摘要　本文简述了显示科技的发展历程，对新世纪光电显示科技提出了展望。

关键词　阴极射线管（CRT）、平面显示器（FPD）、液晶（LCD）显示、等离子（PDP）显示、有机EL显示

一、发展简述

十九世纪末，欧洲科学家开始研究阴极射线（电子束）经由真空状态而撞击到萤光介质表面产生的发光现象，由此诞生了早期的阴极射线管(CRT)。经过50年之研发，此发明才正式进入家电生活中，带动了电视、摄影（像）机产品的普及。美国成为该产业技术发展的重心，到了二十世纪末，亚洲已居世界彩色电视制造重心，也就是说，经过一百多年，显示器工业由欧洲转向美国，再转至亚洲。

近二十世纪后半期，电脑工业也由工业用电脑为中心，成长普及至大量个人电脑。加上人机介面的简易操作化，使人人皆能轻松使用；显示器也就成为电脑周边产品中最大产业。尽管已有百年以上之历史，但CRT产业在计算机普及的带动下，仍在持续成长。据统计，2000年全球市场销售了将近3亿支CRT，其中电视用掉1.5亿支，显示器为1亿支，创造出近3亿美元的世界产值。但是随着市场需求的扩大，技术的成熟以及众多厂商的介入，市场竞争激烈，削弱了其产品利润，致使制造业期待21世纪之显示科技再创造丰厚利润之未来。

即使CRT之影像品质对TV与Monitor使用上之要求皆有一定水准，但由于笨重与光电转换效能不佳，自1950年起，各地之平面显示实验室即积极寻求CRT之替代产品。除了少数例外，大部分之欧美公司不愿对应用科技与量产技术投注心力，只有亚洲公司掌握机会，发展新一代之显示器工业，开创了真正之可携式电脑与壁挂式电视产品。

二、液晶显示技术显现其发展潜力

日本夏普（Sharp）公司于1973年制造出业界第一片LCD，用于掌中型电子计算机。而此全新液态晶体物质是当初由英格兰之Hull大学与美国之RCA实验室所研发。再经过20年，全彩之液晶显示已被用于膝上型电脑；如今电脑不只从昂贵之实验室推展到企业办公室，更进而可被使用在飞机和列车上。日本公司将实验室的发明转换成商业产品的远见，也造就了日本能主导此一数10亿美元之工业。

但是日本对平面显示器之寡占时期却不长久，韩国以国家力量动员来追赶并超前邻近之日本，其中藉由韩国半官方电子显示协会(EDIRAK)之协助，主导企业集团建立有效率的制造厂房，和发展出与欧美主要客户宝贵的商业关系。到了2000年，韩国在平面显示器产业上，已挑战日本之龙头宝座。

笔记本电脑是提供此新兴产业的基础，并且创造出更多的满意客户。原因在于CRT太过笨重与消耗电能太多而不能满足手提式产品的需求。然而，有两方面因素使得FPD制造业却并不太成功。第一：曾多次试著要制造轻巧的掌上型PC，因为早期的型号失败于作出掌上的键盘和高解析度的显示。经过了多次的失败，一个全新产品反而成功地进入市场，但却使用较差的单色显示器与创新之壁上图写式的输入法，这就是PDA的诞生。第二：在90年代，尝试取代桌上型电脑和电视而失败，其原因在于CRT尚能够增强品质与降低成本。

三、对新兴显示技术的要求

20世纪末的后两年，可看见3个趋势来带动显示器产业进入下一世纪的急速扩张。第一：台湾公司积极投资FPD制造业，来增强在整体PC制造上之领先地位；第二：日本消费者开始使用较薄的FPD显示器，空间的节省与美观增强了日本的家用与商用市场；第三：普及又不昂贵的数位相机带动了小尺寸FPD的需求以及全彩的FPD也开始使用在移动电话上。

二十一世纪初之前两年，也确定了新世代之显示科技能够成为我们个人迎向世界之电子窗口。很快的我们将能把全球栩栩如生的影像带入我们的办公室，而且，画质将超过曾看过之最好的电影剧院。届时，色彩的范围、精细的表现与动画的显示，将超越过去电子产品的极限，而合乎人类视觉系统之要求，甚至可能的是FPD产业能够更向前一步，帮助补偿个人视力的缺陷，而让我们有双眼超过2.0的视觉享受。

目前业界有好几项新兴显示科技在角逐，希望能取代CRT成为我们迎向世界之电子窗口。在探讨领导之角逐者前，我们得想想选取一显示器之重要考虑因素，其最终目的是使我们眼前有一清晰之影像。完美的显示器是超越我们视觉系统与头脑对讯号之处理速度，而不是受限于电子显示器本身之不足。与此同时，又必须考量影像之特性；例如有时候，我们就是需要看到即时的影像，但是显示器必须要连结到镜头或感测器(如X-ray感测器)。我们必须明白感测器之极限，与多少讯号能被快速传输到显示器。其他时候，我们希望看到被录下的影像，那我们必须要明白这个影像是如何被电脑与处理器，从储存元件进行撷取以及传输到显示器。

因此第一个特性即是亮度或明度，常以(cd / m2)为单位。亮度的要求常常依据影像本身之特性，如眼睛与影幕之距离或背景光源之强度，笔记型电脑之亮度在100～200cd/m2，而桌上电脑监视器却需要200～300cd/m2，家用电视或电影系统则需500cd/m2以上，在室外的显示要求则更高。在另一极端上，手携式产品，如手机、游戏机常常保持在亮度100cd/m2以下，以降低能量耗损。

影像之清晰与否和对比有强烈之关系，并非是亮度所主导。对比之定义即为最明(全开)与最暗(全灭)之比值。较佳之测量方式为产生一黑白交错之棋盘图，在测量白与黑之强度比。此极佳值为于暗房中之测量值，亦称为暗房对比值。TV与家用，常被要求为500：1以上；电脑之使用则要求为200～300：1，因为极少使用电脑于晦暗之场所；在照明良好之办公室(500 lux烛光)，对比100：1以上就足够；日光下，对比为10：1便可达到清晰。

面板上资料之多寡端赖于各色之像素多寡。目前之最高纪录为IBM的22寸面板，含有9百万以上之像素，为3840×2400。常见到之笔记型面板则为1024×768像素，也称为XGA。像素多寡则跟面板大小与像素密度有关。20寸面板以距离眼睛50cm，对肉眼之极限而言，至少必须有200ppi (单位英寸之像素)。当坐在屋内一端看电视时，较低之ppi是能被接受的。手持式之小面板则需300～400ppi，方能满足肉眼于30cm内阅读。

影响色谱之因素为两项。第一：3色之饱和程度与色阶之多寡；常使用之表示法为RGB之CIE色彩座标，或RGB之NTSC百分比。第二：显示器能完美的依比例混合3色，以单色8 bit作出256阶为例，RGB 3色共能创造出16.8M之颜色。

动画之展现就与显示器之反应时间有关，通常表示之单位为ms (百分之一秒)，肉眼要求为15 ms以下﹔反应时间在50ms左右，适合大部分之电脑使用，但不适合TV与电影。

最后一项要素是均匀性：面板位置与视角范围。绝大部分面板之中央都较周围明亮，尤其当要结合数块面板使成为一大萤幕，则会严重影响效果。大多数之手携式显示器，为了节省电源，常使发光局限于小角度。当面板为固定式或多人同时近距离观看，此项因素会造成困扰。

除了影像品质外，显示器有3项非常重要的特质。第一为显示器之重量与厚度；第二为显示器之电量使用，此二项对手携式之产品尤其重要；第三则是显示器之使用寿命。

综合以上各点，我们来考虑以下数项光电显示新兴科技。

四、光电显示新兴科技产品简介

1.　液晶显示（LCD)

LCD之原理即是对一固定光源进行光线路径之控制。光源可以是内部之冷阴极管、发光二极管，或是外部之自然光线、室内光线。因此可分为穿透式(transmissive)、反射式(reflective)与穿透/反射(transflective) 3种。

LCD最主要之组成元件为液态晶体。当偏极光通过液态晶体时，分子的角度控制了光量通过之多寡。3色是由彩色滤光片所造成。偏光片是必需的，以作出偏光效果，其他光学薄膜亦能增加均匀性。LCD显示器是由多层组合，因此目前最薄之LCD也有5 mm厚，而主要是由于背光模组造成。
就电路之控制液晶分子方式可分成两类，被动模式与主动模式。在被动模式中，电压差是由上下水平与垂直所产生；主动模式使用数个TFT (薄膜电晶体)来控制每一像素。制造主动式驱动之设备与机台相当昂贵，由于效率极佳，因此额外花费并不多。

LCD是目前所有平面显示器中最受欢迎之产品，占有85％之市场。尺寸种类繁多，从微显示(microdisplay)之1cm至对角线大于1m之原型LCD-TV。以18寸为例，如今价格只比同大小之CRT略贵些，亮度达300cd/m2，拥有百万像素以上，暗房对比也有200～300：1。即使于明亮之室内，如此之对比亦能表现出色，而色纯度有60～70%之NTSC标准。

早期LCD之最大不足是视角与反应速度，目前制造业者已努力克服，并推出了革新产品，消费者选购LCD-TV时，仍需小心挑选。

2.　等离子显示(PDP)

若需要一40寸至60寸之显示器，等离子显示器即符合需求。PDP能提供鲜艳之色彩与极佳之反应时间，是展示场与大众播放之最佳选择，其暗房对比远超过500：1。其缺点在于现在的PDP当用于明亮的室内时，对比便会衰减，以及总画素只有百万像素。在早期的产品，如果同一画面长时间显示，即使画面更换后，图案仍会有残留现象。另一重大的障碍是售价过高，使PDP难普及成为家用TV。希望当销售量增加时，价格能快速降低。PDP包含了许多微小的电浆放电，就像萤光灯泡般，除了汞蒸气被钝气所取代。经由电子撞击产生钝气电浆，而放出紫外光。之后又经由萤光物质而产生红绿蓝。

3.　投影显示(Projection)

另类产生影像的方式是经由一投射系统，影像是由一微小面板所产生，其对角线介于1～5 cm。原理是投射灯泡的光线，经由液晶分子或细小可动反射镜之控制而产生不同影像。然后以复杂光学系统含镜片、反射镜和棱镜，来放大影像与聚焦在影幕上。

通常投影系统可分为两种型式，前投影与背投影；主要是依据投射系统是在影幕前方或后方而分，背投影系统常以一单机售出，所以影像的大小是固定的。

在这过去几年，投影系统画质已被急速改良，尤其是在亮度与对比上。两种型式的投影系统皆能于微暗的室内提供极佳的画面。在明亮的室内，背投影式于黑色萤幕上能提供较佳的对比与清晰的画面。在将来的5年，背投影电视将会与PDP、LCD激烈地竞争家庭剧院系统的市场。

4.　研发当中之技术

有机发光二极体(OLED)已在学校实验室与工业研究所造成极大的轰动，这是一种固态元件，就像是半导体，但比LCD更加的轻薄。他拥有与PDP相当的优点，因为他们能向各方向放光，以及对动画快速反应，并能被制造于弯曲、弹性的表面，也应当不会有总画素的限制。照理说OLED面板之材料花费应比LCD或PDP低很多，但仍需更多努力才能降低制造成本。绝大部分的分析师都相信，如果制造成本能降低到与LCD一般，那么OLED将会在2007至2010年以前成为最受欢迎之显示器。

其他新的科技也可能会出现在将来的5～15年，可能是某种的「电子纸张」，上面的小墨点经由外来电场之控制，能显现或变换颜色。新发展的碳微米管也有可能再带起没落的显示科学，如场发射显示器(FED)或真空萤光显示(VFD)。在实现与人眼相当的显示器以前，相信还会有其他更好的发明与科技进展，以使我们能有迎向世界的电子窗口。

原文作者：Norman Bardsley, Ph.D. / US Display Consortium