Flat Panel Displays 平板显示技术 信息显示器件概述 张小宁 电子物理与器件教育部重点实验室 2018 年 7 月

Flat Panel Displays 平板显示技术 信息显示器件概述 张小宁 电子物理与器件教育部重点实验室 2018 年 7 月

信息显示器件概述 目 录 一 显示器件分类 二 显示技术发展历史年表 三 显示器件主要特性参量 西安交通大学

一 显示器件分类 显示器结构 图像信息信号 驱动电路 显示器件 辅助光学系统 电源 显示器件 : 电光效应器件 显示器 : 显示器件 驱动电路和电源的总称 2018-8-30 西安交通大学 3/50

按驱动方式分类 一 显示器件分类 射束驱动 电子束方式 显示器驱动方式 电极驱动 激光束方式静电方式时分方式 笔段型笔段型矩阵型 无源矩阵型 有源矩阵型 光写入驱动 光导电体转换方式 2018-8-30 西安交通大学 4/50

一 显示器件分类 显示面 显示光 射束源 射束 扫描 2018-8-30 西安交通大学 5/50

一 显示器件分类 电极 X 电极 显示材料层 基板 Y 电极 段电极结构 无源矩阵型显示器基本结构 图像写入光 光导电体层 光阀 显示体 投影光 开关层 X 电极 Y 电极像素电极 显示材料层 透光层 光写入驱动型显示器基本结构 基板 对置电极 有源矩阵型显示器基本结构 2018-8-30 西安交通大学 6/50

一 显示器件分类 按成像方式分类 电子显示器 直观式 投影式 CRT 平板 CRT 光阀 非发光型发光型液晶 DMD LCD 其他 FCRT VFD FED ELD 空间成像式 HMD 全息 其他 PDP LED/OLED 其他 2018-8-30 西安交通大学 7/50

一 显示器件分类 按发光机理分类 阴极射线致发光 CRT/FCRT VFD/FED 电子显示器 主动式发光 被动式发光 场致发光光致发光载流子复合发光 LCD PMLCD AMLCD DMD 液晶光阀 ELD PDP LED OLED TFT-LCD LCOS 2018-8-30 西安交通大学 8/50

一 显示器件分类 Emissive Displays No-Emissive Displays Convert electricity into light Can be seen in the dark! De-couple the light source from the data switching system - using less power But can t be seen in the dark! 2018-8-30 西安交通大学 9/50

一 显示器件分类 Non-emissive displays need an external light source - Non-self-emissive Transmissive display Backlight Reflective display 2018-8-30 西安交通大学 10/50

信息显示器件概述 目 录 一 显示器件分类 二 显示技术发展历史年表 三 显示器件主要特性参量 西安交通大学

二 显示技术发展历史年表 History of display technology development 1960-1980: Scientific Foundations 1980s: The Quest for High Information Content 1990s: The Quest for Color 2000s: The Quest for large size, high performance, low power and added functions Beyond 2010s: Ultra-low power, flexible & 3D? 中国 CRT 电视发展史 2018-8-30 西安交通大学 12/50

二 显示技术发展历史年表 1960-1980 Scientific Foundations LCD RCA Sarnoff Laboratories 1962 R. Williams discovers the phenomenon of Williams Domains in nematic liquid crystals. 1968 G. Heilmeir and his group develop first liquid crystal displays based on dynamic scattering effects Plasma display panel (PDP) University of Illinois 1964 D. Bitzer, G. Slottow, & D. Wilson Patent 1968 Owens-Illinois develops open cell structure 1971 12 diag. 512 x 512 Graphic display product Thin film Electroluminescence (TFEL) Sharp Laboratories 1974 T. Inoguchi and his group report a stable and high brightness TFEL Display 1975 Sharp demonstrates a 320x240 QVGA display 2018-8-30 西安交通大学 13/50

二 显示技术发展历史年表 LCDs in 1960-1980 RCA DSM LCD Clock (1968) 1 st Digital LCD Watch by Optel (1970) ILIXCO TN LCD watch (1971) Key for achieving high quality LCDs! First LCD Calculator Rockwell (1972) Westinghouse Electric T. P. Brody 1st CdSe TFT AMLCD, (6 6,120 120) 2018-8-30 西安交通大学 14/50

二 显示技术发展历史年表 PDP in 1960-1980 4 4 PDP, Illinois University (1964) 1968, 16 16, AC PDP,Illinois University The Industrial Research 100 Award PDPs had better performance than LCDs during this period! 1 st ac Plasma Product Owens Illinois (1971) 12 diag. 512 x 512 Graphic 2018-8-30 西安交通大学 15/50

二 显示技术发展历史年表 1980s: The Quest for High Information Content The personal computer is demanded to be portable Leading fierce competition between emissive and non-emissive display technologies 1974 P. Brody builds 1st AMLCD using CdSe TFTs. 1979 P. Le Comber and W. Spear at the Univ. of Dundee demonstrated a-si TFTs IBM 19-inch orange-on-black monochrome display (1983) 1 st commercial hand held color LCD TV (2 inch) by Seiko Epson (1983) Thin film EL Displays Sharp, Japan 2018-8-30 西安交通大学 16/50

二 显示技术发展历史年表 1990s: the quest for color 1995 and 1996: Sharp In 1991 IBM and Toshiba formed a joint venture to manufacture color AMLCDs for portable computers. The IBM Thinkpad portable PC was introduced in 1992. 1990 T. Shinoda of Fujitsu invented PDP with the threeelectrode panel with RGB phosphors excited by Xenon gas discharge and ADS drive method Sharp (1995) 21 (1992) and 42 PDP (1996) IBM Think Pad portable PC (1992) 200K USD in 2013 50 Pioneer with 1280 768 in 1997 60 plasmaco with 1366 768 in 1999 Sharp 40 inch 1280 768 TFT LCD (1996) Formed by two smaller display screens 2018-8-30 西安交通大学 17/50

二 显示技术发展历史年表 2000s: the quest for large size, high image quality Samsung 40 inch TFT-LCD (2001) Sharp 45 inch1920 1080 LCD (2004) LG 52 inch 1920 1080 LCD (2002) Samsung 54 inch TFT-LCD (2002) Sharp 65 inch1920 1080 LCD (2005) LG 55 inch 1920 1080 LCD (2003) Samsung 82 inch 1920 1080 LCD (2005) Sharp 108 inch 1920 1080 LCD, 2007 LG Philips 100-in 1920 1080 (2006) 2018-8-30 西安交通大学 18/50

二 显示技术发展历史年表 2000s: the quest for large size, high image quality 华星光电 110 英寸 2012 年 2018-8-30 西安交通大学 19/50

二 显示技术发展历史年表 2000s: the quest for low power consumption http://www.energystar.gov 2018-8-30 西安交通大学 20/50

二 显示技术发展历史年表 2000s: OLEDs Before 2000: 1987 C. Tang and S. Van Slyke of Kodak report the development of an efficient OLED device. 1995 C. Hosokawa of Idemitsu Kosan develops an efficient blue emitter material. 1999 S. Forrest and M. Thompson develop efficient red & green electro-phosphorescent materials. 2003 Kodak and Sanyo introduce first color AMOLED product 2007 Sony introduces first color AMOLED TV 2003 Kodak 2007 sony, commerial Samsung, 2008, FHD, 0.9mm SID 2008 CES OLED 2018-8-30 西安交通大学 21/50

二 显示技术发展历史年表 2000s: Added functions in Displays Embedded sensors in displays Source: Toshiba 2018-8-30 西安交通大学 22/50

二 显示技术发展历史年表 Exhibition in 2017 CES LCD/Q-LCD OLED/R(F)-OLED QLED Micro-LED (Backlight) LGD R-OLED (65 ) BOE F-OLED (5.5 ) Samsung QLED (18 ) TCL QD on LED Samsung Micro-LED Samsung Q-LCD TV (98 ) LGD WOLED TV Samsung QD Pixel (65 ) Sony Micro-LED (220 ) Commercial Products or Available Soon Prototypes and Further Development 2018-8-30 西安交通大学 23/50

二 显示技术发展历史年表 Exhibition in 2017 SID (R&D Technologies What Product?) 9.1 Stretchable OLED (Samsung) BOE, AUO (QLED, F-OLED) 65 OLED Wallpaper (LGD) Latest Rollable 77 OLED (2017, 6) (By Courtesy of LGD) 2018-8-30 西安交通大学 24/50

二 显示技术发展历史年表 Beyond 2010 (2014) Flexible Ultra-low power 3D Display technology for TV application Technical challenges? Large size Full color Contrast ratio Low power 3D Flexible 2018-8-30 西安交通大学 25/50

二 显示技术发展历史年表 Technology Trends in Future Displays High resolution: HD Full HD (1080p) UHD (4K) 8K High dynamic range (HDR): Color bit depth 8-bit 10-bit, 12-bit Wide color gamut (WCG): Slim (BT.709) Wide (ITU BT.2020) Source: J. Hartlove (Nanosys), SID 2016 2018-8-30 西安交通大学 26/50

二 显示技术发展历史年表 Wide Color Gamut (WCG): Slim (BT.709) Wide (ITU BT.2020) Source: Kim Meinerth, AMD Radeon Technology Group Summit (2015. 12) 2018-8-30 西安交通大学 27/50

信息显示器件概述 目 录 一 显示器件分类 二 显示技术发展历史年表 三 显示器件主要特性参量 西安交通大学

三 显示器件主要特性参量 (1) 平板显示寻址方式 无源矩阵 有源矩阵 2018-8-30 西安交通大学 29/50

三 显示器件主要特性参量 (2) 灰度显示方式 脉冲幅度调制 (PAM): Pulse Amplitude Modulation 发光时间不变发光强度变化适合模拟驱动 脉冲宽度调制 (PWM ): Pulse Width Modulation 发光强度不变发光时间变化适合数字驱动 脉冲密度调制 (PDM ): Pulse Density Modulation 发光强度不变发光脉冲密度变化适合数字驱动 2018-8-30 西安交通大学 30/50

三 显示器件主要特性参量 (3) 彩色显示方式 空间混色 时间混色 2018-8-30 西安交通大学 31/50

三 显示器件主要特性参量 (4) 显示屏尺寸 显示器可视面积的对角线尺寸, 单位为英寸或厘米,1 英寸 =2.54 厘米 CRT:TV-12,14,18,21,25,29,32,34 VDT-14,15,17,21,25 LCD: 投影 :1.3,1.1,0.9,0.7 笔记本 :8.4,10.4,12.1,13.3,14.1,15.1,17 监视器 :15.1,17.1,18.5, 19,,27 TV:22,26,32,37,40,42,45,46,47, 52,54,55,57,65,70,82,100,108 PDP:21,25,32,37,40,42,46,50,55,60,61, 63,70,76,80,102,103,150 LED: 2018-8-30 西安交通大学 32/50

三 显示器件主要特性参量 (5) 显示幅型比 / 分辨率 Aspect Ratio 4:3 640 480, 800 600, 1024 768 等模拟电视, 视频显示终端 5:4 1280 1024 等视频显示终端 16:9 852 480,1366 768(LCD/PDP 标准 ), 1400 900,1680x1050, 1920 1080 等模拟电视, 数字电视 16:10 1920 1200 等视频显示终端 其他 : 1024x576, 1600 768.? 不同幅型比 / 分辨率的原因? 信号的分辨率? 最佳显示模式? 2018-8-30 西安交通大学 33/50

三 显示器件主要特性参量 (6) 分辨率 (Analog TV) 模拟电视分辨率 格式 NTSC(525/60) PAL/SECAM(625/50) 每场行数 262.5 312.5 每帧行数 525 625 每帧有效行数 ( 扣除场消隐 ) 485 575 2018-8-30 西安交通大学 34/50

三 显示器件主要特性参量 数字电视分辨率 制式分辨率扫描格式 ATSC( 美国 ) 640 480 Interlaced( 隔行 ) 720 480 Interlaced( 隔行 ) 1280 720 progressive( 逐行 ) 1920 1080 Interlaced( 隔行 ) progressive( 逐行 ) DVB( 欧洲 ) 720 576 1440 1152 1920 1152 2048 1152 I/P 不定, 建议 I I/P 不定, 建议 I I/P 不定, 建议 I I/P 不定, 建议 I ISDB-T( 日本 ) 1440 1035 Interlaced( 隔行 ) 2018-8-30 西安交通大学 35/50

三 显示器件主要特性参量 视频显示终端分辨率 格式 显示容量 宽高比 QVGA 320 240 4:3 VGA 640 480 4:3 WVGA 852 480 16:9 SVGA 800 600 4:3 XGA 1024 768 4:3 WXGA 1366 768 16:9 SXGA 1280 960 4:3 SXGA 1280 1024 5:4 UXGA 1600 1200 4:3 QXGA 2048 1536 4:3 GXGA(QSXGA) 2560 2048 5:4 2018-8-30 西安交通大学 36/50

三 显示器件主要特性参量 Bandwidth response time LCD RESPONSE RATES 30 ms:1/0.030 = 33 fps meets specs of NTSC (30 fps), PAL (25 fps) or movie (24 fps) standards 16 ms:1/0.016 = 63 fps meets the spec of HDTV (60 fps) standards 12 ms:1/0.012 = 83 fps meets VESA flicker-free display with CRT of 72 fps and human-eye perception 8 ms:1/0.008 = 125 fps 3D PC games requirement 4 ms:1/0.004 = 250 fps Professional 3D PC games requirement fps = frame (picture) per second 2018-8-30 西安交通大学 37/50

(7) 像素节距 三 显示器件主要特性参量 像素之间的距离, 单位为 mm Pixel Pitch 2018-8-30 西安交通大学 38/50

(8) 灰度等级 三 显示器件主要特性参量 显示的亮度层次按二进制编码划分 : 4 bits:16( 2 4 ) 灰度级, 16 16 16= 4K 颜色 5 bits:32( 2 5 ) 灰度级, 32 32 32= 32K 颜色 6 bits: 64( 2 6 ) 灰度级, 64 64 64= 256K 颜色 7 bits: 128( 2 7 ) 灰度级, 128 128 128= 2M 颜色 8 bits: 256( 2 8 ) 灰度级, 256 256 256= 16M 颜色 全彩色 :Full Color, 8 8 8= 24 bits Gray Scale 2018-8-30 西安交通大学 39/50

三 显示器件主要特性参量 (9) 亮度 Brightness, Luminance 单位面积发光强度, 单位为 cd/m 2 投影显示常用光通量, 光源的辐射功率, 单位为流明 (lm) 几种显示器件的亮度 CRT: 500 cd / m 2 FED:150 600 cd / m 2 PDP:300 1500 cd / m 2 LCD:300 600 cd / m 2 ELD:20 100 cd / m 2 OLED: >300 cd / m 2 LCD 投影 :100 300 cd / m 2 2018-8-30 西安交通大学 40/50

三 显示器件主要特性参量 (10) 对比度 Contrast Ratio 暗室对比度 ( 固有对比度 ):C i = B max / B min 明室对比度 ( 考虑环境光照的影响 ):C 环境照度 E(lm/m 2 ), 荧光粉扩散反射系数 R d B min B max R d E E C B B max min RdE π RdE π C i 1 RdE πb CR i de πb min max C 1 i CR i de πb max 2018-8-30 西安交通大学 41/50

三 显示器件主要特性参量 滤光膜可提高明室对比度, 但相应会降低亮度 滤光膜透射率为 T( 1) TE R d TE TB min E R d T 2 E C C 2 2 RTE RTE d d B Ci πbmin 2 2 RdT E CiR dt E Bmin π 1 1 πb max B B max π i CiR dte πb max min RdE π RdE π C i 1 RdE πb CR i de πb min max 在强环境照度下 (R d E/ B max ) C C 1 max i CR i de πb max TB max C πb R E d max 或者 C πb R TE d max 2018-8-30 西安交通大学 42/50

三 显示器件主要特性参量 (11) 视角 View Angle TFT LCD: 早期 :40 度, 目前 :160 度 投影 :120 度 其他显示器件 :160 度 2018-8-30 西安交通大学 43/50

三 显示器件主要特性参量 (12) 功耗 Power Consumption 显示器件的功率消耗与亮度成正比 功耗过大会引起发热和其他不利影响 为了抑制功耗过大, 需要对与影像信号平均电平 (APL, 一般取 40%) 相应的峰值亮度进行控制和设定 电视机出厂时, 标准的调整状态为最高亮度 ( 全白画面 )120-150 cd/m 2, 峰值亮度 (1% 面积 ) 为 420-550 cd/m 2, 这是普通家庭平均需要的性能 (PDP 常采用 4% 面积, 国标 1% 峰值 ) 2018-8-30 西安交通大学 44/50

三 显示器件主要特性参量 (13) 发光效率 Luminance Efficacy 发光效率 ( ): 单位辐射功率所转换的光通量 (lm / W)= 光通量 (lm) 显示给定图像所消耗功率 (W) 黑场所消耗功率 (W) 40W 钨丝灯泡, 光通量为 468lm, 发光效率为 11.7 lm / W 40W 荧光灯, 光通量为 2100lm, 发光效率为 52.5 lm / W 几种显示器件的发光效率 CRT:>3 lm / W, FED:2-15 lm / W, PDP: 2.2 lm / W, LCD: 4.5 lm / W ELD: 2 lm / W, OLED: 5-10 lm / W, LCD 正投影 : 10 lm / W,LCD 背投影 : 6 lm / W 2018-8-30 西安交通大学 45/50

三 显示器件主要特性参量 (14) 色域与显色体积 显色体积是一个三维指标, 用以表明一台显示器在其所有亮度水平上的色彩再现能力 与此同时, 在确保内容显示符合制作者意图方面, 显色体积也是一项重要的标准 但是, 为什么说显色体积和其他的颜色标准不一样呢? 让我们来仔细研究一下这个全新的颜色测量方法 三星 QLED TV 显色体积 100% 2018-8-30 西安交通大学 46/50

三 显示器件主要特性参量 在 SDR 的世界中, 用二维颜色空间来表示一台显示器的色域被证明是令人满意的, 因为经过校准之后的显示器拥有相似的表现 峰值亮度为 100 尼特, 颜色通常在同一亮度水平 显示峰值亮度的 75%, 达到较好的饱和度 在 HDR 时代, 情况就完全不同了 举例来说, 峰值亮度通常比 SDR 时代高 5~10 倍, 三星 QLED TV 更是能够达到 15~20 倍 亮度水平的变化对于颜色的显示产生了巨大的影响 例如, 如果画面超过显示器峰值亮度, 其颜色就可能无法正确显示, 有时甚至导致画面呈现出 淡化 的效果 即使是相同的内容, 在亮度范围不同的显示器上所表现出来的颜色也不尽相同 2018-8-30 西安交通大学 47/50

三 显示器件主要特性参量 与普通的二维 CIE 1931 色彩空间图表 ( 左 ) 不同, 三维显色体积更好测量显示器的色彩 显色体积的数值越高, 显示器就越能够表现出生动 准确的色彩 HDR 的定义包括了各种性能指标, 例如更高的对比度 更宽广的峰值亮度水平以及在大范围亮度水平上呈现出宽广色域的能力等等, 而显色体积将这些指标都整合了起来 2018-8-30 西安交通大学 48/50

三 显示器件主要特性参量 例 : 一个显示器模组说明 2018-8-30 西安交通大学 49/50

信息显示器件概述 本节课结束 下一节课内容 : 光度学和色度学基础 西安交通大学