第 8 章其他显示技术简介

第8章其他显示技术简介 • 8.1 CRT显示 • 8.2 PDP显示 • 8.3 ELD显示 • 8.4 FED显示 • 8.5 显示器件的选购和评价

8.1 CRT显示 概念：阴极射线管（CRT）是一种电真空器件，通过驱动电路控制电子发射和偏转扫描，受控电子束激发涂在屏幕上的荧光材料而发出可见光。 CRT最初在雷达显示器和电子示波器上使用，后来用于家用电视机和计算机终端显示，它是目前较为普及的一种显示器件。显像管有黑白显像管和彩色显像管两大类。 CRT结构示意图（静电偏转）

8.1.1黑白显像管的构造主要由电子枪和荧光屏两大部分组成。显像管管颈外套行、场偏转线圈。8.1.1黑白显像管的构造主要由电子枪和荧光屏两大部分组成。显像管管颈外套行、场偏转线圈。荧光屏如图所示部分: 最外层是玻璃，玻璃内表面均匀沉积10μm左右厚的荧光粉。荧光粉由银激活的硫化锌镉和硫化锌混合物，在高速电子轰击下能发出荧光。在荧光粉表面蒸发制成厚约1μm的铝膜。铝膜的作用：（1）便于在荧光屏上均匀地加上高压以便吸引电子束。（2）高速电子束轰击荧光粉发光时，可将射向反方向的光反射向观众，提高亮度。（3）能吸收高速电子束轰击荧光粉时产生的二次电子。（4）能阻挡管内负离子撞击荧光屏，延长荧屏寿命。

四极电子枪构造 • 电子枪由灯丝（钨丝）、阴极K（金属圆筒，顶上涂有氧化钡、氧化锶等材料，在高温下能大量逸出电子）、栅极（又叫控制极）G、第一阳极（又叫加速极）A1、第二阳极（又叫高压极）A2、第三阳极（又叫聚焦极）A3、第四阳极（又叫高压级）A4组成。第二阳极和第四阳极由金属线相连。

说明 • 电子枪和荧光屏制成后一起封装在玻璃壳内，在玻璃壳锥体部位内、外涂上石墨粉层，然后抽成真空（真空度10-5mmHg）。 • 石墨粉层的作用有两个： • 一是防止管外杂散磁场干扰电子束 • 另一个是内、外石墨层和玻壳制成耐高压的电容器。电容器容量视石墨层面积大小而定，一般在1300PF左右，用于对阳极高压进行滤波。 • 显像管制成后在管劲部位套上行、场偏转线圈。

8.1.2黑白显像管工作原理 • 将显像管各极上加上适合的电压后，管内形成电子束流轰击荧光屏，屏上产生一个亮点。此时，栅极与阴极之间是直流电压，电子束电流保持恒定，亮度不变。 • 将偏转线圈中通上合适的行、场锯齿波电流，在管颈部位产生线性变化的磁场，当电子束通过磁场时，由于电磁力的作用，控制电子束左右、上下高速扫描荧光屏，形成亮度均匀地“光栅”。 • 在显像管的阴极K与栅极G之间叠加上图像电压信号，控制电子束中的电子数量，使电子束流的变化与发送端被摄景物的亮度变化一致，保证电子束与电视摄像管中相同的规律扫描荧光屏（即同步），则荧光屏上像素信息与发送端对应像素的信息一致，由此即可重现电视图像。电子束聚焦——静电聚焦——电子透镜

8.1.3彩色显像管结构 • 彩色显像管和黑白显像管在结构上有三点不同：（1）黑白显像管电子枪射出的是一注电子束，而彩色显像管电子枪射出的是三注电子束； • （2）黑白显像管荧屏上涂的是一种荧光粉，在高速电子束轰击下发白光，而彩色显像管荧屏上涂的是红、绿、蓝三种荧光粉，在三注电子束分别轰击下显示红、绿、蓝三种基色光。 • （3）彩色显像管在荧光屏后面约10mm处设置一块金属板，金属板上有规律地打满小孔，称为荫罩板，又叫分色板，而黑白显像管内不设荫罩板。荫罩板的作用是使红、绿、蓝三注电子束只能轰击与之对应的荧光粉。以自会聚彩色显像管为例看结构的特点。自会聚彩色显像管结构

两种荫罩结构

8.2.0 PDP显示 • 等离子体显示器件（Plasma Display Panel，简记为PDP）可以说是由数码管演变过来的一种平板显示器件，是把数码管平板化，即把数码管的多层分布电极变成段电极，再进一步改变成行、列矩阵电极。PDP是利用气体放电而发光的平板型显示器件的总称，其放电发光显示面板是把以氖气（Ne）为主的稀有气体封入显示盒中，而彩色显示面板是在显示盒的前面涂上荧光粉，用氙气（Xe）激励使之发光显示。从电极结构上可分为间接放电型（交流型AC-PDP）和直接放电型（直流型DC-PDP）两类，前者是电极接在介质覆盖层的放电空间，即电极与放电气体不直接接触，后者则是电极暴露在放电空间。 • PDP具有薄型结构、无闪烁、对比度大、随机书写与擦除、固有的存储功能等特点，与其他平板型显示器件相比，能够实现大画面显示。此外，还有响应速度快、可利用荧光体自发光实现多色显示的特点。 • PDP主要应用于与计算机相关联的显示装置，例如办公自动化（OA）显示器。另一领域是壁挂式彩色图像显示。它是平板显示器中最早实现商品化的产品。

8.2.1PDP的气体放电物理现象 • PDP中的气体放电现象不仅在性能方面运用了气体放电发光原理，而且还与一般应用放电发光的器件在性质上有所不同。例如，PDP显示器在微小的放电空间上组成像素的单元进行工作，封入气体的压力也比一般应用放电发光的器件高出数十乃至数百倍。所以，PDP的放电现象本身就是研究的对象。气体放电现象： • 在放电单元上施加电压时，从阴极上释放出来的电子在电场作用下获得加速，并撞击封入的气体分子，激励和电离气体分子，产生激励原子、电子以及阳离子。电离产生的电子向阳极方向运动，而离子向阴极运动。当部分阳离子返回到阴极时，使气体中的绝缘层破坏，也就是点火开始。一般是由电子电离气体（α作用）和阳离子轰击阴极而释放二次电子（γ作用）两种效应复合作用的结果。

均匀电场中点火电压 • 设电极间距离为l时，产生点火的条件可用下式表示： • 式中，α为汤生（Townsend）第一电离系数，它是施加电压的函数；γ是二次电子释放系数。 • 若封入PDP的稀有气体的压力为P，则有下面的关系： • 通过以上二式可求得在平行板电极时，均匀电场中点火电压Uf之值为 • 式中，电场强度E=Uf/l；A，B是常数，稀有气体的A，B值如表所示。

点火电压Uf与pl的函数关系 从阴极上释放出的电子和气体分子碰撞而激发的原子，一部分能量或全部能量在10-8秒的极短时间内作为光而发射出去，释放能量。随后返回到较低能级上。从高能级E1(eV)回到低能级E2(eV)上时，发出的光波长为λ，其大小为 • 点火电压Uf与pl的函数关系称为巴邢（Paschen）定律。 • 实际上，放电单元不完全是平行板电极，因此必须对电场E加以修正。图表示了点火电压Uf与pl的函数关系的巴邢曲线。放电单元中的pl值要选择在比曲线最小值稍大些的范围。另外，处于激发能级上的不能发光的能级状态称为亚稳态。停留在10-4秒左右不发光的状态即为亚稳态。在亚稳态上的原子从别的电子、光子获得能量后上升到较高的激发能级上，这就是混合气体放电的潘宁（Penning）效应。它是利用亚稳态原子而发光的效应。

冷阴极放电管的放电电流-电压特性 • 在冷阴极放电中典型的电压-电流特性如图8-4所示。开始电压较小时，极间电流很小（10-10A），此时电流是背景（宇宙射线、放射源）辐射产生的少量自由电子所致；当电压升至接近点火电压时，电压稍增加些就可使电流增加两个数量级，此区域称为汤生放电区（I区）。其中电流剧增是电离倍增作用（在电场内被加速的电子碰撞气体原子）和二次电子发射（正离子轰击阴极产生）的复合过程。这是巴邢在1889年首先提出的，点火电压的大小取决于气体与极间距离之积pl。 • 图中II区是具有负阻特性的亚正常辉光区，又称欠辉区。这是一个过渡状态，在靠近阴极处形成一个反向空间电场，使局部电场与电流增加，而极间电动势减小（极间电压下降）。 • 正常辉光放电区（III区）上建立了有效气体电离的空间电荷分布，即压降最小且保持恒定，是稳定的放电区。随着电流的迅速增加，电压增加，则电流又上升进入异常辉光放电区（IV区），呈现正电阻性。此区域中辉光变得不均匀，随着电压上升阴极被加热，阴极上阴极辉光收缩处产生“热点”，形成热电子发射，有较大的电流密度。随着金属蒸发（阴极溅射）进入弧光放电区（V区），电压下降而电流剧增（负阻特性）。在设计PDP显示器时要避免工作至异常辉光放电区，以免进入弧光放电区使器件烧坏。通常采用给每一放电单元和电源之间串连一个电容或镇流电阻（在AC-PDP中是由介质层构成的电容，而在DC-PDP中则在每一个单元串联一个镇流电阻），使PDP工作在正常辉光放电区至异常辉光放电区（不要进入异常辉光放电区）。此区域辉光稳定，可以在最低的电压下获得最大发光亮度。

气体放电状态及电位分布模式 • 辉光放电中，阴、阳极之间的外观示意及电位分布见图所示。从外观上看，并不是整个放电管形成明亮的辉光，而是明暗交替的八个区域。即：阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗部和阳极辉光区。 • 在辉光放电中有四个发光区：负辉区、正柱区、阴极辉光和阳极辉光区。阴极辉光和阳极辉光区发光较弱，并且在有的场合下不存在。因此往往不能看到。正柱区不如负辉区发光强，而且放电单元间隙很小，故正柱区也不大出现。而负辉区则是主要发光区，而且正柱区还可用来激励荧光粉，使之发光。

分析 • 辉光放电中最重要的部分是阴极压降部分，放电电压大部分都降落在这里。阴极压降的特性可由正常辉光放电及异常辉光放电中导出。阴极压降部分上的电压UC、阴极电流密度j和阴极压降部分的厚度d之间的关系如下： • 式中，P为气体压力；ki为离子的迁移系数；ε0为真空介电常数。 • DC-PDP的放电单元工作电压及工作电流，即正常辉光放电的阴极电压Ucn及电流密度jn，在以平行板阴极为对象时，可推导出下面二式： • 式中，A，B，ki为稀有气体放电常数；γ为二次电子释放系数，对于功函数φ小的物质，其γ值较大。 • 从以上二式可知，Ucn随着γ值增大而下降，jn/p2则随着γ增大而增大。因此，当使用低电压提供所需要的工作电流时，应该尽量选择γ值大的阴极材料。 • AC-PDP和DC-PDP在结构上不相同，使用的阴极材料也不同，其特性也有所差异，但是他们在构成显示器件中所使用的玻璃基板、封入的气体以及在彩色显示中使用的荧光粉等材料却是相同的

8.2.2交流等离子体显示（AC-PDP） 材料:基本材料是平板玻璃，在玻璃基板内侧面上配置了电极，电极材料使用银（Ag）浆的导电胶、金属Cr-Cu-Cr的三层导电膜或金属Cu-A1合金导电膜等材料，采用丝网印刷或蒸镀技术制作具有一定图形的电极。覆盖在电极上的介质层是使用玻璃胶或SiO2等材料，并同样采用丝网印制或蒸镀技术来制作电解质层。使用MgO等的金属氧化物表面保护膜也是采用丝网印制或蒸镀技术来制作。这样在玻璃基板上，组成覆盖着三层薄膜的结构，四周用玻璃粉进行气密封。在显示器件背面设置排气口，安装在真空装置上，在真空排气的高温恒温槽里进行器件内部不纯气体的脱气处理。然后再进行封气，将氖气（Ne）为主体的、混入微量氩气（Ar）或氙气（Xe）的混合气体在3.9~3.99kPa气压下封入器件内。最后，再将封入口进行密封而制得AC-PDP显示器件。 • 1 AC-PDP的结构与材料 • 结构：在两块经过研磨的玻璃基板上制作行、列条形电极，在电极表面上沉淀一层低熔点的介质层，两块玻璃基板形成行、列矩阵空间交叉电极，板间距保持在0.1mm左右的间隔，两板之间的空间封入以氖为主体的混合气体。在介质层上制作MgO之类的保护膜，以防止离子碰撞介质层而造成劣化。曾经使用过的保护膜还有SiO2，Al2O3等金属氧化物。结果证明MgO膜不仅有防止介质劣化的效果，同时由于其功函数小，还具有点火电压低的良好特性，使AC-PDP的寿命较长。可以说制作MgO保护膜促进了AC-PDP显示器件的实用化。

2 AC-PDP的工作原理 • 原理：在任意两条交叉电极（Xi和Yj）上施加维持电压Us时，因其幅度低于着火电压Uf，故相应交叉点并不发光，参见图8-7所示。如在维持电压Us间歇期间加上书写脉冲UW，使其幅度超过着火电压Uf，则该单元放电发光。放电时形成的正离子和电子在电场作用下分别向瞬时阴极和瞬时阳极移动，并被积累在介质表面，形成壁电荷Qω。在外电路中壁电荷Qω形成壁电压Uω，其方向与外加电压相反，因此单元壁一旦形成壁电荷，则加在单元上的净电压低于着火电压，使放电暂时停止。可是当外加电压反向时，则同壁电压相叠加，其峰值超过着火电压，又产生一次放电发光，然后重复上述过程。这样，单元一旦着火，就由维持电压来维持脉冲放电，这就称为单元的存储性。如果要想使已发光的单元停止发光，可在维持电压前部间歇期间施加擦除脉冲Ue，产生一次微弱的放电，将壁电压中和，单元就停止发光。由上可知，AC－PDP是断续的脉冲发光，在维持电压的每个周期内产生两次放电，两次发光。维持信号的频率一般在10kHz以上，故每秒可发光两万次以上，大大超过人眼的闪烁频率（50Hz）。因此，AC-PDP的脉冲发光并不使人感到闪烁。 AC-PDP的工作电压为90~150V左右，驱动电路使用混合集成电路、高压MOS IC。目前改用移位寄存器、锁存器、计数一译码器等组成的模块式单元大规模集成电路（LSI）。 AC-PDP的电极呈空间正交，每一个交叉点就是一个像素，形成像素阵列。

8.2.3直流等离子体显示（DC-PDP） 1 DC-PDP的结构与材料 • 结构: • DC-PDP的结构多种多样，典型的是图所示的自扫描PDP（即SS-PDP）结构。由图可明显地看出，这是行、列电极直接暴露在放电空间的直接放电方式。该结构的特点是：各个放电单元小孔做在中心绝缘板（或称为隔离阻挡板）上，封入与AC-PDP一样的气体（即以氖气为主体的混合气体）。为了防止离子碰撞而损伤阴极，在封入的混合气体中添加了微量的水银（Hg）。中间的隔板带有开孔，可以有效地控制放电的扩展和彩色显示时色光的失真。由于阴极是每隔两根共同相连，包括复位阴极在内仅四组驱动电路，大大减少了驱动电路的路数。处于阴极上所开的辉光引出孔（也叫做潘宁孔），由辅助放电而产生的荷电粒子、亚稳态离子等被吸引到显示单元上，使显示单元放电稳定，确保形成放电闪烁。以上介绍的是DC-PDP的基本结构形式，其他还有多种结构形式，无非是进一步增加视角，获得低阻抗、高透明导电膜，使放电动作更加稳定等。但其基本结构，如行、列电极、阳极、阴极、上下玻璃基板等都差不多。

材料 • 材料: • 作为玻璃基板，通常采用一般的平板玻璃经研磨加工、清洁处理后即可使用。 • 电极材料可使用镍（Ni）浆做阴极，银（Ag）浆做阳极，采用丝网印刷技术涂敷在玻璃基板上。也可使用Fe-Ni合金或Fe-Ni-Cu合金薄板，用化学腐蚀加工成条形电极。 • 隔离放电单元的隔板，SS-PDP使用开孔的感光玻璃，改进型使用掩模板，其他还可使用化学腐蚀开孔的玻璃薄板。 • 扫描阳极都是在玻璃基板上用化学腐蚀方法加工成沟槽状，阳极埋藏在沟槽内。 • 使用专用夹具来组装面板，基板四周用玻璃粉进行气密封。 • 其内部的脱气处理和气体封入技术与AC-PDP几乎相同。DC-PDP封入气体的气压为13.3～49.9kPa，封入稀有气体之后把盛有水银或水银吸收剂的小盒加热，使水银蒸气封入小盒内。

2 DC-PDP工作原理 • 参见图8-9，SS-PDP的扫描阳极通过负载电阻连接在一起，扫描阴极每隔两条相连，组成三相（Φ1，Φ2，Φ3)，需加三相移位脉冲来驱动，驱动信号波形如图所示。点火电极上施加恒定的电压，使之不断放电，向复位阴极ΦR提供初始粒子。由环行计数器输出三相移位脉冲，从复位阴极ΦR开始，逐渐在Φ1，Φ2，Φ3上扫描，从而使放电逐步推进到最后一条阴极，再返回ΦR开始第二次扫描循环。这种放电空间位置随着三相移位脉冲的移动与图8-18所示的转移过程是相同的，只不过此处为三相移位，故也叫做自扫描，它是借助辉光放电扫描原理进行的。 • 扫描放电时，显示阳极一侧观察不到发光，仅当显示阳极上施加显示信号的瞬间，由扫描部分通过辉光引出孔向扫描放电位置相对应的显示部分提供初始粒子，对应的显示放电空腔才优先着火，使显示一侧出现光点。因此，扫描部分（由扫描阴极和扫描阳极组成）一直扫描放电，而显示板的光点位置仅决定于扫描电压和显示信号的相位关系。

关于辉光放电扫描原理进一步说明 • 假定显示板上某单元A放电，此时它会产生大量的带电粒子，并迅速向邻近单元B扩散，因而使这些单元的着火电压降低（同单元A相比）。换句话说，最邻近的单元比较远的单元优先着火，因为扩散形成的带电粒子浓度的梯度是时间和距离的函数，离扩散源近的地方的带电粒子浓度总是高于较远处的浓度。 • 由此可知，在三相扫描时电极1，4，7都同时施加电压，但是由于电极1离点火电极最近，所以它比4，7等电极优先着火。同理，电极1着火之后可向电极2提供大量初始粒子。当在电极2上施加移位脉冲时，也可使电极2比电极5，8优先着火。由于在扫描电极上施加的是三相移位脉冲，故可将光点从第一条电极逐个地移动到最后一条电极，实现了三相扫描。

8.3 ELD显示 • 概念：电致发光（EL）是在半导体、荧光粉为主体的材料上施加电压而发光的一种现象。 • 类型：本征型电致发光（本征EL）电荷注入型电致发光（注入EL） • 本征型EL：是把ZnS等类型的荧光粉混入纤维素之类的电介质中，直接地或间接地夹在两电极之间，施加电压后使之发光； • 注入型EL：典型器件是发光二极管（LED），在外加电场作用下使P-N结产生电荷注入而发光。 • 本节介绍本征型电致发光显示器件，简称电致发光显示器件（ELD）。

8.3.1 ELD的分类及其特征 从发光层材料分从结构分从驱动方式分 • 无机EL已经达到实用化EL，其荧光体母体都是以硫化锌为主体的无机材料。 • 薄膜型交流EL具有高辉度、高可靠性等特点，主要用于发橙黄色光的平板显示器； • 分散型交流EL价格低，容易实现多彩色显示，常用做平面光源，例如液晶显示器的背光源。 • 对于有机EL主要是薄膜型交流驱动电致发光元件，其他类型还没有达到实用化。发光层以粉末荧光体的形式构成发光层以致密的荧光体薄膜构成

电致发光显示器的特点 优点： • （1）图像显示质量高。ELD为主动发光型器件，具有显示精度高（8条/mm以上），精细柔和，对眼睛刺激小等优点。特别因其自发光、视角大，对于显示精度要求高的汉字显示十分有利。 • （2）受温度变化的影响小。工作温度范围在-40~ +85℃之间。EL的发光阈值特性决定于隧道效应，因此对温度变化不敏感。这一点在温度变化剧烈的车辆中应用有明显的优势。 • （3）EL是目前所知惟一的全固体显示元件，耐振动冲击的特性极好，适合坦克、装甲车等军事应用。 • （4）具有小功耗、薄型、质量轻等特征。在发光型显示器件中，EL功耗最小。ELD的厚度一般在25mm以下。对于微机用EL显示器，重量一般为500g。 • （5）快速显示响应时间<lms。 • （6）低电磁泄漏（EMI）。缺点：相对说来，EL的工作电压较高，彩色化进展缓慢并且价格昂贵，因此以往的EL显示器，主要使用在其他显示技术不能简单地适应的特殊要求场合。而今装备和系统设计者可以在更加广泛的领域应用EL显示器。由于EL改进了图像质量，具有更长的寿命和更高的可靠性，完全满足了用户日益增长的要求。此外，由于EL提供了正确的解决方法以及易于使用，更好地满足了用户的需求。作为一种新技术，显示创新的步伐非常迅速。在发光膜亮度方面的戏剧性改进；驱动电路的开发扩展了显示器寿命；亮度、对比度的重大改善；减小功耗；专门的灰度算法；改进包装以缩小尺寸；增强抗振动冲击以及彩色开发，所有这些使EL平板显示成为工业标准。大量关键性专利加上良好的制作工艺保证了EL平板显示的地位。

8.3.2 ELD的基本结构及工作原理 • 荧光体粉末的母体材料是ZnS，其中添加了作为发光中心的活化剂和Cu，Cl，I及Mn原子等，由此可得到不同的发光颜色。 • 粘结剂中采用介电常数较高的有机物如氰乙基纤维素等。 • 发光层与背电极间设有介电体层以防止绝缘层被破坏。 • 1 分散型交流电致发光结构原理荧光体粉末分散在有机粘结剂中基板 • 这一类型的EL元件由Sylvania公司最早开发，为第一代EL结构形式的代表，广泛应用于液晶显示器的背光源。分散型交流EL元件的基本结构

分析 • 分散型交流EL元件的发光机理简述如下：ZnS荧光体粉末的粒径约为5~30µm，通常在一个ZnS颗粒中会存在点缺陷及线缺陷。电场在ZnS颗粒内会呈非均匀分布，造成发光状态变化。在ZnS颗粒内沿线缺陷会有Cu析出，形成电导率较大的CuxS，CuxS与ZnS形成异质结。可以认为，这样就形成了导电率非常高的P型或金属电导状态。当施加电压时，在上述CuxS/ZnS界面上会产生高于平均电场的电场强度(105~106V/cm)。在这种高场强作用下，位于界面能级的电子会通过隧道效应向ZnS内注入，与发光中心捕获的空穴发生复合，产生发光。当发光中心为Mn时，如上所述发生的电子与这些发光中心碰撞使其激发，引起EL发光。 • 分散型交流EL元件的最大问题是稳定性差，即寿命短。稳定性与使用环境和驱动条件都有关系。对于环境来说，这种元件的耐湿性很弱，需要钝化保护。对于驱动条件来说，当电压一定时，随工作时间加长，发光亮度下降；尤其是驱动频率较高时，在高辉度下工作会更快地劣化。可定义亮度降到初期值一半的时间为寿命，或称为半衰期。第一代EL的开发初期最长寿命仅100小时。随着荧光体粉末材料处理条件的改善，为了防湿采用树脂膜注入以及改良驱动条件等措施，在驱动参数为200V、400Hz的条件下，其寿命已能达到2500小时。

2 分散型直流电致发光结构原理 • 分散型直流EL元件的基本结构如图8-11所示。在玻璃基板上形成透明电极，将ZnS：Cu，Mn荧光体粉末与少量粘结剂的混合物均匀涂布于上，厚度为30~50µm。由于是直流驱动，应选择具有导电性的荧光体层，为此选用了粒径为0.5~1µm的较细的荧光体粉末。将ZnS荧光体浸在Cu2SO4溶液中进行热处理，使其表面产生具有导电性的CuxS层，这种工艺叫做包铜处理。最后再蒸镀Al，形成背电极，从而得到EL元件。

分析 • 分散型直流EL元件制成之后，先不让它马上发光，而是在透明电极一侧接电源正极，Al背电极一侧接电源负极，在一定的电压下经长时间放置后，再让其正式发光。在这个定形化（Forming）处理过程中，Cu2+离子会从透明电极附近的荧光体粒子向Al电极一侧迁移。结果在透明电极一侧会出现没有CuxS包覆的、电阻率高的ZnS层（脱铜层）。这样，外加电压的大部分会作用在脱铜层上，使该层中形成106V/cm的强电场。在此电场的作用下，会使电子注入到ZnS层中，经加速成为发光中心。例如，直接碰撞Mn2+会使其激发，引发EL发光。

3 薄膜型交流电致发光 • 薄膜型交流EL元件是将发光层薄膜夹于两层绝缘膜之间组成三明治结构形式，其基本结构如图8-12所示。在玻璃基板上依次沉积透明电极、第一绝缘层、发光层、第二绝缘层、背电极（A1）等。发光层约0.5~lµm，绝缘层厚0.3~0.5µm，全膜厚只有2µm左右。在EL元件电极间施加200V左右的电压，即可使EL发光。由于发光层夹在两层绝缘层之间，可防止元件的绝缘层被破坏，故在发光层中可以形成稳定的106V/cm以上的强电场。并且，由于致密的绝缘层保护，可防止杂质及湿气对发光层的损害。

分析 • 从发光机制来说，可用ZnS:Mn系荧光体的碰撞激发来解释。即，当施加的电压大于阈值电压Vth时，由于隧道效应，从绝缘层与发光层间的界面能级飞出的电子被106V/cm的强电场加速，使其热电子化，并碰撞激发Mn等发光中心。被激发的内壳层电子从激发能级向原始能级返回时，产生EL发光。激发发光中心的热电子，在发光层与绝缘层的界面上停止移动，即产生极化作用。这种极化电场与外加电场相重叠，在交流驱动施加反极性脉冲电压时，会使发光层中的电场强度加强。 • 两层绝缘膜结构的ZnS:Mn在制成之后开始工作的一段时间内，辉度－电压特性会发生变化，然后渐渐达到稳定状态。这是制作时导入的各种变形、不稳定因素及电荷分布不均匀性等逐渐趋于稳定的过程，该过程就是老化，并非元件性能的劣化。老化充分的元件，其性能极为稳定，工作20 000小时以上，辉度不会明显降低。

4 薄膜型直流电致发光 • 这种电致发光元件结构简单，在薄膜发光层的两侧直接形成电极即可。迄今为止已试做过各种各样的元件，由于没有绝缘膜保护，很难维持稳定的强电场，故至今未能达到实用化。

5 有机薄膜电致发光 • 上述EL元件的发光层都是由无机材料做成的，另外还有一种以有机薄膜为发光层及空穴输送层的注入型薄膜EL元件，在有的文献中称为OLED。 • 有机EL的起源可追溯到1963年，Pope等人以蒽单晶外加直流电压而使之发光，但当时驱动电压高（100V），且发光亮度和效率都比较低，并没有引起太多的重视。直到1987年，美国Kodak公司的Tang等人以8－羟基铝喹啉（Alq3）为发光材料，把载流子传输层引入有机EL器件，并采用超薄膜技术和低功函数碱金属作注入电极，得到直流驱动电压低（<10V）、发光亮度高（>1 000cd/m2）和效率高（1.5 lm/W）的器件后，才重新引起人们对有机EL的极大兴趣。1990年，英国Burroughes等人以聚对苯撑乙烯（PPV）为发光材料，制成了聚合物EL器件，将有机EL的研究开发推广到大分子聚合物领域。在过去的十几年里，有机EL作为一种新的显示技术已得到长足的发展。日本先锋公司于1997年已将用于汽车的低信息容量的有机ELD投放市场。 • 近几年来，进入这个领域的学术界和工业界研究小组日益增多，努力开发和研究物理性能优良的有机材料，探索新的制膜工艺，改进器件结构，发展有机EL显示技术，研究相关的发光机理等是这一研究工作的主要目标。目前有机EL的研究重点是：研制高稳定性的RGB三基色和白色器件以向实用化前进，并在此基础上研究用于动态显示的矩阵屏及实现高质量动态显示的驱动电路。 • 有机薄膜型电致发光之所以成为国际上的研究重点，是因为OLED能提供真正像纸一样薄的显示器，它又薄（总厚度不到1µm）又轻，具有低功耗（驱动电压5~10V），广视角，响应速度快（亚微妙级），工作温度范围宽，成本低，易实现全彩色大面积显示等一系列优点。目前，在用于大信息量的彩色显示时，有机EL与无机EL各有优缺点。

有机EL和无机EL比较表

OEL元件 • 有机EL的发光层由铝喹啉络合物（Alq3）形成，空穴输送层由二胺系化合物真空蒸镀形成，将二者夹在ITO电极与MgAg电极之间就构成了OEL元件，如图8-13所示。这种元件的发光色为绿光。若施加10V左右的直流脉冲电压，其辉度可达1000cd/m2以上，发光效率可达1.5lm/W。

实现全彩色显示的方式 • 后来又出现了将发光层与电子输送层相分离从而具有三层结构的有机薄膜EL元件。这种元件的电子输送层采用二萘嵌苯，空穴输送层采用二胺系化合物，以提高载流子输送功能以及从电极向载流子的注入效应。有机材料的荧光体本身即是其发光色，因此可通过材料化学结构的变化很方便地选择发光色，从而获得从蓝色到红色的EL发光。 • 前面已经提到，有机EL比无机EL易于彩色化，主要是有机EL比较容易解决蓝色发光问题，从而更容易实现全彩色显示。实现全彩色显示的方式主要有以下几种： • （1）RGB三色各点分别采用三色发光材料独立发光； • （2）将蓝色显示作为色变换层，使其一部分转变为红色和绿色，从而形成RGB三基色； • （3）使用白色有机EL为背光，采用类似LCD所用的彩色滤光片来达到全彩色的效果； • （4）使用特殊材料，在不同的驱动电压下显示不同的颜色； • （5）激光共振方式； • （6）将红、绿、蓝三色发光膜重叠起来构成彩色像素。 • OLED是光电化学及材料科学领域内一个热门的研究课题，被认为是LCD最强有力的竞争者，预计在未来3~5年内将成为一种重要的电子显示器。

8.4 FED显示 • 本节介绍FED的发展概况，重点介绍其显示原理、FED的构成及制作工艺，概要介绍彩色FED。 • 一、FED发展概况 • 场发射显示器（FED）——即场致发射阵列平板显示器，或称为真空微尖平板显示器（MFD），是一种新型的白发光平板显示器件，它实际上是一种很薄的CRT显示器。 • FED是20世纪80年代末刚问世的真空微电子学的产物，兼有有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）和传统CRT的主要优点，显示出强大的市场潜力。其工作方式与CRT类似，但厚度仅为几毫米，亮度、灰度、色彩、分辨率和响应速度可与CRT相媲美；且工作电压低、功耗小、无X射线辐射，成为CRT的理想替代品。另外，FED不需背光，视角大，工作温度范围宽等优点也对目前平板显示器的主流产品AMLCD提出了严峻的挑战。 • 制作FED的关键是如何形成阵列状的微尖锥结构，一般需要采用薄膜技术和微加工技术。这一方法首先由斯坦福国际研究所的C.A.Spindt研制成功。法国政府实验室LETI对Spindt的方法作了一些改进，于1990年研制出第一个15cm单色FED显示器，1992年成立了Pixel公司。这是一家跨国公司，先后有美国Texas Inst．，Ravtheon和日本Futaba等公司加入。该公司1994年在法国Montpelier建立了世界上第一座FED生产厂，计划年产10万支30cm以下的FED。这个公司1995年更名为TixTech，当年9月即宣称FED产品即将上市。 • 制作FED所需的薄膜技术和微加工技术类似于其他平板显示（例如薄膜型ELD）和超大规模集成电路（VLSI）技术，工艺上已经趋于成熟，易于大规模生产以降低成本。加上其CRT和AMLCD的优点兼备，所以它刚一出现就引起了世界各大公司的极大重视，并迅速投入FED的研制和开发，目前已有13~15cm的FED商品面市，并且已经彩色化，不久将会有25cm或更大尺寸的FED显示器出现。 • 总的说来，FED本质上是由许多微型CRT组成的平板显示器，具备下列优点： • （1）冷阴极发射； • （2）低工作电压； • （3）自发光和高亮度； • （4）宽视角和高速响应； • （5）很宽的环境温度变化范围。 • 由于这些优点，FED已被认为是未来起重要作用的一种平板显示器件和技术，甚至有可能在办公设备和家用显示器件方面取代CRT显示器。当然，从商品化角度，FED还需要一定的时问对工艺和制造技术进一步完善。

二、FED显示原理 • 图8-14示出一个真空微电子管的结构：中间有一个曲率很大的尖锥状发射阴极，靠近阴极的是圆孔状的栅极，阴极尖锥处于栅极孔的中央，而阳极在阴极尖锥的顶部，阳极板上涂有磷光层。当栅极相对于底电极加正向电压时，在阴极尖锥的尖端将产生很强的电场。如果电场强度>5×107V/cm，由于隧道效应，电子将从阴极内部穿出飞向阳极并使磷光物质发光。阴极发射的电子束受阴极尖锥部电场强度和栅极电压的控制。每个像素有数千个微电子管，即使有一些发射尖锥失效也不会影响像素显示，这一特点非常有利于提高成品率。如果在这些微尖锥发射阵列上加上矩阵选址电路，就构成了FED。 FED结构原理示意图

三、FED的构成及制作工艺 • FED平板显示器是一个电真空器件，由两块平板玻璃封接而成，如图8-33所示。两块平板玻璃之间有200µm的间隙，并用玻璃隔离子支撑。底版上有一个排气管可抽气。显示器件的阴极由交叉金属电极网组成，一层金属带连接阴极，正交的金属带连接栅极，两层金属带之间由1µm厚的绝缘层分开，每一个像素由相交的金属带行列交叉点所选通，而每一个金属带交叉点像素中包含了大量的钼微尖（>1000微尖/像素）。涂有荧光粉的屏对应于像素安放。阴极-栅极之间加有低于100V的电压，被选通的像素将发射电子，阳极的加速电压为200~400V。 • FED的制造过程与LCD很类似，采用的玻璃平板相同，薄膜沉积和光刻技术也很相似。制作阵列状的微尖锥结构时，采用两步光刻工艺，即：首先对微孔阵列光刻，这一步有很高的光刻精度（<1.5µm），可用紫外光步进曝光来实现；然后用蒸发和刻蚀制造微尖。 • 用上述方法制造的阴极必须满足三点要求： • （1）在整个表面上具有均匀的电子发射； • （2）提供充分的电流，以便在低电压下获得高亮度； • （3）在微尖和栅极之间没有短路。 • 为了满足以上要求，应采用下面两项技术: • （1）在导通的阴极和选通的微尖之间利用一个电阻层来控制电流，使每一选通的像素含有大量的微尖，可保证发射的均匀性； • （2）高发射密度（1×104微尖/mm2）和小尺寸（直径<1.5µm），使得在100V激励电压下获得l mA/mm2的电流密度，从而实现高亮度。

采用上述方法制造的一种15cm FED单色显示器的性能 • 激励面积（mm2） 110x90 • 行列数 256×256 • 光点尺寸（mm2） 0.12 • 微尖密度（mm-2） 104 • 阳极-阴极空间（µm） 200 • 阴极-栅极电压（V） 80 • 阴极-阳极电压（V） 400 • 辉度（cd/m2） 150~300 • 对比度 >100:1 • 响应时间（µs） <2 • 寿命（h） >5000 • 平均功率耗散（屏）（W/cm2） l • 视角全视角

说明 • 作为计算机终端显示，采用脉宽调制方法可实现16级灰度。随着寻址技术的改进，总功耗（包括阳极和驱动器的功耗）约为4.5W，可用于便携式设备。 • 在FED中，阴极和阳极之间的电压只有400V左右，与CRT的20kV相比，荧光材料的发光效率较低，可采用用于真空荧光管（VFD）的低压荧光粉，例如:ZnO:Zn荧光粉，其白光发光效率可达3 lm/W。对于彩色显示器，白光发光效率为2 lm/W。 • 近年来，采用高工作电压阳极的结构和技术也在研究之中，形成高压阳极和低压阳极两种不同的FED结构。高压阳极必须工作在5000V以上，在FED中只有加大阳极和阴极之间的距离，以避免阳极和阴极的击穿。实验表明，阳极和阴极间距离为200µm时，阳极临界电压是500V；当阳极和阴极间距离达到2000µm时，阳极电极可达5000V。 • 低压阳极结构和高压阳极结构相比有两个优点：不需要电子聚焦装置和具有低价的可重复性生产技术。实际上，在200µm间距时，只要采用简单三极管显示器结构就可在29cm的SVGA显示器上获得96µm的光点尺寸，PixTech的13~15cm低压单色FED在600V阳极电压下辉度达1200cd/m2；在500V电压下，彩色FED达300 cd/m2。低压结构也做出了25cm的FED显示器。

8.5 显示器件的选购和评价 • 用于显示信息的显示器件作为人和机器交换信息的接口界面，犹如人的面容一样，显得更为重要。不仅需要修饰得美观、得体、大方，而且应能“眉目传情”，清晰、准确、可靠地传递信息。为此，设计者往往要在这一方面花费不少的心血。然而在实践中往往不尽人意，甚至事与愿违。事实上并非设计者水平不高，大多是由于对现代显示技术陌生或显示器件选购上的经验主义，缺少统一的评价标准和选购规范所致。以下就显示器件总体性能、选用原则和综合评价等进行描述。 • 本节将液晶显示器件与CRT、LED、VFD、EL、PDPDE进行比较，介绍显示器件选用时的用途原则、电路原则、经济原则，综合评价的范围与规格的选定。

一、显示器件总体性能比较 • 阴极射线管（CRT）是一种电真空器件，通过驱动电路控制电子发射和偏转扫描，受控电子束激发涂在屏幕上的荧光材料而发出可见光。其主要特点是：可用磁偏转或静电偏转驱动、亮度高、彩色鲜艳、灰度等级多、寿命长、实现画面及活动图像显示容易；但需要上万伏的高压、体积大、笨重、功耗大。CRT最初在雷达显示器和电子示波器上使用，后来用于家用电视机和计算机终端显示，它是目前最为普及的一种显示器件。

等离子体（PDP）是利用稀有气体放电现象产生电信号到光信号的转换。置于两个电极下的稀有气体，例如氖（Ne）、氙（Xe），当两个电极的电压由零逐渐增大时，开始电流很小；随着电压增加，电流也增加；当电压加大到某一值（点火电压）时，会使本来几乎不导电的气体电离而变成良导体，因电离而形成的正离子撞击负电极又产生二次电子发射，从而发出光信号。PDP的主要特点是:平板型，可实现大面积和大型显示、彩色、无闪烁、对比度大、可随机书写和擦除、功耗小、视角大；但亮度低、工作电压较高。PDP可用于文字、图形和图像显示，它是实现薄型、大面积壁挂式电视最具前景的器件。等离子体（PDP）是利用稀有气体放电现象产生电信号到光信号的转换。置于两个电极下的稀有气体，例如氖（Ne）、氙（Xe），当两个电极的电压由零逐渐增大时，开始电流很小；随着电压增加，电流也增加；当电压加大到某一值（点火电压）时，会使本来几乎不导电的气体电离而变成良导体，因电离而形成的正离子撞击负电极又产生二次电子发射，从而发出光信号。PDP的主要特点是:平板型，可实现大面积和大型显示、彩色、无闪烁、对比度大、可随机书写和擦除、功耗小、视角大；但亮度低、工作电压较高。PDP可用于文字、图形和图像显示，它是实现薄型、大面积壁挂式电视最具前景的器件。

电致发光（EL）是在半导体、荧光粉为主体的材料上施加电压而发光的-一种现象，可分为本征型电致发光（本征EL）和电荷注入型电致发光（注入EL）两大类。本征型电致发光是把ZnS等类型的荧光粉混入纤维素之类的电介质中，直接地或间接地夹在两电极之间，施加电压后使之发光。电荷注入型电致发光是使用GaAs等单晶半导体材料制作P－N结，直接装上电极，施加电压后在电场作用下使P－N结产生电荷注入而发光。注入型EL的典型器件是发光二极管（LED），将在下面加以说明。电致发光显示器件也是平板型结构，可实现大面积显示，功耗小、制作简单、有多种彩色；但工作电压高、亮度低、寿命短。ELD多用于各种计量仪表的表盘上，作为数字、符号显示，也可用做图形/图像显示，但因目前寿命和造价不太理想，故而还没有得到推广。值得一提的是近几年发展起来的有机电致发光显示（OLED），具有视觉宽、响应速度快、低电压驱动、高亮度、高对比度、色彩丰富、工艺简单、成本低等一系列优点，还可以在塑料、树脂等不同的材质上生产，实现软屏化（或叫做屏幕纸面化）。只是目前寿命只能达到5000小时左右，约为LCD的一半，适合于车载播放器、掌上电脑、数码相机等不经常使用的设备。有专家预测，OLED将成为显示器市场的主流。电致发光（EL）是在半导体、荧光粉为主体的材料上施加电压而发光的-一种现象，可分为本征型电致发光（本征EL）和电荷注入型电致发光（注入EL）两大类。本征型电致发光是把ZnS等类型的荧光粉混入纤维素之类的电介质中，直接地或间接地夹在两电极之间，施加电压后使之发光。电荷注入型电致发光是使用GaAs等单晶半导体材料制作P－N结，直接装上电极，施加电压后在电场作用下使P－N结产生电荷注入而发光。注入型EL的典型器件是发光二极管（LED），将在下面加以说明。电致发光显示器件也是平板型结构，可实现大面积显示，功耗小、制作简单、有多种彩色；但工作电压高、亮度低、寿命短。ELD多用于各种计量仪表的表盘上，作为数字、符号显示，也可用做图形/图像显示，但因目前寿命和造价不太理想，故而还没有得到推广。值得一提的是近几年发展起来的有机电致发光显示（OLED），具有视觉宽、响应速度快、低电压驱动、高亮度、高对比度、色彩丰富、工艺简单、成本低等一系列优点，还可以在塑料、树脂等不同的材质上生产，实现软屏化（或叫做屏幕纸面化）。只是目前寿命只能达到5000小时左右，约为LCD的一半，适合于车载播放器、掌上电脑、数码相机等不经常使用的设备。有专家预测，OLED将成为显示器市场的主流。 • 如上所述，发光二极管（LED）是由P型半导体和N型半导体相邻接而构成的P-N结结构。当对P-N结施加正向电压时，就会产生少数载流子的电注入，少数载流子在传输过程中不断扩散、不断复合而发光。利用P－N结少数载流子的注入、复合发光现象所制得的半导体器件称为注入型发光二极管。如果改变所使用的半导体材料就能够得到不同波长的彩色光。在发光二极管中，辐射可见光波的称为可见光发光二极管；而辐射红外光波的称作红外二极管。前者主要应用于显示技术领域；后者主要应用于光通信等情报传输、处理系统中。发光二极管的主要特点是:驱动电压低（1.5~2伏），亮度高、可靠性好、寿命长、响应速度快、工作温度范围较宽、便于分时多路驱动；但工作电流和功耗较大、显示单位图形小、在大面积显示时需要采用拼接方法。发光颜色有红、绿、蓝三基色，蓝色和绿色发光二极管价格还比较高。发光二极管先是用做指示器、指示灯，继而发展到小尺寸或低分辨率的矩阵显示。采用拼接方法制作的发光二极管大面积显示墙，在室内外的信息牌、广告牌等已得到广泛的应用。

真空荧光显示管（VFD）是一种低能电子发光显示器件，它是利用氧化锌之类的荧光粉在低能（几十电子伏特以下）电子轰击下发光的物理现象制成的。其主要特征是:工作电压不高、功耗小（大部分消耗在加热阴极灯丝上）、亮度高、显示清晰、光谱宽、薄体形；但需要双电源，阴极灯丝在真空腔中对发光空间有所限制，因此应用范围也受到限制。荧光显示管主要用于数字、符号显示，从7段、8段开始，扩大到14段、16段，接着实现了5×7、5×12个像素的英文、汉字及各种符号显示。通过增加显示的位数和行数发展到接近A4大小的整页数字、字符显示，显示面积在不断增加，并且VFD矩阵显示屏还实现了英文、汉字及图形、图像显示。真空荧光显示管（VFD）是一种低能电子发光显示器件，它是利用氧化锌之类的荧光粉在低能（几十电子伏特以下）电子轰击下发光的物理现象制成的。其主要特征是:工作电压不高、功耗小（大部分消耗在加热阴极灯丝上）、亮度高、显示清晰、光谱宽、薄体形；但需要双电源，阴极灯丝在真空腔中对发光空间有所限制，因此应用范围也受到限制。荧光显示管主要用于数字、符号显示，从7段、8段开始，扩大到14段、16段，接着实现了5×7、5×12个像素的英文、汉字及各种符号显示。通过增加显示的位数和行数发展到接近A4大小的整页数字、字符显示，显示面积在不断增加，并且VFD矩阵显示屏还实现了英文、汉字及图形、图像显示。

液晶显示（LCD）是基于在电场中液晶分子排列的改变而调制外界光，从而达到显示的目的。液晶是液态晶体的总称，是一种介于液体和晶体之间的中间态物质，它既有液体的流动性，又有类似晶体结构的有序性；在一定温度范围内，既有液体的流动性、粘度、形变等力学性质，又具有晶体的热、光、电、磁等物理性质。液晶显示器件的最大特点是微功耗（1µw/cm2）、低驱动电压（1.5 ~ 3V）二者兼备，并与大规模集成电路（LSI）驱动器相适应。同时它也是平板型结构，显示面积可从几个平方毫米到几百平方厘米，特别适应于轻便型装置；采用投影放大显示时，容易实现数平方米的大画面显示。另外也便于彩色化，可以扩大显示功能和实现多样化显示。LCD的不足之处是：由于是受光型器件，故在暗的地方显示不够清楚；显示对比度与视线方向有关，受视角的限制；响应时间受周围环境温度的影响，在低温下（─20℃）不能工作。随着科学技术的发展，这些缺点正在被不断地克服。LCD最初是作为计算器、手表使用的数字显示屏，其后渗透到仪器仪表、家电、音响、办公自动化、电子游戏机、车用仪表等领域。LCD的进一步发展就进入了大容量大画面的字符、图表、图像显示，形成与CRT相竞争的局面。近年来，LCD发展尤其迅速，出现了薄型、大容量显示的OA、PC机用LCD，超高亮度、大容量投影型LCD，超小型、超高密度、大容量显示LCD，超大型壁挂式HDTV用彩色LCD，高精细立体图像显示LCD，等等。在显示功能方面(像素、显示容量、显示密度及其他)即将超过CRT，其销售市场很快就会赶上和超过CRT。LCD是最有希望在显示技术领域取代CRT的器件。

电致变色显示（ECD）是基于电化学反应时使分子吸收光谱发生变化而显示。所谓电致变色是指在电场或电流作用下材料产生可逆变色的现象，利用这种现象进行的显示就称为电致变色显示，也叫做电色显示，简记为ECD。其实质是在一些固体或液体的有机或无机材料中，由电场引起物理和化学变化的结果；其物理基础是固体中的快离子传输以及由此引起的物理效应和电化学反应。电致变色显示与其他被动显示器件相比主要优点是：对比度高，同用油墨在白纸上写字的情况相似；视角大，这是液晶显示不能比拟的；有存储功能，且在存储状态下不消耗功率，即显示的平均功耗小；可做成大面积显示；驱动电压低，可与集成电路相匹配；工作温度范围宽（-50℃ ~ -100℃）。其缺点是：阈值电压太低和开关电压范围太窄：响应速度较慢，一般为几百毫秒到几十毫秒量级，实现实时显示较困难；当开关速度增加时阈值特性变坏；寿命不够长等。电致变色显示目前比较适用于钟表、日历显示；数字显示；路标、照明信标、商品价格和广告显示；计量仪器显示；光阀、光调制器等。若能进一步降低功耗，提高寿命和可靠性，实现多色显示和矩阵显示，电致变色显示的应用前景是十分广阔的。特别是它的视角大和工作温度范围宽，是液晶显示所没有的，目前它已成为液晶显示器的主要竞争对手。

电泳显示（EPID）也叫电泳成像，它是基于电泳着色粒子于显示面而显示的。当液体和固体两相相对运动时，伴随着一些电现象，这些电现象就称为动电现象。动电现象又包括电渗和电泳两种效应，这里只涉及电泳效应。电泳效应是指混悬于液体中的带电颗粒在外加电场影响下的移动。利用这种现象将胶体悬浮液夹在两块带透明电极的玻璃板之间；悬浮液是有色胶体，由分散溶剂、着色染料、色素微粒以及稳定剂或电荷控制剂（也称充电剂）组成。在外加电场作用下，粒子便移向一个电极，该电极就呈现色素微粒的颜色；如外加电场反向，粒子就反向移动，该电极又变成液相的颜色。若用通常的光刻技术分割透明导电层制成笔画，再配以适当的色素微粒和作为衬底染料溶液，便可制成数字显示器。电泳显示器件的特点是：视角大；环境光变化范围大的情况下对比度高；具有存储能力，即去掉写入电场后图像仍能保持；具有一定的响应速度且工作电流低。电泳现象被发现已经有很多年了，在照相复制、涂敷、橡胶、塑料和某些金属的沉积方面早已获得了应用。但将其应用于显示器件则是20世纪70年代初的事情。电泳显示虽然问世不久，但由于具有上述特点，很快成为引人注目的平板显示器件之一，并为许多实验室所重视。电泳图像显示技术与光导现象相结合，已研制出成功用于办公室数据显示的光导选址电泳显示器件。近来还推出了一种能做成很大面积的对X射线敏感的电泳成像器件，因其能获得优质图像，又能制成如X射线胶片大小或更大的尺寸，故可用在早期胸部肿瘤的X射线测定、行李和邮件的X射线检查以及其他要求立即显示图像的工业应用。电泳显示（EPID）也叫电泳成像，它是基于电泳着色粒子于显示面而显示的。当液体和固体两相相对运动时，伴随着一些电现象，这些电现象就称为动电现象。动电现象又包括电渗和电泳两种效应，这里只涉及电泳效应。电泳效应是指混悬于液体中的带电颗粒在外加电场影响下的移动。利用这种现象将胶体悬浮液夹在两块带透明电极的玻璃板之间；悬浮液是有色胶体，由分散溶剂、着色染料、色素微粒以及稳定剂或电荷控制剂（也称充电剂）组成。在外加电场作用下，粒子便移向一个电极，该电极就呈现色素微粒的颜色；如外加电场反向，粒子就反向移动，该电极又变成液相的颜色。若用通常的光刻技术分割透明导电层制成笔画，再配以适当的色素微粒和作为衬底染料溶液，便可制成数字显示器。电泳显示器件的特点是：视角大；环境光变化范围大的情况下对比度高；具有存储能力，即去掉写入电场后图像仍能保持；具有一定的响应速度且工作电流低。电泳现象被发现已经有很多年了，在照相复制、涂敷、橡胶、塑料和某些金属的沉积方面早已获得了应用。但将其应用于显示器件则是20世纪70年代初的事情。电泳显示虽然问世不久，但由于具有上述特点，很快成为引人注目的平板显示器件之一，并为许多实验室所重视。电泳图像显示技术与光导现象相结合，已研制出成功用于办公室数据显示的光导选址电泳显示器件。近来还推出了一种能做成很大面积的对X射线敏感的电泳成像器件，因其能获得优质图像，又能制成如X射线胶片大小或更大的尺寸，故可用在早期胸部肿瘤的X射线测定、行李和邮件的X射线检查以及其他要求立即显示图像的工业应用。

铁电陶瓷（PLZT）是掺镧（La）锆钛酸铅（PbZrO3－PbTiO3）系陶瓷的简称。铁电陶瓷的基本特点是具有电畴，它是由白发极化方向相同的晶胞组成的一个区域。这种自发极化是起因于组成晶胞的离子发生偏离原型结构平衡位置的位移。由于晶胞内正负电荷中心不重合，晶体沿轴线方向产生白发极化。电畴在外电场的作用下将发生转向，使材料的光学性质发生变化，这就是PLZT陶瓷电光效应的物理基础。开始对锆钛酸铅（PZT）的研究是把它作为压电材料来看待的，后来人们发现PZT材料可用做光电器件，再后研制成功PLZT。其主要优点是：电光效应强、透光性和光学均匀性好、半波电压低、能效范围的局部转向（对显示器件来说是可实现灰度调制）和对环境稳定性好等。特别是PLZT透明陶瓷的研制成功为陶瓷进入电光和显示技术领域扫清了障碍，使这种电光陶瓷获得了多方面的应用，例如：大屏幕显示、图像存储、光－电传感器、电控滤光器、各种电光快门、立体电视眼镜和全息照相存储系统中的组页器等。铁电陶瓷（PLZT）是掺镧（La）锆钛酸铅（PbZrO3－PbTiO3）系陶瓷的简称。铁电陶瓷的基本特点是具有电畴，它是由白发极化方向相同的晶胞组成的一个区域。这种自发极化是起因于组成晶胞的离子发生偏离原型结构平衡位置的位移。由于晶胞内正负电荷中心不重合，晶体沿轴线方向产生白发极化。电畴在外电场的作用下将发生转向，使材料的光学性质发生变化，这就是PLZT陶瓷电光效应的物理基础。开始对锆钛酸铅（PZT）的研究是把它作为压电材料来看待的，后来人们发现PZT材料可用做光电器件，再后研制成功PLZT。其主要优点是：电光效应强、透光性和光学均匀性好、半波电压低、能效范围的局部转向（对显示器件来说是可实现灰度调制）和对环境稳定性好等。特别是PLZT透明陶瓷的研制成功为陶瓷进入电光和显示技术领域扫清了障碍，使这种电光陶瓷获得了多方面的应用，例如：大屏幕显示、图像存储、光－电传感器、电控滤光器、各种电光快门、立体电视眼镜和全息照相存储系统中的组页器等。 • 以上简要地介绍了几种显示器件的基本原理、主要特点及其用途。由于新材料、新器件不断涌现，还有一些显示器件没有一一述及，例如：电分散晶粒配向型显示器件和着色粒子旋转型显示器件；用于大型广告和列车时刻表显示的磁翻转（磁翻球、磁翻片、磁翻棍）显示器件；用于大屏幕投影显示的油膜光阀、晶体光阀以及激光光阀，等等。这些显示器件各有特色，也有各自的应用领域，本书由于篇幅所限，故而不再涉及这些显示器件了。

二、显示器件的选用原则在选用显示器件时，首先应将选择的条件纳入整个显示系统中，把各种显示器件与系统的需要进行综合考查，最终做出最佳选择。当对系统需求和各种显示器件都有了全面的了解后，应进入具体分析、选择阶段。推荐遵从下述原则：二、显示器件的选用原则在选用显示器件时，首先应将选择的条件纳入整个显示系统中，把各种显示器件与系统的需要进行综合考查，最终做出最佳选择。当对系统需求和各种显示器件都有了全面的了解后，应进入具体分析、选择阶段。推荐遵从下述原则： • 1 用途原则 • 这是一种从系统需求出发的分析、挑选原则。 • 对于大型设备、控制面板，一般在室内条件下使用，环境光不强，电源充足，观看距离较远；要求显示醒目、清晰。首选主动显示器件LED或VFD。它们显示亮度高、醒目，特别是LED规格多，可以选择较大的字型以适应较远的观看距离，不必过多考虑功耗和工作温度范围。其次，在大型指挥控制中心，需要场面气派、壮观，可选用光学投影式显示或拼接电视墙等。 • 显然，这种用途下如果选用液晶显示器件，则不仅不能发挥液晶显示的优点，反而会因采用被动显示使显示画面不醒目。 • 对于室外用仪器，因室外环境光较亮，所以除特殊的高亮度、超高亮度（大于1000cd/m2）的显示器件外，一般主动发光的显示器件都不能满足要求，会产生光冲刷而无法辨认。故最好选用液晶一类的被动显示器件。由于它们靠调制外界光来实现显示，所以外界光越强，显示越清楚，在太阳光下也能清楚地显示。不过在夜间使用则需要照明或背光源。 • 室外仪器一般是便携式，由于在室外使用，供电紧张，因而要求显示器件必须小且轻、薄型、低压、微功耗。符合这些要求的首推液晶显示器件。 • 另外一个问题是室外温差大，要求使用的显示器件必须具有宽温度范围。这一点正是液晶显示器件的不足。液晶显示器件的工作温度主要由液晶材料决定。当温度变低时，液晶的粘度增加，阈值上升，响应速度变慢。当响应速度降到1s时，就是其工作温度的下限。目前，液晶工作温度的下限可达-20℃ ~ -25℃，存储温度下限为-30℃ ~ -40℃。在我国南方地区已经够用，北方地区勉强够用。高温上限一般在60℃ ~ 70℃，完全够用了。所以，从使用上考虑，可根据设备的使用环境、条件进行某些设计，例如根据地域选择液晶材料，设计局部加温装置，对驱动电压进行温度补偿、电压调节等，就可以取得满意的效果。 • 一般台式仪表类用途极广、种类很多，主要在室内使用，而且多数有外接电源，因此以选用主动显示器件为好。由于大多数仪器以数显为主，又多用CMOS电路，故以VFD或LED数码管为好。 • 目前，很多仪器仪表已经智能化，功能日益复杂，数字显示已不能满足要求，起码要能显示各种字符，甚至中文、图形。这时VFD，LED就难以胜任了。此时带背光源的点阵LCD模块就更为合适。 • 微型袖珍仪器类仪器的使用场合可以说无所不在，其最大特点就是微型、微功耗。随着技术进步、智能化的发展，还要求能显示尽量多的信息。这样，LCD就成为最佳选择了。 • 当然，LCD的温度范围窄、黑暗处看不清楚等缺点也并非理想，但由于LCD在最主要、最关键的部分满足了要求，其选择就基本正确。而大部分微型袖珍仪器平时携带在身上，体温可以缓解液晶温度范围窄的不足；同时仪器又很小，拿在手上使用时可以任意缩小观看距离，变换任意采光、观看角度，也能部分克服LCD被动显示不醒目和不够清楚的毛病。所以此类仪器选用LCD应该是最佳方案。 • 固定信息大型显示是在某些公众场合的信息显示，例如天气预报公告牌、机场和车站的公告牌及引导牌、商业信息广告牌等，显示的信息在一段较长的时间内是固定不变的。它们的显示面积很大，环境亮度很高。理想的方案应该是被动显示，有无功记忆功能的显示器。相变液晶虽然属于这一类，但目前还不能做到很大的面积，而且不够醒目，仍然不理想。 • 大型显示的最大特点是“公众”，为使公众看得清晰醒目，倒是采用磁翻转（翻板、翻球、翻块、翻片）显示更为合适。磁翻转是一种机械式显示方式，一个脉冲使一个像素改变一种状态。去掉脉冲或关掉电源，这种状态依然保持。 • 此外，根据不同的要求和环境条件也可以选择LED、EL、多稳态液晶显示（MLCD）及象元管等。近年来出现的一种塑料膜显示器（PDLC）也是一个可供选择的方案。 • 大信息量显示主要指计算机终端、电视等，一般需要几十万甚至上百万个像素才够用。从可行性上看，大部分平板显示都可以用矩阵方式实现这一要求，但是这种X－Y矩阵必须用数字电路驱动，有大量密集的电路，实现起来较为麻烦。而CRT既可以满足像素数量和彩色化的要求，又没有那么多的外引线。CRT是靠外加偏转线圈，利用模拟信号驱动的，其响应速度很快，电光曲线很陡，可显示图形和视频活动图像。除了CRT本身笨重、功耗大及高压驱动等缺点外，在大信息量显示这一应用领域，目前仍然是最好的选择。因此，除非便携式、平板化等特殊要求时只能选用LCD之外，还是选则CRT为好。

第 8 章 其他显示技术简介