一文看懂显示技术的分类与发展趋势

显示技术的演变历程

技术类型	特点	优点	缺点
CRT	电子束击中荧光粉产生图像	高亮度、对比度高、视角大	体积大、能耗高、存在环保问题
LCD	液晶分子控制光的通过，需背光源	轻薄、低能耗、环保	响应慢、动态表现差、视角有限
PDP	等离子体激发荧光粉发光	高亮度、响应快、对比度高	能耗高、发热大、易烧屏
LED	半导体材料直接发光或作为LCD背光	高亮度、长寿命、坚固	蓝光危害、散热问题
OLED	有机材料自发光，无需背光源	优质画质、轻薄、可弯曲、节能	寿命较短、成本高、烧屏风险
量子点技术	增强色彩和亮度，不是独立显示技术	色彩饱和度高、亮度好	应用成本高、依赖现有技术

显示技术的分类

分类	子类	描述
显像管显示技术	CRT	电子束击中荧光粉产生图像
平板显示技术	LCD	液晶分子调节光线通透实现显示
	PDP	等离子体激发荧光粉发光
	LED	半导体材料直接发光或作为背光源
	OLED	有机材料自发光，无需背光
增强型技术	QLED	通过量子点提升色彩表现和亮度

显示技术的进化与分类

随着消费者对显示画质和使用体验要求的不断提高，显示技术经历了快速发展和迭代，呈现出“百花争艳”的局面，其中一些技术曾占据市场主导地位。显示技术大致分为两大类：显像管显示技术和平板显示技术。

阴极射线管（CRT）

阴极射线管（Cathode Ray Tube，简称CRT）是一种电真空器件，通过电子发射和偏转扫描的方式实现图像显示。其工作原理如下：

电子枪发射电子束：通过红、绿、蓝三种阴极发射电子束，对应屏幕上的三种颜色。

聚焦与加速：电子束通过聚焦电极形成细小的点并加速，以击中荧光屏。

偏转线圈控制扫描：水平和垂直偏转线圈控制电子束的扫描轨迹。

轰击荧光粉发光：电子束高速撞击屏幕内侧的荧光粉，产生红、绿、蓝三色光。

图像生成：通过控制电子束的强度和位置，形成彩色图像。

优点：高亮度和对比度；长寿命；大视角；快速响应；高色彩饱和度

缺点：体积庞大；高能耗；含有有害物质，环境影响较大；已逐渐被平板显示技术替代

液晶显示（LCD）

液晶显示（Liquid Crystal Display，简称LCD）依赖于液晶材料的独特光学特性，通过控制液晶分子的排列和旋转角度来调节光线通过量，并结合三色滤光片实现彩色显示。由于液晶本身不发光，LCD需要背光源。

组成部分：液晶显示屏（LCD）；集成电路（IC）；背光源；柔性线路板（FPC）；偏光片等

优点：轻薄便携；高分辨率；色彩丰富；低耗电量；环保

缺点：响应时间较长；动态图像表现不佳；可视角度有限；屏幕脆弱

等离子显示（PDP）

等离子显示（Plasma Display Panel，简称PDP）的成像原理类似于CRT的升级版，但采用紫外线激发荧光粉发光。显示屏由两块玻璃板构成，中间填充惰性气体，电离气体形成等离子体，激发荧光粉发光。

优点：高亮度和对比度；色彩还原性好；快速响应；大视角；无辐射

缺点：高能耗；发热量大；易于烧屏；寿命较短；不适用于小尺寸显示

电致发光（EL）

电致变色器件结构图

电致变色（Electroluminescent，简称EL）是一种物理现象，通过将电能直接转化为光能。在外加电场的作用下，材料中的离子和电子迁移，改变材料的光学性质，使其颜色发生稳定且可逆的变化。电致变色材料主要分为有机材料和无机材料。以下是其显示原理的简述（以三氧化钨WO₃为例）：

电致变色发光原理图

通电前：没有施加电压时，电致变色层呈现无色或浅色。

通电后：通电后，存储在离子存储层中的锂离子在电场作用下通过电解质层注入到WO₃薄膜的晶格空隙中，形成钨青铜LiWO₃-x，W⁶⁺被还原为低价态的W⁵⁺，电子从W⁶⁺到W⁵⁺的跃迁吸收光子，导致变色。

应用领域包括：

显示器：电致变色显示器低功耗、高对比度和宽视角，无需背光源，能大幅降低能耗。

电致变色用在手机后盖

智能窗户：根据光线强弱和用户需求自动调节透明度，实现节能与舒适环境。

电致变色用在舷窗

汽车后视镜：调节反射率，减少夜间车灯眩光，提高驾驶安全。

防眩目眼镜：根据环境光线强弱自动调节镜片颜色，保护眼睛。

优点与缺点：

优点：

节能：如在汽车应用中通过自动调节减少能耗。

响应速度快：能迅速改变颜色和透明度。

双稳态性能：在显示静态图像后无需持续供电。

设计灵活性：可制备成多种形状和尺寸。

缺点：

工作温度范围有限：在极端温度下性能可能下降。

色彩多样性有限：与有机材料相比，无机材料色彩表现较少。

成本较高：材料和制造工艺复杂。

耐久性问题：长期暴露于紫外线等可能导致性能下降。

场发射显示（FED）

场发射显示

场发射显示（Field Emission Display，简称FED）通过在真空带中施加高电压产生电场，使电子撞击荧光粉而发光。

FED结合了阴极射线管的高对比度和快速响应，同时具有平板显示的封装优势：

优点：

功耗优势：比CRT更低的驱动电压。

空间优势：结构紧凑。

高分辨率和宽视角：适用于高清晰度图像和动态显示。

响应速度快：微秒级响应时间。

缺点：

制造工艺复杂及成本高：影响产出良率和市场竞争力。

均匀性问题：在较大屏幕上可能会亮度不均。

寿命与稳定性：长期使用可能导致性能衰减。

由于上述挑战，FED技术在市场上逐渐被淘汰。

电泳显示（EPD）

电泳显示（Electrophoretic Paper Display，简称EPD），即电子纸显示技术，以其微胶囊和微杯结构为主：

黑白双色（微胶囊）：通过电场控制黑白带电粒子在胶囊内的移动，实现图像显示。

黑白微胶囊结构

三色（微杯）：通过电场控制不同颜色的粒子在微杯中的电泳运动，实现多色显示。

三色微杯结构

应用广泛于：

电子阅读器、货架标签、智慧医疗等领域。

电子纸平板

优点与缺点：

优点：

低功耗：双稳态特性，仅刷新时耗电。

柔性可弯曲：有助于产品设计。

护眼：反射式显示，无背光源。

缺点：

响应时间长：相比液晶显示较慢。

图像质量一般：灰阶有限。

成本高：技术壁垒和市场竞争少。

发光二极管（LED）

LED芯片结构及发光原理

发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）是一种基于半导体材料的发光器件，主要由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等化合物组成。LED通过电能直接转化为光能，在通电时，电子与空穴复合释放能量，产生光。

LED发光原理图

在纯净的半导体中，通过掺杂形成P型和N型半导体，它们在连接时形成PN结。当施加正向电压时，电子从N型向P型移动，空穴则反向移动。在PN结处，电子和空穴复合释放能量，这些能量以光子的形式发射出来。不同半导体材料及杂质组合会产生不同颜色的光：

AlGaInP 和 AlGaAs 可以发出红光。

GaN 和InGaN可以发出蓝光和绿光。

然而，目前没有任何单一半导体材料能直接发出白光，因此需要通过白光LED合成实现。

白光LED合成原理

RGB三基色混色原理：通过红、绿、蓝三色LED混合形成白光，但成本较高。

常用白光合成方法：

蓝光LED加荧光粉：蓝光LED发出的光子部分直接透过荧光涂层，部分激发荧光粉产生黄光，蓝光和黄光混合成白光。

多色LED混合：使用多种颜色的LED芯片混合产生白光。

LED不仅作为背光源用于液晶显示（LCD），还直接用于如户外大型显示屏等直接显示（直显）应用。

LED显示屏的优缺点

优点：

寿命长：可达6万到10万小时。

高亮度：适用于户外或高亮环境。

响应速度快：适合动态内容显示。

坚固耐用：抗震抗冲击。

缺点：

蓝光危害：可能导致视网膜损伤。

发热较大：需要有效的散热设计。

维修困难：特别是大尺寸或复杂显示屏。

有机发光二极管（OLED）

OLED内部结构

有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，简称OLED）是一种主动发光器件，不需要背光源。其结构包括：阴极、电子层（电子注入层和电子传输层）、发光层、空穴层（空穴注入层和空穴传输层）及阳极。

OLED发光原理图

当在阳极和阴极间施加电流，电子和空穴在有机层中传输并在发光层复合，释放能量使有机分子发光。

有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，简称 OLED）是一种无需背光源即可显示的主动发光器件。其结构通常分为五层，分别是阴极、电子层（包括电子注入层和电子传输层）、发光层、空穴层（包括空穴注入层和空穴传输层）以及阳极。

OLED 的发光原理是：在两片玻璃或柔性基材之间，夹有阴极电极、阳极电极、电子传输层、空穴传输层和发光层。当在阴极和阳极之间施加电流时，阴极注入电子，阳极注入空穴。电子与空穴在有机层中传输并以碰撞波的形式运动，最终在发光层内复合。复合后释放的能量传递给有机发光材料的分子，激发分子从基态跃迁到激发态。当这些分子从激发态回到基态时，通过辐射跃迁产生可见光，从而实现发光。

OLED驱动方式

被动式PMOLED：结构简单，适合小尺寸，但不适用于高分辨率、大尺寸。

主动式AMOLED：通过独立驱动电路减少控制线路，适用于高端、大尺寸显示。

PMOLED和AMOLED对比：

PMOLED 更简单但受制于分辨率和尺寸。

AMOLED 提供更高的分辨率、更低的功耗和更快的响应。

OLED在智能手机等高端市场的应用比例逐年增加，主要因其以下优点：

优点：

优异的显示效果：亮度、色彩饱和度、对比度优于LCD。

轻薄设计：无需背光源，厚度和重量大幅减少。

柔性可弯曲：适用于可折叠和曲面设计。

低功耗：比LCD节能。

缺点：

寿命偏短：有机材料老化会影响亮度和色彩。

成本较高：生产成本高，售价较高。

烧屏现象：长时间静态显示可能导致永久性像素损坏。

对水和氧气敏感：需要高效封装以保护有机层。

量子点（QD）

量子点概述

量子点（Quantum Dots，简称QD）是半导体纳米晶体，尺寸在2到20纳米之间，具有独特的光学特性。量子点的结构包括配体、壳和核部分。

量子点特点：

尺寸可控：不同尺寸的量子点发出不同颜色的光。

高色纯度和稳定性：覆盖可见光谱，颜色纯净，寿命长。

量子点（Quantum Dots，简称 QD），又称半导体纳米晶，是一种在三个空间方向上对导带电子、价带空穴及激子进行束缚的半导体纳米结构。其内部结构主要由配体、壳层和核组成。

量子点具有以下特点：

纳米粒径范围：量子点的粒径一般在 2～20 nm 之间。当受到光或电等外界能量的激发时，不同尺寸的量子点会发出不同颜色的光。

发光性能：其发光颜色覆盖从蓝光到红光的整个可见光区域，具有色纯度高、寿命长、稳定性好以及颜色可定制的优点。

材料特性：无机量子点比有机发光材料更稳定，具备单一纯净的发光颜色、超窄的半波宽（≤35 nm），且尺寸高度可控。通过改变量子点的尺寸即可调节其发光颜色。

量子点根据其发光驱动方式可分为光致发光和电致发光。目前市面上的量子点产品主要以光致发光为主，其发光原理如下：

量子点的发光是由电子和空穴的复合（或称激子湮灭）产生的。要使量子点发光，必须首先生成一个激子，其生成方式通常有两种：光致和电致。

光致发光：在未被激发（基态）时，电子全部位于价带。当一个光子进入量子点且其能量适当时，价带上的电子会吸收光子能量，从价带跃迁至导带，同时在价带原来的位置形成一个空穴。由于库仑力的相互作用，电子与空穴相互吸引，形成电子-空穴对（即激子）。

电致发光：通过外界电场向量子点的导带注入电子，同时向价带注入空穴。当电子与空穴在量子点中相遇时，也可形成激子。

无论是通过光激发还是电场注入，生成的电子和空穴通常不处于各自的最低能级。在复合发光前，它们会经历带内弛豫过程，最终释放能量，完成发光。这种机制解释了量子点的高效发光特性。

量子点发光原理

量子点可以通过光致发光（光激发）和电致发光（电激发）产生光。光致发光是通过吸收光子能量，电子从价带跃迁到导带，形成激子；电致发光则通过外加电场注入电子和空穴，形成激子并发光。

光致发光和电致发光原理

量子点在显示、能源、医学等领域有广泛应用，特别是在显示技术提升画质方面。

量子点显示应用的优缺点：

优点：提高色彩表现、稳定性、寿命。

缺点：应用在显示上的具体优缺点需结合具体技术实现方式讨论。

量子点技术的加入为显示器提供了更好的色彩表现和能效，但其在显示技术中的应用需要结合其他材料和技术来发挥最大效能。

显示技术未来趋势

OLED：市场份额持续增长，尤其是在移动设备和高端显示器领域。

Micro-LED：可能成为下一代显示技术，结合LED的高亮度和OLED的自发光特性。

量子点技术：继续提升显示性能，特别是在4K、8K显示领域。

显示技术的进化不仅满足了更高画质的需求，还在节能和环保方面不断优化。随着技术的发展，未来将迎来更多创新，为显示技术向高效、环保、高分辨率方向迈进提供新动力。