子、亞穩(wěn)原子等。,7.4.1氣體放電物理基礎(chǔ) 1 氣體放電與等離子體,7-21 PDP中氣體放電的伏安曲線,第一區(qū)為非自持放電區(qū)，其特點(diǎn)是起始帶電粒子由外界電離源引起，撤走電離源放電即停止。 第二區(qū)為自持暗放電區(qū)，此時(shí)放電電流很小( )，管壓降接近電源電壓。 第三區(qū)為過渡區(qū)，也叫欠輝區(qū)。圖中D點(diǎn)對應(yīng)的電壓稱為輝光放電著火電壓 ，也稱起輝電壓、擊穿電壓 。 第四區(qū)為正常輝光放電區(qū)，放電電流,第五區(qū)異常輝光放電 區(qū)。 第六區(qū)稱為第二過渡區(qū) G點(diǎn)對應(yīng)的電壓稱為弧光放電著火電壓。 第七區(qū)弧光放電區(qū) 。 可以通過控

16、制放電管中的氣體種類、壓強(qiáng)、端電壓、負(fù)載電阻等來控制氣體放電由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式或維持某種放電形式。,PDP一般工作在第2-4區(qū)組成的負(fù)阻區(qū)，其中輝光放電時(shí)放電管中的輝光區(qū)包括負(fù)輝區(qū)、正柱區(qū) 等，負(fù)輝區(qū)是PDP的主要發(fā)光源，而正柱區(qū)的本質(zhì)是等離子體，可用來激發(fā)熒光粉使其發(fā)光。 2 氣體放電理論 電子繁流理論 用以說明繁流放電中帶電粒子的增長規(guī)律。 巴邢定律 說明從非自持放電到自持放電的條件,7.4.2 PDP,等離子體顯示包括交流等離子體顯示(ACPDP)與直流等離子體顯示(DCPDP)。 1 ACPDP ACPDP結(jié)構(gòu) ：在兩塊厚3-6mm的玻璃板上制作條狀電極，并在電極上覆蓋一層介質(zhì)

17、（常為沉積一層低熔點(diǎn)玻璃），使電極不與放電氣體接觸。將制好的上下玻璃板電極按空間正交方式面對面相距0.1-0.15mm放置，四周用低熔點(diǎn)玻璃密封，之后再經(jīng)排氣、烘烤、充入總壓強(qiáng)(58)104Pa的Ne-Ar混合氣體(Ar占0.1%)后密封、老煉即可。,ACPDP結(jié)構(gòu),玻璃板 介質(zhì)覆蓋層 Ne-Ar氣體 Y電極 X電極 隔離玻璃,7-24 ACPDP結(jié)構(gòu),2 DCPDP,DCPDP結(jié)構(gòu) ：在兩塊玻璃板中間夾一塊鋁板，其上用光刻法制作許多小孔后再通過陽極氧化形成絕緣層；鋁板兩側(cè)交叉排列鉑金絲，形成空間正交的X、Y電極，交點(diǎn)在鋁板小孔處，電極與放電氣體接觸。四周用低熔點(diǎn)玻璃密封，之后再經(jīng)排氣、烘烤、

18、充入純Ne氣后密封、老煉即可。,DCPDP結(jié)構(gòu),1.鉑絲 2.玻璃板 3.X電極 4.Y電極 5.陽極氧化鋁板,7-26 DCPDP結(jié)構(gòu),彩色顯示,DCPDP中的直流自掃描顯示器(SSPDP)在彩色顯示中最受關(guān)注，它是利用稀有氣體輻射的紫外線激勵(lì)熒光粉發(fā)光而實(shí)現(xiàn)彩色顯示的。,顯示過程中只是在陰極掃描側(cè)放電，之后通過起火孔點(diǎn)燃穩(wěn)態(tài)氣體，擴(kuò)散到顯示側(cè)。其每行的工作原理如圖7-27。 在時(shí)鐘脈沖作用下，放電依次按預(yù)定方向沿該行各單元向下傳遞，直到最后一個(gè)陰極。第二個(gè)循環(huán)再重復(fù)以上過程。這樣，當(dāng)掃描側(cè)放電沿行逐個(gè)單元移動時(shí)，顯示側(cè)相應(yīng)各單元根據(jù)指令顯示出所希望的圖案。,7.5場致發(fā)光顯示,EL：固體發(fā)

19、光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象 按照場致發(fā)光激發(fā)過程不同其分為兩類： 注入式電致發(fā)光: 由直接裝在晶體上的電極注入電子和空穴，當(dāng)電子與空穴在晶體內(nèi)再復(fù)合時(shí)發(fā)光的現(xiàn)象。注入式電致發(fā)光的基本結(jié)構(gòu)是結(jié)型二極管（LED）。 本征電致發(fā)光 高場電致發(fā)光：熒光粉中的電子或由電極注入的電子在外加強(qiáng)電場作用下在晶體內(nèi)部加速，碰撞發(fā)光中心并使其激發(fā)/離化，電子在回復(fù)基態(tài)時(shí)輻射發(fā)光。大屏幕顯示有前途的發(fā)展方向 低能電致發(fā)光：是指某些高電導(dǎo)熒光粉在低能電子注入時(shí)的激勵(lì)發(fā)光現(xiàn)象。典型代表是熒光顯示 ，主要用在數(shù)字、文字、簡單圖形顯示等方面。,7.5.1 LED發(fā)展情況,20世紀(jì)60年代人們用GaAsP外延生長技術(shù)制

20、成了第一只實(shí)用化紅光LED 其后相繼問世的是橙色、黃色LED。 70年代綠光LED得以實(shí)現(xiàn)。 80年代初，高亮度LED拓展了LED的應(yīng)用范圍。 1991年，利用MOCBD外延工藝制作出的超高亮度紅、橙、黃LED更使LED走出室外。 1994年GaN超高亮度藍(lán)光LED問世及其后不久的超高亮度綠光LED，還有近年的紫光GaN LED研制成功，,7.5.2 有機(jī)薄膜發(fā)光顯示器（OLED）,1. OLED特點(diǎn)： (1) 發(fā)光效率高、亮度大； (2) 有機(jī)發(fā)光材料眾多、價(jià)廉且易大規(guī)模/大面積生產(chǎn) (3) 發(fā)光光譜覆蓋紅外到紫外，便于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示 (4) 材料的機(jī)械性能良好，易加工； (5) 驅(qū)動電壓低

21、 ，能與半導(dǎo)體集成電路的電壓相匹配，驅(qū)動電路易實(shí)現(xiàn) OLED已成為當(dāng)今超薄、大面積平板顯示示器件研究的熱門。,2 OLED器件結(jié)構(gòu),由夾在一個(gè)透明陽極和金屬陰極之間的有機(jī)層組成層狀結(jié)構(gòu)。 有單異質(zhì)結(jié)構(gòu)和雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。,由陰極注入的電子和陽極注入的空穴在發(fā)光層相互作用形成受激的激子。激子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，將其能量差以光子的形式釋放出來，光子的能量為: 其中h為普朗克常數(shù)， 為出射光子的頻率，2為激子在激發(fā)態(tài)的能量，1為激子在基態(tài)的能量。,3 OLED發(fā)光機(jī)制,4 OLED器件的分類,無源矩陣OLED ： 有機(jī)層夾在兩個(gè)互相垂直的電極層（陽極和陰極）間，發(fā)光像素按矩陣排列，被掃描像素在相應(yīng)行、列驅(qū)

22、動電壓的驅(qū)動下，流過電流而發(fā)光。 電極與發(fā)光層上、下分別有保護(hù)層與玻璃基板。 顯示器件結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，適于低信息量的顯示應(yīng)用，如字符、數(shù)字顯示器。 有源矩陣OLED ： 顯示面板上增加一層電子底板，每個(gè)像素通過在電子底板上相應(yīng)的薄膜晶體管和電容器來進(jìn)行獨(dú)立的尋址，采用恒定驅(qū)動電流，且多晶硅掃描電路都直接集成到底板上 減少了許多昂貴的、高密集的IC和與外圍設(shè)備相接的接口電路。 主要用于高分辨率、高信息量的顯示器，例如視頻和圖形顯示等。,7.5.3高場電致發(fā)光顯示,高場電致發(fā)光顯示一般分為交流粉末電致發(fā)光(ACEL)、直流粉末電致發(fā)光(DCEL)、交流薄膜電致發(fā)光(ACTFEL)、直流薄膜電致發(fā)光(DCTFEL)。,ACEL,DCEL,ACEL：將熒光粉(通常為 : )懸浮在介電系數(shù)很高、透明且絕緣的膠