液晶显示器件与电子束显示器件

3.3.1 电致发光屏

荧光材料在足够强的电场或电流作用下，被激发而发光，构成电致发光屏。电致发光屏按激发电源不同，有交流和直流电致发光屏两种。

1.交流粉末场致发光屏

交流粉末场致发光屏的结构如图3－9所示，其中铝箔和透明导电膜为电极。透明导电膜通常用氧化锡制成；高介电常数的反射层常用搪瓷或钛酸钡等制成，用以反射光束，将光集中到上方输出；荧光粉层由荧光粉（ZnS）、树脂和搪瓷等混合而成，厚度很薄；玻璃板起支撑、保护和透光作用。为使发光屏发光均匀，每层的厚度都应十分均匀。

交流场致发光屏的工作原理是：由于发光屏两电极间距离很小，只有几十微米，所以即使在市电电压的作用下，也可得到足够高的电场强度，如E＝104V／cm以上。粉层中自由电子在强电场作用下加速而获得很高的能量，它们撞击发光中心，使其受激而处于激发态。当激发态复原为基态时出现复合发光。由于荧光粉与电极间有高介电常数的绝缘层，自由电子并不导电，而是被束缚在阳极附近。在交流电的负半周，电极极性变换，自由电子在高电场作用下向新阳极的方向，也就是向与输入电压的正半周时相反的方向加速。这样重复上述过程，使之不断发光。

图3－9 交流粉末场致发光屏的结构

交流发光屏的工作特性与所加电压U和频率f有关。发光亮度L的经验公式为

式中：A和b为与f有关的常数。

发光屏随工作时间t的增大而老化，发光亮度下降。发光屏的发光亮度可用下式表示：

式中：t0为与工作频率有关的常数；L0为发光屏最初的发光亮度。

目前市场上供应的发光屏材料主要是ZnS，所发出的光为绿色，峰值波长为0.48μm～0.52μm，发光亮度下降到初始值的1／3～1／4时所对应的寿命约为3 000h。

交流粉末场致发光屏的优点是光发射角大，光线柔和，寿命长，功耗小，发光响应速度快，不发热，几乎无红外辐射和不产生放射线。其缺点是发光亮度低，驱动电压高和老化快。这种发光屏主要用于特殊照明、仪表中数字与符号的显示，以及模拟显示等。此外，在固体图像转换器中也有应用。

2.直流粉末电致发光屏

直流粉末电致发光屏依靠传导电流产生激发发光。目前实用的发光材料是ZnS：Cu、Mn，所发出的光为橙黄色。这种发光屏结构与交流发光屏类似。

直流发光屏具有光亮度较高、亮度会随传导电流的增大而迅速上升、驱动电路和制造工艺简单及成本低等优点。其主要缺点是效率低、寿命短。

这种发光屏的典型参数为：在100V直流电压的激发下，光亮度约为30cd／m2；光亮度下降到初始值一半时所对应的寿命约为上千小时；发光效率为0.2lm／W～0.5lm／W。它适宜在脉冲激发下工作，主要用于数码、字符和矩阵的显示。

3.薄膜电致发光屏

薄膜电致发光屏与粉末发光屏在形式上很相似，其结构如图3－10所示。在薄膜的两电极间施加适当的电压就可发光。可以制成交流或直流的薄膜电致发光屏。

直流薄膜发光屏主要有橙黄和绿两种颜色，工作电压为10V～30V，电流密度为0.1 mA／mm2，发光亮度为3cd／m2，主光效率为10－4lm／W，寿命大于1 000h，可直接用集成电路驱动。

图3－10 薄膜电致发光屏结构

交流薄膜发光只有橙和绿两种颜色，工作电压为100V～300V，频率为几十到几千赫兹，发光亮度每平方米可达几百坎德拉，发光效率为10－3lm／W，寿命在5 000h以上。

薄膜电致发光屏的主要特点是致密、分辨力高、对比度好，可用于隐蔽照明、固体雷达屏幕显示和数码显示等。

3.3.2 液晶显示器件

液晶显示器件（LCD）是利用液态晶体的光学各向异性特性，在电场作用下对外照光进行调制而实现显示的。自从1968年出现液晶显示器装置以来，液晶显示技术得到了很大发展，已经广泛应用于仪器仪表、计算机、袖珍彩电、投影电视等家用电器，以及工业和军用显示器领域。液晶显示器主要有以下特点：

①液晶显示器件是厚度仅数毫米的薄形器件，非常适合于便携式电子装置的显示；

②工作电压低，仅几伏，用CMOS电路直接驱动，实现了电子线路的小型化；

③功耗低，显示板本身每平方厘米功耗仅数十微瓦，采用背光源也仅10mW／cm2左右，由外用电池长时间供电；

④采用彩色滤色器，易于实现彩色显示。

现在的液晶显示器的显示质量已经可以赶上阴极射线管（CRT）显示器，在有些方面甚至超过了阴极射线管显示器。

液晶显示器也有一些缺点，主要是：

①高质量液晶显示器的成本较高；

②显示视角小，对比度受视角影响较大；

③液晶的响应受环境影响，低温时响应速度较慢。

但是目前液晶显示器的成本已呈现明显的下降趋势；现在也已找到多种解决其视角小这一问题的方法，液晶显示器视角可接近阴极射线管显示器的水平，但仅限于档次较高的彩色LCD显示器。

液晶显示器的种类很多，下面介绍几种常见的液晶显示器件。

1.扭曲向列型液晶显示器件（TN－LCD）

扭曲向列型液晶显示器件的基本结构如图3－11所示。在两块带有氧化铟锡（ITO）透明导电电极的玻璃基板上涂有称为取向层的聚酰亚胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面形成方向一致的微细沟槽，在保证两块基板上沟槽方向正交的条件下，将两块基板密封成间隙为几个微米的液晶盒，采用真空压注法灌入正性向列相液晶并加以密封。由于上、下基板上取向槽方向正交，无电场作用时液晶分子从上到下扭曲90°。在液晶盒玻璃基板外表面粘贴上线偏振片，使起偏振片的偏振轴与该基片上的摩擦方向一致或垂直，并使检偏振片与起偏振片的偏振轴相互正交或平行，就构成了最简单的扭曲向列型液晶盒。

图3－11 扭曲向列型液晶显示器件的基本结构

扭曲向列型液晶显示器件的工作原理：入射光通过偏振片后成为线偏振光，无电场作用时，根据线偏振光在扭曲向列液晶中的旋光特性，如果出射处的检偏振片的方向与起偏振片的方向垂直，旋转了90°的偏振光就可以通过，因此有光输出，因而液晶层呈亮态。在有电场作用时，如果电场大于阈值场强，除了与内表面接触的液晶分子仍沿基板表面平行排列外，液晶盒内各层液晶分子的长轴都沿电场取向而成垂直排列的状态，此时通过液晶层的偏振光偏振方向不变，因而不能通过检偏振片，液晶层呈暗态，即实现白底上的黑字显示，称为正显示。同样，如果将起偏振片和检偏振片的偏振轴相互平行粘贴，则可实现黑底白字显示，称为负显示。要使扭曲向列液晶产生旋光特性，则必须满足以下条件：

d·Δn≫λ／2 　（3－7）

式中：Δn为液晶材料的折射率各向异性；d为液晶盒的间距；λ为入射光波长。对于一般的扭曲向列型液晶器件，取d＝10μm。

2.超扭曲向列型液晶显示器件（STN－LCD）

扭曲向列型液晶显示器件中液晶分子的扭曲角为90°，其电光特性曲线不够陡。由于交叉效应，在采用无源矩阵驱动时，其多路驱动能力受限。理论分析和实验表明，把液晶分子的扭曲角从90°增加到180°～270°，可大大提高电光特性的陡度。图3－12所示为一组不同扭曲角下液晶盒中央平面上液晶分子的倾角和外加电压的关系曲线。可以看出，曲线的陡度随扭曲角的增大而增大。当扭曲角为270°时，斜率达到无穷大。曲线陡度的提高可允许器件工作在较多的扫描行数下，但要求液晶分子在取向层界面上有较大的预倾角，这在规模生产中比较难以实现。扭曲角在180°～240°范围内、相应预倾角在10°以下，在生产中比较容易实现。这种扭曲角在180°～240°范围内的液晶显示器件称为超扭曲向列型液晶显示器件。

图3－12 不同扭曲角下液晶盒中央液晶分子的倾角和外加电压的关系

超扭曲向列型液晶盒的结构和扭曲向列型液晶盒的差别不大。超扭曲向列型液晶盒利用了超扭曲和双折射两种效应，是基于光学干涉的显示器件。其具体工作原理如图3－13所示。取扭曲角为180°，起偏器偏振方向与液晶盒表面分子长轴在其上的投影方向为45°，检偏器偏振方向与起偏器垂直。在不加电压时，由于射入超扭曲向列型液晶盒的偏振光方向与液晶分子长轴方向成一定角度，因而分解成两束（平常光和异常光）。两束光波通过液晶后产生光程差，从而在通过检偏器时产生干涉，呈现一定颜色。加电压后，由于两偏振片正交，光不能通过，呈现黑色。根据液晶层厚度的不同和起偏振片、检偏振片相对取向的不同，常有两种模式：在黄绿色背景上写黑字，称为黄模式；在蓝色背景上写灰字，称为蓝模式。为了对超扭曲向列型液晶盒的有色背景进行补偿，实现黑白显示，常采用两种方法：双盒补偿法（DSTN）和补偿膜法（FSTN）。双盒补偿法是在原有超扭曲向列型液晶盒的基础上加一只结构参数完全一致但扭曲方向相反的另一只液晶盒，这种方法补偿效果好，但产品重量加大，成本较高。目前广泛采用的是补偿膜法，用一层或二层特制的薄膜代替补偿盒，这层膜可与偏振片贴在一起。实现黑白显示后，再加上彩色滤色器，就可以得到彩色超扭曲向列型液晶盒。

图3－13 超扭曲向列型液晶盒工作原理示意

3.有源矩阵液晶显示器件（AM－LCD）

超扭曲向列型液晶盒采用简单矩阵驱动，没有从根本上克服交叉效应，也没有解决因扫描行数增加、占空比下降所带来的显示质量劣化问题。因此，人们在每一个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，以克服交叉效应。依靠存储电容的帮助，液晶像素两端的电压可以在一帧时间内保持不变，使占空比提高到接近1，从原理上消除了扫描行数增加时对比度降低的矛盾，获得高质量的显示图像。

有源矩阵液晶显示器采用了像质最优的扭曲向列型液晶显示材料。有源矩阵液晶显示器根据有源器件的种类分二端型和三端型两种。二端型以采用金属－绝缘体－金属（MIM）二极管阵列为主，三端型以采用薄膜晶体管（TFT）为主。

1）二端有源矩阵液晶显示器件

二端有源矩阵液晶显示器件的电极排列结构如图3－14所示。图3－15为MIM矩阵等效电路，MIM二极管与液晶单元串联。二端有源器件是双向性二极管，正、反方向都具有开关特性。RMIM、CMIM分别是二端器件的等效非线性电阻和等效电容，RLC、CLC分别为液晶单元的等效电阻和等效电容。由于MIM二极管阵列面积相对于液晶单元面积很小，故CMIM≪CLC。当扫描电压和信号电压同时作用于像素单元时，二端器件处于断态，RMIM很大，且CMIM≪CLC，电压主要加在CMIM上。当此电压大于二端器件的阈值电压时，二端器件进入通态，RMIM迅速减小，以大的通态电流对CLC充电。一旦CLC上充电电压的均方根值Urms大于液晶的阈值电压Uth时，该单元即处在显示状态。当扫描移到下一行时，原来单元上的外加电压消失，二端器件恢复到断态，RMIM很大，接近开路，此时CLC上的信号电荷只能通过RLC缓慢放电。如果参数合适，可使此放电过程在之后一帧时间内还维持Urms≥Uth。因此该液晶单元不仅在选址期内而且在以后的一帧时间内都保持显示状态，这就解决了简单矩阵随着占空比的下降而引起对比度下降的问题。

图3－14 MIM液晶显示器件电极排列结构

图3－15 MIM液晶显示器件等效电路

2）三端有源矩阵液晶显示器件

三端有源矩阵液晶显示器件在每个像素上都串入一个薄膜晶体管，它的栅极G接扫描电压，漏极D接信号电压，源极S接ITO（铟锡氧化物）像素电极，与液晶像素串联。其单元等效电路如图3－16所示。液晶像素可以等效为一个电阻RLC和一个电容CLC的并联。当扫描脉冲加到G上时，D－S导通，器件导通电阻很小，信号电压产生大的通态电流Ion并对电容CLC充电，很快充到信号电压值。一旦CLC的充电电压Urms值大于液晶像素的阈值电压Uth，该像素便产生显示。当扫描电压移到下一行时，单元上的栅压消失，D－S断开，器件断态电阻很大，CLC的电压只能通过RLC缓慢放电。只要选择电阻率很高的液晶材料，就可使此后一帧时间内CLC上的电压始终大于Uth，使该单元像素在一帧时间内都在显示，这就是所谓的存储效应。存储效应使显示器的占空比为1∶1，不管扫描行数增加多少，都可以得到对比度很高的显示质量。可见，三端有源矩阵液晶显示器件的工作原理和二端有源矩阵液晶显示器件的基本相同，只是由于薄膜晶体管的性能更加优越，它的通态电流Ion更大，断态电流Ioff更小，开关特性的非线性曲线更陡，因而其显示性能也更好。

图3－16 三端有源矩阵液晶显示器件单元等效电路

三端有源液晶显示器件中的薄膜晶体管目前以α－Si型和P－Si型为主流。α－Si型即以非晶硅方式制作，其特点是用低温CVD方式即可成膜，容易大面积制作。P－Si型即以多晶硅方式制作，其内部迁移率高，可以将周边驱动电路集成在液晶层上，降低引线密度，实现α－Si薄膜晶体管显示器难以达到的轻、薄等要求，同时可缩小薄膜晶体管的面积，在达到高解析度的同时，保持或实现更高的开口率，满足提高亮度、降低功耗的要求。

三端有源矩阵液晶盒工艺和扭曲向列型液晶盒类似，但是面积大、精度高、环境要求严，因此设备体系与扭曲向列型液晶盒完全不同，自动化程度要高几个量级。薄膜晶体管矩阵的制作工艺是玻璃基板上大面积成膜技术（如溅射、化学气相沉积和真空蒸镀等）和类似于制造大规模集成电路的微米级光刻技术的结合，薄膜晶体管的图形虽然没有集成电路那样复杂，但要求在大面积上均匀一致，且只允许极少的缺陷率。

3.3.3 等离子体显示器件

等离子体显示器件（PDP）是继液晶显示器件后发展起来的等离子平面屏幕技术的新一代显示器件。等离子体显示技术是利用气体放电原理实现的一种发光型平板显示技术。由于等离子体显示器件具有显示清晰、信号稳定、显示面积较大和接口简单等特点，因而非常适用于对显示要求较高的场合。

等离子体显示器件的出现，使得中大型尺寸（40 in～70 in，1 in＝25.4mm）显示器的发展应用产生了极大的变化。等离子体显示器件具有超薄体型，重量远小于传统大尺寸阴极射线管电视，在高解析度、不受磁场影响、视角广及主动发光等方面胜于三端有源器件显示器的特点，完全符合多媒体产品轻、薄、短、小的需求，被视为未来大尺寸显示器发展的主流。

1.等离子体显示器件的原理与类型

等离子体显示器是以等离子体显示平板为显示器件的大屏幕显示系统，它采用等离子管作为发光元件，采用的是一种自发光平面显示技术。显示器屏幕由大量的等离子管排列在一起构成，每个等离子管对应的每个小低压气体室内都充有氖、氙等惰性气体。当在等离子管电极间加上高压后，就会使等离子管小室中的气体放电，利用等离子效应而释放出紫外线，照射涂覆在平板显示屏的玻璃管壁上的红、绿、蓝三原色荧光粉，从而发出不同的可见光。每个等离子管就是一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化就合成了一幅各种灰度和彩色的图像，实际上类似于显像管的发光。从结构上看，就像把数十万至数百万个气体微型荧光灯（即放电单元）按一定排列方式浓缩在两块平板玻璃之间。制作时，在两块平板玻璃基板之间通过许多障壁将放电空间隔成若干放电单元。每个显示单元都设有一组电极，并按一定形式排列，在单元内壁上分别涂敷有红、绿、蓝荧光粉。通过外部电路对所有放电单元按一定方式进行控制，并完成三基色的空间混色，即可达到多色或全色显示。

等离子体显示器按其工作方式可分为电极与气体直接接触的直流型等离子体显示器和电极上覆盖介质层的交流型等离子体显示器两大类。目前研究开发的彩色等离子体显示器的类型主要有三种：单基板式（又称为表面放电式）交流等离子体显示器、双基板式（又称为对向放电式）交流等离子体显示器和脉冲存储直流等离子体显示器等。

1）直流等离子体显示器（DC－PDP）

此种类型显示器中放电气体与电极直接接触，电极外部串联限流电阻，其所发出的光位于阴极表面，且是与电压波形一致的连续发光。该类显示器按直流驱动方式又可分为刷新型和自扫描型两种。

2）交流等离子体显示器（AC－PDP）

此种类型显示器中放电气体与电极由透明介质层相隔离，隔离层为串联电容，起限流的作用，放电因受该电容的隔直流、通交流作用，需用交变脉冲电压驱动。因此，其电极无固定的阴极和阳极之分，所发出的光位于两电极表面，是交替脉冲式发光。交流等离子体显示器按交流驱动方式可分为刷新型和存储效应型两种。此外，还可分为表面放电式和对向放电式。

全彩色交流荫罩式等离子体显示器（SM－PDP）是交流等离子体显示器的一种。这种类型的显示器以金属荫罩代替传统的绝缘介质障壁，具有制作工艺简单、易于实现大批量生产的特点，并且还具有放电电压低、亮度高、响应频率快的优点。

目前的等离子体显示器产品多以交流型为主，并可按照电极的安排区分为两种结构：二电极对向放电和三电极表面放电。

2.等离子体显示器件的优缺点

等离子体显示器件具有如下优点：

①薄型大面积显示，宽视角，可做壁挂；

②屏幕不存在聚焦，图像惰性小，响应速度快；

③可实现全色彩显示，图像清晰、色彩鲜艳；

④屏幕亮度非常均匀，无图像畸变，即使边缘也无扭曲失真；

⑤显示器发光是自发光，具有存储功能，其显示亮度高、对比度高；

⑥不受磁场影响，环保无辐射，对人眼无伤害；

⑦结构整体性好，抗震与抗电磁干扰能力强，适合在恶劣环境下工作；

⑧以全数字化模式工作，有双稳态特性，便于数字化信号处理；

⑨伏安特性非线性强，可实现2 000线以上选址，有齐全的输入接口。

但是，等离子体显示器件也有如下缺点：

①功耗大，要注意散热；

②显示屏玻璃极薄，要防止重压与高的大气压；

③只能采用大屏幕，不能采用小屏幕；

④不能在海拔2 000m以上使用；

⑤制造成本偏高；

⑥寿命比液晶显示器短。

由于等离子显示器件的以上特点，彩色等离子显示器在大屏幕（对角线为1m～1.5m）显示方面具有明显的优势。目前，等离子体显示的关键技术难点已基本突破，彩色等离子体显示除用于普通彩电及计算机终端外，还可用于军事指挥中心军用地图、部队部署状况及敌我双方作战态势等信息的显示，专门用于工业生产过程监控、航天发射状况监控及高清晰度电视（HDTV）等的彩色等离子体显示器也已研制生产。彩色等离子体显示器的发展方向是实现全色、提高发光效率、提高使用寿命、扩展存储容量、降低功耗与成本，并实现大批量生产。