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1、电致发光显示（ELD）,提 纲,一、电致发光显示的分类与特点二、分散型交流电致发光板三、薄膜型交流电致发光板四、电致发光显示器的各种材料五、电致发光显示器的驱动方式六、电致发光显示器的应用,一、电致发光显示的分类与特点（1）,1、低场电致发光 1960年人们发现GaAs的p-n结二极管在正向偏压下，发生少数载流子注入，并在p-n结附近，两种载流子发生复合发光。2、高场电致发光 发光材料是半导体化合物，掺杂适当的杂质引进发光中心或形成某种介电状态。当它与电极或其它介质接触时，构成MS结构或MIS结构，来自电极或界面的电子，进入发光材料的高场区，被加速并成为过热电子，它可以碰撞发光中心使之被激发或
2、被离化，再通过一系列的能量输运过程，电子从激发态回到基态而发光。,一、电致发光显示的分类与特点（2）,高场电致发光应具备的条件：（1）基质材料适合发光条件 较宽的禁带（一般要大于3eV），合适的能带结构、结晶类型、晶格常数和介电特性等等；（2）引进合适的发光中心 掺杂的杂质能成为可见光的发光中心，并且引进的发光中心在基质中有一定的溶解度，离子半径与基质相近，价键相匹配等；（3）结构上能形成高场，并有充足的初始电子束源 这样在高场区能出现足够的过热电子，才能实现有效的电致发光。,一、电致发光显示的分类与特点（3）,高场电致发光,粉末EL,薄膜EL,AC-EL,DC-EL,AC-EL,DC-EL,
3、ELD特点：（1）是一种高压场致发光，构造上无电流流过；（2）主动发光，可制成任意形状；（3）全固体，牢固，适用于在对重量、体积要求严格和环境恶劣的场所；（4）响应速度快（110 s），视角宽。,电致发光显示：Electroluminescent Display,简称ELD。,缺点：（1）驱动电压高，驱动电路复杂；（2）除了橙黄色发光效率较高外，其他颜色的发光效率较低。,二、交流电致发光板（ACPEL）（1）,分散型EL器件的基本结构,这种型式是由sylvania公司最初开发的，是第一代EL的代表结构形式，可用于液晶显示器的背照光源。发光层由荧光体粉末分散在有机粘结剂中做成，其厚度为50100
4、m荧光体粉末的母体材料为ZnS:Cu，Cl，I、Mn，可得到不同的发光色。,薄膜EL器件的结构,1交流电压源 2铝电极 3发光层 4绝缘层 5透明导电膜 6玻璃基板,SnO2透明导电膜电极厚度为200nm，绝缘层为HfO2膜，发光层为ZnS母体材料，厚度为300nm，采用蒸发技术依次制备各层薄膜。背面电极使用铝，制成相互平行的条形背电极。发光色随添加稀土卤化物材料不同而异。,当观察一个ZnS颖粒时，发光先从若干孤立的点开始，随着电场增加，两点的发光逐渐延伸，相互靠近，汇合成彗星状的发光。发光线对在交流电压作用下交替发光，发光线的长度随线方向场强分量增大而变长。,EEth,EEth,ZnS粒子的
5、EL发光,发光现象：,二、交流电致发光板（ACPEL）（2）,发光机理：在ZnS颗粒内沿线缺陷会有Cu析出，形成电导率较大的Cu2S，Cu2S与ZnS形成异质结。当施加电压时在上述Cu2SZnS界面上会产生高于平均场强的电场强度(105106V/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，电子与这些发光中心碰撞使其激发，引起EL发光。,能带图,二、交流电致发光板（ACPEL）（3）,发光颜色：通过激活剂和共激活剂的组合可以在蓝色到黄色之间的范围内变化。在ZnS:Cu,Cl系中，通过调节Cl的含量，可以获
6、得从蓝色(460nm)到绿色(510nm)的发光。此外，由ZnS：Cu,A1系可得到绿色。由ZnS:Cu,Cl,Mn系可得到黄色发光等。,粉末AC-EL板的特性：,二、交流电致发光板（ACPEL）（4）,薄膜ELD的电压波形与光输出波形关系,ACTFEL具有存储特性的机理：在强场中，发光层中电子加速穿过发光层，激活Mn发光中心而发光。已穿过发光层的电子便在发光层与绝缘层的界面上积累起来，在发光层两边形成极化电荷，该极化电场将抵消下一个同极性脉冲电场的大部分；反之，如果下一个脉冲极性反转，则极化电场与脉冲电压产生的电场叠加，总电场变强。,三、交流电致发光板（ACTFEL）（5）,四、电致发光显示
7、器的各种材料（1）1、主要发光材料和激活剂,五、ELD驱动方式（1）,二重绝缘层结构的ACTFELD矩阵屏的无源多路驱动原理图,有源矩阵驱动：,五、ELD驱动方式（3）,六、电致发光显示器的应用（1）（1）数字、字符显示,应用于各种计量仪器的数字、符号显示等。它和荧光灯管作比较具有薄形和大型化的优点。,薄膜交流型ELD数字显示(Lohiya公司),1982年日本夏普公司生产的ELD显示样品,（2）模拟显示,薄膜绿色发光ELD屏(日本精械),六、电致发光显示器的应用（2）,（3）图形和图象显示单色显示屏：,单色屏以黄光显示为主，发光材料大多数为ZnS：Mn，为双层绝缘膜结构。,多色显示屏：采用Z
8、n1-xMgxS：Mn与ZnS：Mn双层发光材料来制造红、绿多色屏。,EL-TV试制机外观,日本夏普公司生产的ELD显示样品,六、电致发光显示器的应用（3）,六、电致发光显示器的应用（3）,彩色色显示屏：,ELD的发展状况展望今后的发展，大致分下述三个发展阶段：第一阶段；ZnS：Mn(橙黄色)单色显示器的商品化；第二阶段：二色(红色、绿色)、三色(红色、绿色、蓝色)、多色显示器的商品化；第三阶段：全色显示器的商品化。,六、电致发光显示器的应用（5）,2005年，加拿大iFire公司开发34英寸1280768的彩色平板无机EL显示器。,发光二极管显示Light EmittingDiode(LED
9、)Display,提 纲,一、LED的发展经历二、LED的结构、特点与工作机理三、LED的材料和制作工艺四、LED的主要特性和驱动五、提高LED显示屏视觉效果的光强均衡六、LED的发展趋势,二、LED的结构、特点与工作机理,LED构造的核心是用磷化镓或砷化镓等半导体发光材料晶片做成的PN结。晶片外用透明度高和折射率高的材料包封，树脂外观视应用要求做成各种形状。各元件的底座上安置了多晶片，当各晶片发不同强度的光时，它们将产生不同混色，使发光二极管显示不同光色。,LED的主要特点：(1)工作电压低，驱动简单。(2)LED是小型的高亮度发光元件。(3)发光响应快。由于注入PN结正向电流而发光，因此控
10、制输入电流的大小、开断LED，发光响应十分快，可达lns。(4)寿命长、耐冲击。(5)可改变LED的半导体材料来改变发光波长，单体LED可做成各种外形等。,二、LED的结构、特点与工作机理,LED的缺点:LED单个元件功耗为数毫瓦到数十毫瓦,虽比白炽灯小得多，但制成高精细的大面积显示板时，特别在与集成电路做为一体时，元件功耗的增大就不容忽视了，这时散热也是不容易解决的问题。,二、LED的结构、特点与工作机理,PN结的外加正向偏置电压使内建电场减小，势垒降低，n区价带的电子(或P区价带空穴)可以通过结而扩散到p区(或n区)，使该区的少子浓度远大于热平衡时的浓度，形成了非平衡的少数载流子，在p区或
11、n区产生了电子与空穴的复合，如果复合为辐射复合且能带间隙大于1.72ev，就发射可见光。,发光原理,二、LED的结构、特点与工作机理,结型电致发光波长由半导体材料的禁带宽度Eg和在禁带中的杂质能极来决定。如导带中电子与价带中空穴直接复合，发光波长为 发可见光(760nm)的LED材科，其禁带宽度Eg须大于1.72ev，如要LED发蓝光，即发光波长490nm，此时，Eg须大于2.53ev。,二、LED的结构、特点与工作机理,(1)直接复合 电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程，也称带间复合。这种复合产生的光子很易被晶体基质所吸收，只有采取特殊措施后才会有高的发光效率。直接复合为
12、二体过程，其辐射效率高。(2)间接复合 这类材料导带底与价带顶的波数不一样，电子空穴复合过程必须有第三者声子参加，为三体过程，辐射效率很小，一般为0.1。等电子陷阱的激子复合DA对复合,二、LED的结构、特点与工作机理,辐射复合,三、LED的材料和制作工艺,1液相外延 在某种过饱和溶液中在单晶衬底上定向生长单晶薄膜的方法。2.气相外延 将基片置于反应器中，用射频线圈加热至800825度，通入各种成分的氢化物，以氢气作为载体，反应生成单晶薄膜。3.分子束外延 在超高真空下，通过多极分子束与加热的单晶片反应而获得结晶生长膜，每一炉子装有一个坩锅，它们依次装有希望得到薄膜的某种元素。炉温选择得使分子
13、束的自由蒸气压足够高，各炉子围绕基片环列，每种束流中心与基片交叉。选择炉子和基片温度和炉子与基片间光栏的开合，可以按所愿依次在基片上生长不同外延层。4.金属有机化合物气相沉积,动态驱动方式：每组LED采用脉冲电流分时驱动，可改变脉冲幅度和脉冲占空比来改变显示亮度。动态驱动方式：扫描型驱动、锁存驱动,四、发光二极管的驱动,发光二极管显示驱动方式静态驱动：在工作时间内，流经LED的电流保持一定数值，能得到稳定和亮度较高的显示效果，但缺点是驱动电流太大，易使显示元件发热降低发光效率，特别是LED单元较多时，要求驱动的元件多驱动电路必须提供较大的功率，这使得电路的复杂性与成本部增高了。,(1)全彩化
14、改善蓝色LED的晶体材料质量，提高发光效率，降低成本仍是今后发展的主要目标。(2)高亮度化高亮度产品每年都会有30%的增长，至于中低亮度的产品增长率不会超过5%。再者超高亮度(法向光强超过1000mcd)之红、橙、绿、蓝色LED产品已进入市场。(3)大型化LED可以以并联的方式联结在一起,不受尺寸大小的限制。对于一些需配备大尺寸的产品而言,更希望一些大型化的LED。,六、LED发展趋势,(4)封装小型化封装小型化主要是指适合于表面安装的LED品种正在增大。表面安装LED为带盘式封装,可容纳2000只LED管芯。表面安装LED已成为封装小型化的主流和方向。(5)生产型MOCVD外延生长工艺设备的
15、高产化今后的发展方向是提高每炉的生产批量,实现高产化,以降低生产成本为目标。如果每炉批量超过百片(2英寸),则生产成本有可能与LPE相近。,六、LED发展趋势,（1）全色动态信息平板显示LED 全色动态信息平板显示可广泛用于体育场馆、车站、机场、商业、工业和其它行业的大型和超大型全色显示屏。（2）固体照明光源 全色超高亮度LED的实用化和商品化,使照明技术面临一场新的革命,由多个超高亮度红、蓝、绿三色LED组成的像素管不仅可以发出波长连续可调的各种色光,而且还作为照明光源。LED的寿命长达数万小时。,六、LED发展趋势,LED的应用,（3）信号指示灯 交通信号灯 用超高亮度LED取代加滤光片的
16、白炽灯泡,不仅响应速度快,寿命长、抗震、耐冲击,而且效率高、节省电能。汽车指示灯 汽车指示灯包括汽车外部的各种方向灯、尾灯、刹车灯等。（4）背光照明 可用于LCD的背光照明，适用于蜂窝电话、笔记本型电脑、台式LCD和大屏幕LCD TV等的背光源。,六、LED发展趋势,真空荧光显示Vacuum Fluorecent Display(VFD),提 纲,一、真空荧光显示发展历史二、真空荧光显示器的工作原理和特性三、真空荧光显示器的荧光粉四、VFD的阴极加热方式五、VFD的驱动六、VFD的应用,一、真空荧光显示发展历史,VFD是一种低能电子发光显示器件。它是利用荧光粉在低能电子(几十ev以下)轰击下发
17、光的物理现象制成。日本伊势电子公司于1967年最早利用这一物理现象制作了荧光数码管。随着新品种的不断开发，它的应用范围也得到了不断的扩大。,（1）一位圆型真空管显示的单管荧光显示管 可应用于计算器的数字显示和若干符号显示的装置上。这种只有一位的单管显示，无论对于制造厂家或使用者，都有许多不便之处，特别是多位显示时，要将多个单管排列，会使设备体积增大，不利于整机小型化。,1PC机键盘，2 阳极，3 排气管，4 玻璃壳，5 陶瓷基板，6 引线，7 焊接引线。,单位管,一、真空荧光显示发展历史,（2）圆型多位管 它不需要每一位的荧光显示管的引出线，大大地减少了焊接引线，也不需要亮度分类使用。但是，不
18、论是单管还是多位管它们都是在陶瓷基板上安装电极引线，而使用陶瓷基板的材料太贵，给降低显示器件的成本带来了很大困难。,圆型多位管,1 衬垫 2 排气管 3 玻璃壳 4 阳极5 陶瓷基板 6引线 7 焊接引线 8 PC键盘,一、真空荧光显示发展历史,（3）平板多位显示 在玻璃基板上，使用厚膜印制和薄膜技术的混合方式来制作各个主要电极，并进行各电极的装配，然后使用平板玻璃进行密封构成真空腔。这种平板结构的多位显示管在形状上有一定的自由度，并且还能派生出许多的显示图形。,平板多位管显示,1 引线端子，2 阳极，3 平板玻璃，4 玻璃粉，5 玻璃基板，6 PC键盘，7 焊接引线，8 排气管。,一、真空荧
19、光显示发展历史,VFD的结构,阴极材料使用细的金属钨丝，在表面上涂敷碱土类金属的三元碳酸盐。,二、真空荧光显示器的工作原理和特性,各种低速电子束用的荧光体,三、真空荧光显示器的荧光粉,目前己达到实用化的荧光体的发光光谱曲线,三、真空荧光显示器的荧光粉,投影显示,提 纲,一、投影机的分类二、CRT投影机三、LCD投影机四、数字光路处理器投影机,大屏幕显示方式及所适用的显示器件,一、投影机的分类,一、投影机的分类,天花板悬挂式正投影系统,咖啡桌型正投影系统,投影显示：由平面图像信息控制光源，利用光学系统和投影空间把图像放大并显示在投影屏幕上的方法或装置。投影机的分类：正投影式、背投影式。,一、投影
20、机的分类,投影仪,正投影的优点：（1）亮度和清晰度较高；（2）使用比较灵活。缺点：（1）外界环境光对图像的对比度、色饱和度和相对亮度影响较大；（2）投影机影响视线。,两面反射镜的背投影系统,三面反射镜的背投影系统,一、投影机的分类,单面反射镜的背投影系统,一、投影机的分类,背投影的优点：（1）外界环境光对观看效果的影响较小；（2）投影机不影响视线。缺点：（1）亮度和清晰度较正投影低；（2）占用较多空间。,正投影与背投影的比较,一、投影机的分类,投影显示器的分类,一、投影机的分类,透射式LCD投影系统,液晶投影,透射式LCD投影,LCOS投影,三、LCD投影机,LCOS（Liquid Cryst
21、al on Silicon）投影系统,三、LCD投影机,使用三片LCOS屏制作的背投电视,具有较高的亮度,三、LCD投影机,液晶投影机光源技术要求：（1）尽可能接近电光源、亮度高、光的利用率高；（2）灯的效率及其亮灯附属电路的综合效率要高；（3）要有合适的R、G、B显示发光光谱；（4）亮度、光源色在寿命过程中变化下；（5）寿命长；（6）亮灯装置及外围电路要小型化。,三、LCD投影机,各种投影灯的比较,三、LCD投影机,Two DMD pixels(mirrors are shown as transparent),四、数字光路处理器投影机,成像器件：DMD（DigitalMicromirror
22、 Device）,DLP投影机的优点：（1）采用数字技术，使图象灰度等级达2561024级，图象噪声消失，画面质量稳定。（2）成像器件的总光效率达60%以上，对比度和亮度的均匀性都非常出色。（3）图象清晰度高，画面均匀，色彩锐利，可随意变焦，分辨率高。,数字光路处理器投影机：Digital Light processing，DLP。,a)Cross section,b)Top view,The bistable DMD concept.,四、数字光路处理器投影机,DMD光开关原理,四、数字光路处理器投影机,DMD binary-weighted pulsewidth modulation(4-
23、bit,16 gray-level example),四、数字光路处理器投影机,DLP family of projectors(Note:to clearly illustrate the complete light path,TIR prisms are rotated 45 or 90 degreeswith respect to color-splitting prisms,compared to actual systems).,四、数字光路处理器投影机,Large-venue DLP-based projector.,四、数字光路处理器投影机,First full-color D
24、MD images,May 1992.,四、数字光路处理器投影机,3D显示,现代三维显示屏的分类,1.需要辅助眼镜（需要配戴辅助眼镜）左右眼图像的偏振光调制技术 被动式，采用偏振片，不同偏振方向的光进入不同的眼睛。采用隔行扫描，分辨率受限 时间域调制技术 为主动式，一个子场中不同的时间给出两个图像。左眼图像出现时，右眼眼镜关闭，右眼图像出现时，左眼眼镜关闭。采用逐行扫描，分辨率较高。2.无需辅助眼镜-裸眼3D 裸眼直视自动立体显示技术，该类技术主要通过光学系统将左右眼图像分别在空间不同方向进行传播，从而在特定位置使左右眼观看到不同图像内容来实现立体显示。,3D显示的技术形式被动偏振眼镜式,电影
25、采用了被动偏振眼镜式,显示屏高速交替显示左右眼画面，眼镜左右眼也分别高速切换开关，显示左眼画面时，眼镜左眼打开右眼关闭，显示右眼画面时，眼镜右眼打开左眼关闭。所有的等离子3D电视和一部分液晶3D电视使用这种技术形式。,3D显示的技术形式主动偏振眼镜式,3D显示的技术形式其它形式的眼镜式,这种显示器过于复杂，因为使用了两块液晶屏，成本很高，并不实用。只是在液晶屏的刷新速度不能达到支持双倍的时代，推出的过渡产品。,3D显示的技术形式裸眼式,柱状透镜式：在屏表面上有一道道紧密排列的半圆柱形透镜，利用这些柱镜的折射角度不同，将左右眼的图像分开。优点：不需要眼镜，使用方便，制作成本相对较低，亮度较高；缺
26、点：分辨率损失较严重，2D兼容性不好。,平行光栅式：在屏前或屏与背光板之间再加一层遮蔽物，把部分方向的光线遮住，只让某些角度的光线可以发出去，将左右眼的图像分开。优点：不需要眼镜，使用方便，如果遮蔽物使用可以切换状态的材质，则可以很好的兼容2D；缺点：制作成本相对较高，亮度较低，分辨率损失也较严重。,3D显示的技术形式其它各种3D展示形式,光学悬浮成像式：原理和多平面式类似，一般是利用一个半反半透平面反射镜将反射所呈的虚像与投射的实像合成，实现3D效果，这种3D显示技术可以与真实场景融合，用于营造梦幻的舞台效果。,2010年上海世博会四川馆三星堆文物3D影像展示,头盔式：头盔式显示器本身就是双
27、眼独立观看两幅画面，与眼镜式3D成像原理类似，产生景深感。优点：无需另外佩戴其它眼镜。,3D显示的技术形式全息式,全息3D是真正的三维显示，系统复杂，实现难度和成本均比较大。最现实的方式是用激光投射飘浮图像。据报道，日本广播公司(NHK)决心在2020年之前推出第一台Holo-TV，现已拨款28亿英镑用于这一雄心勃勃的项目。据索尼工程师透露，Holo-TV外形好似在地板上摊开的一本大书。激光器负责投射一个“图像云”，好似飘浮在房间中央。观众可以在不佩戴3D眼镜情况下从每一个角度欣赏立体影像。,电子纸显示,可以实现像纸一样阅读舒适、超薄轻便、可弯曲、超低功耗的反射式显示技术。,电子纸技术,代表性
28、的电子纸技术 电泳显示技术(EPD)胆甾醇液晶显示技术(Ch-LCD)电润湿显示技术(EWD)电流体显示技术(EFD)双稳态向列相液晶技术(Bi-TN LCD)干涉调制技术(iMoD)。,电子纸显示的特点省电节能：电子纸显示具有双稳态性，只在更新显示内容时需要驱动，显示静态图像不耗电，且不需要背光。光学类纸性：反射型，宽视角，同纸一样有较好的可阅读性，长时间阅读眼睛不易疲劳，可在户外和阳光下阅读，视角接近180度。超薄、可弯曲：电泳显示电子纸薄膜厚度接近纸张，可选择多种基材作为驱动背板，制作超薄或柔性显示屏，大大提高便携性和抗撞击能力。,电子纸技术的发展史电子墨水和电子纸的概念最先由施乐的PA
29、RC(palo alto研究中心)于1975年率先提出，施乐和松下电子于同年分别申请了电泳显示的专利。1987年日本的NIPPON MEKTRON KK提出微胶囊电泳显示的专利。美国E-Ink公司于1997年成立，实现了电子纸的批量生产和商品化。2007年，Amazon网络书店推出的Kindle电子书，由于丰富的电子书内容和完善的服务平台，同时电子纸像真正的纸一样的显示特性及超低功耗省电，从而引发电子纸电子书阅读器市场的快速成长。,电泳显示技术工作原理电泳显示技术：利用不同颜色带电或不带电粒子在电场的作用下移动，从而实现图像显示。电泳显示技术有微胶囊、微杯、电子粉流体3种典型结构。微胶囊电泳显
30、示技术：由透明微胶囊包裹分散于溶剂中的具有对比颜色两种粒子，其中至少一种粒子带电，与胶粘剂混合后涂布于ITO基材上制成电子纸薄膜。微杯电泳显示技术：在ITO基材上制作精密排列的微杯阵列，往微杯阵列中注入电子墨水，即白色带电颗及黑色的染料，微杯表面进行固化后与胶粘剂层层压制成电子纸薄膜。电子粉流体电泳显示技术：不使用液体为介质，其显示介质是将树脂经过纳米级粉碎处理后所产生的黑色和白色不同电荷的粉体，再把粉体填充于空气介质的微杯封闭结构中。,主要EPD显示技术的比较,电子纸电子书与iPad的比较,电子纸显示技术发展趋势现阶段电子纸市场定位为代替纸张、印刷品，不与多媒体竞争，并非取代LCD等显示器，
31、但未来的研究趋势必然朝着低成本、高速响应、全彩色化、柔性等多个方向发展。低成本：电泳显示技术尤其是微胶囊显示技术由于制作工艺简单和涂布方式类似于纸张生产，良率可望逐年提升。随着产量和良率同步提高，必将使电子纸成本逐年降低。电子书阅读器的价格走势必将与其它消费类电子产品一样逐年降低。3年之内可望降至500元，使之成为一种大众化产品得到普及。在5到10年内电子书阅读器可望成为所有读书看书的人的必备。高速响应：因为电子纸技术依赖于粒子的运动，用于显示的开关时间较长，长达三百毫秒，这个速度对视频应用是不够的。电子纸技术研究的公司都在推进高速响应的技术研发。干涉调制技术(iMoD)电子纸响应速度很快，低
32、功耗。如果在约未来3-5年能在制造工艺获得突破使良率得到明显提升，则在小尺寸显示应用领域可望抢得目前LCD的部分市场，如手机显示屏。,全彩色化：目前彩色电泳显示电子纸可以通过两种方式实现，一种采用彩色滤光片加黑白电子纸，另一种采用彩色粒子或染料，并已制作出样品。由于依赖反射光来成像，电子纸屏看起来有些暗淡，与液晶屏的亮度和色彩准确度相比还有差距。目前电子纸技术研究的公司都在推进全彩色化的技术研发，Qualcomm的iMoD已研制出效果较好的样品，但需要工艺方面的突破才可改善良率，实现批量生产。柔性：正如一般的读者并不期望把书卷起来，采用柔性电子纸显示屏的主要目的不是为了可以卷起来，而是为了便携和耐冲击。柔性电子纸显示屏可选择塑料基板作为背板。采用塑料基板的电子纸重量较玻璃材质减轻80%左右，厚度也仅0.3mm，十分符合轻薄、耐冲击等需求。然而塑料基板需克服的最大难题则在于材料的耐热及耐化性，需持续改良基板材料。,电子纸、电子书,
