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面板显示——成像原理及显示技术介绍
2021 09 07


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现代社会生活,远到街边的商业屏、近到手边的智能手机、电子手表,显示面板逐渐渗透到生活中的方方面面,是信息化时代必不可少的一环。从第一代的阴极射线管显示(CRT),到液晶显示(LCD)、发光二极管显示(LED)、电泳显示技术(EPD)、等离子显示(PDP)、真空微电子显示(FED),以及有机发光二极管(OLED)、Mini-LED和Micro-LED技术等,人类对于视觉信息的追求从未停止。


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(图表 1:CRT 数据来源:Coldfusion)


集成电路的可迭代性,让LCD、LED、OLED从一众显示技术中脱颖而出成,成为目前最主流的显示技术。LED本身作为发光二极管采用行扫描列数据的驱动方式,LCD和OLED都应用TFT(薄膜晶体管)半导体集成电路来精准控制像素最终成像,伴随设计和工艺迭代不断增加电子迁移率,显示性能越来强,同时也带动相关材料和产业不断进步,成本越来越低;伴随摩尔定律的发展与TFT相连的显示驱动芯片、向驱动芯片发送指令的时序控制芯片不断迭代,产业生态不断进步,从而淘汰了其他高端显示技术如等离子、CRT(彩电时代主要技术)等。而OLED、Mini-LED、Micro-LED则是人们对LCD和LED技术的不断改进,中短期这些技术仍然会是百花齐放长期并存,但未来谁又会成为主流的技术?又或是另一个新型显示技术登上历史舞台?


01

成像基础


在这些技术路线之下,成像技术的基础是人类视觉系统对光的感知。我们的视觉实际上是靠眼睛的晶状体成像,感光细胞感光,并且将光信号转换为神经电流,传回大脑引起人体视觉。


首先当光停止作用后,产生的视觉仍然会保留一段时间,所以当图像的刷新频率足够快,视觉系统会将一个一个的像素视为一帧整体画面,并将这一帧帧的画面视为连续画面。目前对于人类可分辨的刷新频率上限并未有定论,但是刷新频率越快,成像越流畅,人类的眼睛具有适应性,难从高频率降到低频率画面,也就越来越挑剔。


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(图表 2:CRT 数据来源:MGM school of film art、一加官网)


在漫长的进化中人类形成了视杆细胞和三种视锥细胞,三种视锥细胞有各自的感光频段(图三左),大部分人的感光范围便是380-780nm;而视杆细胞不识别色彩对光更敏感,几乎用于夜视力形成黑白视觉。依据此生物原理,我们用红(R)、绿(G)、蓝(B)作为三原色通过组合来模拟我们眼睛所能看到的颜色,电子产品的色域即该设备能够模拟的人类可识别颜色的范围。从图可以看出虽然我们的显示设备已经足够精细,但是RGB模式是无法完全模拟人类的所有可分辨颜色(图三右)。这里也涉及到色位的概念,目前常用的是6、8色位,少数使用10位,如果是8色位则代表系统的每个三原色都有28个阶(种类),整个系统就有28*28*28种颜色。


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图表 3:视锥细胞感光范围和人类色域

数据来源:搜狐-眼睛里的光、wiki


而我们的眼睛对于物体的尺寸识别也有物理极限,所以当我们把足够小的颜色块拼凑在一起时,人眼无法识别细小的块区域,而会构成一幅完整的画面。所以电子产品将屏幕或画面分成足够细小的像素,每个像素单独成像构成了一幅图片,图片不断刷新形成了连续画面。在RGB模式下,每个像素又会被分为红绿蓝三个子像素。相同尺寸下,画面或屏幕包含的像素越多,图像也就越清晰。而显示驱动芯片以及其他对应的功能芯片需要共同协调工作,控制屏幕中每个子像素的成像以形成精确的画面,不同的显示技术则运用了不同的原理达到这一目的。本文主要介绍目前较为主流的面板显示技术—LCD、OLED、Mini-LED、Micro-LED。


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图表 4:像素说明 数据来源:wiki



02

显示原理介绍


(1)液晶显示(LCD)


LCD主要有背光模组、玻璃基板、液晶、彩色滤光片、两个偏振方向互相垂直的偏光片等部分组成,是通过背光模组发光的被动式发光技术。背光模组发出光亮,如果光通过偏振方向相互垂直的偏光片组,像素看上去就是黑灰色(无法达到绝对的黑色);如果通过底层偏振过滤片的光线偏振方向被液晶旋转,那么它就可以通过最外层偏振片达到成像的效果。通过控制电压电流使得液晶分子的旋转排列产生变化,从而改变通过光线的旋转幅度,达到不同的成像需求。(为更精准地控制每个像素,主流技术为TFT-LCD,TFT即薄膜晶体管,即把芯片的最小单位晶体管刻在薄膜上实现半导体的控制效果)


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图表 5: LCD显示面板构成  LCD-TFT单个子像素对应电路图

来源:公开信息


目前这一技术已经十分成熟,应用广泛且成本低。但是由于其被动式的发光模式,无法达到纯净的黑色,图像对比度被削弱;光源发出的光无法全部被利用,有一定的能源损耗,耗电量较高;根据背光源的布局位置,成像角度受到影响;结构较为复杂,屏幕整体较为厚重。


(2)有机发光二极管(OLED)


OLED是自发光技术,类似于三明治的结构。在一定电压驱动下,通过激发的原理将电直接转化为光。由于OLED可以自行发光且结构简单,故其在对比度、耗电量、厚度、屏幕响应时间等方面都优于传统的LCD屏幕。此外OLED技术的另一优势是其基板材料可用具有弯曲性能的塑料基板(传统工艺:玻璃基板),故具有可弯曲性。大部分OLED同样使用TFT技术以达到精确控制像素的目的,但电路图与LCD的TFT略有不同,被称为AMOLED(有源驱动OLED)。


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图表 6: OLED显示面板构成 OLED-TFT单个子像素对应电路图

来源:公开信息


但是OLED也有一些难以解决的问题。首先,OLED三原色发光材料中不同颜色的寿命以及性能具有差异(一般是红蓝发光材料性能会快速损耗),会使得正常的显示内容发生严重色偏,甚至由损耗区域组成某种图形,这就是烧屏现象。


为了解决这一问题各大厂商做了许多软硬件上的优化,其中包括更改像素排列方式——增大红蓝材料的面积。由此三星研发出了Pentile排列,并申请了相应的专利。其余各厂商也分别研制出了自己的特殊排列方式,但这样一来却降低了屏幕整体的像素密度,即相同分辨率相同尺寸下,清晰度降低。以标准RGB排列为密度单位1,Pentile排列的像素密度为0.82,京东方研制的排列方式为0.71,其余方式可能在0.67左右,下图显示面积相同左边OLED pentile像素组数量小于右边LCD-RGB排列方式。


其次为了保持OLED像素中有机物的活性,往往不会将电压加的过高,OLED为了寿命牺牲了亮度,所以往往OLED产品最高亮度远低于LCD产品。


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图表 7: Pentile像素排布和标准RGB像素在相同面积排布数量

来源:公开信息


(3) Micro LED技术


正如上文所说液晶背光板的光源经过层层膜组以及液晶筛选,光源利用率往往只达到了10%;并且背光源整体发光无法精确控制,对比度不够且容易产生光晕。所以最优的显示就是去掉层层膜组结构,直接利用发光源,利用率大幅提高的同时,亮度远超现在LCD和OLED。目前LED灯株颗粒较大(毫米量级大小),如果有留意户外的商业屏幕或一些机场的显示屏幕,近看是可以发现一颗颗的小(大)灯株,故无法应用于电视、电脑等消费电子。


为不断提升显示质量,市场提出了Micro-LED(LED芯片尺寸小于100微米)用以往的无机材料发光二极管替代有机发光材料。Micro-LED与目前户外的商业屏显示技术除了尺寸上的区别还有驱动方式的区别,Micro-LED沿用LCD和OLED的TFT技术,以半导体工艺达到精确控制单个像素成像的目的。Micro-LED将微米尺度(目前可达到10微米,头发丝的直径一般在60-100微米)的LED芯片阵列到TFT驱动基板上,从而实现对每个芯片发光亮度的精确控制,同时由于没有了液晶、滤光片等层层结构的阻挡,Micro-LED具有了高解析度、低功耗、高亮度、高对比、高色彩饱和度、反应速度快、厚度薄、寿命长等特性,功率消耗量可低至LCD的10%、OLED的50%。但是商业化还需要一定的时间,目前定制化产品百万人民币及以上。


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图表 8: LCD、OLED、Micro LED结构对比以及理论厚度

来源:Cinet


(4)Mini-LED技术


由于Micro商业化需要时间,Mini-LED(LED芯片尺寸大小 100-300微米左右,)产品便产生了,但是由于其大小还不够细腻到作为像素级材料单独发光,人眼也能够识别,便将其用于改进LCD显示中的背光模组。故Mini-LED屏幕显示仍然类似于液晶屏幕,只是把背光模组的灯珠数变得更多,分区变得更加细化。传统背光一般由十几-几百颗灯珠组成,而Mini-LED的背光则由几千-上万的LED灯珠组成。通过更加精细化地分区控制背光模组开关,以达到媲美OLED显示技术的成像效果,并且亮度远超OLED,在HDR视频源下甚至优于OLED显示。但是灯珠的增多也增加了屏幕的厚度和设备的重量,所以这项技术更多是用在平板、电脑、电视等大屏幕设备;并且由于成像原理整体仍然类似LCD,所以成像角度仍然不如OLED,侧面看仍然有差距,虽然大部分人都不会从侧面去使用屏幕。


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图表 9:常规LED与Mini-LED灯珠大小对比

数据来源:先看测评


苹果在2021年4月发布新款搭载Mini LED背光的iPad Pro,在亮度、对比度、色彩还原等方面远优于普通LED做背光的LCD显示屏。包括华为、三星、LG、TCL、小米、康佳、创维、长虹、海信、飞利浦、乐视等品牌相继推出Mini-LED背光电视,终端产品不断丰富。


下图展现了细化背光模组对整个图片质量的影响,从左到右依次是无分区发光板持续照亮、条形发光分区(10分区,十量级LED数量)、栅格发光分区(100分区,百量级LED数量)、细化栅格分区(1000分区,万量级LED数量),显示效果从左到右也依次变好。以苹果最新的ipad pro为例,共采用10000颗LED灯珠(上一代用72颗),共2500个分区精细控制;华为75寸Mini-LED电视采用46080颗灯珠,2880分区。


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图表 10: 背光模组分区对显示效果的影响

来源:Cinet


Mini-LED已经能显著提升显示效果,而12英寸的Micro-LED屏幕具有超过几十万数量的小灯珠且自发光,从原理上会提供更为惊艳的显示画面。但Micro-LED是更加精细化的设备对几乎整个生产环节都有比以往更高的要求。目前Micro-LED生产主要有三大难点:显示芯片结构更复杂、巨量转移技术(怎样将几十万、上百万的灯珠与驱动电路高良率地结合达到99.9999%的精确)、对坏点和缺陷像素的处理(如果某几个像素损坏或转移失败如何优化、如何维修)。

 

总结:目前市面上广泛应用的面板技术为TFT-LCD以及AMOLED。普通LED主要用于室外商业屏。从TFT-LCD到AMOLED实质是技术的延伸和发展,他们之间技术相关性和资源共享性高达70%,各自也有各自的缺点,OLED与LCD会长期共存共同发展。


LCD以其技术成熟成本低、迭代快等优点成为目前面板显示领域的主流应用,占比约90%;而OLED以其厚度薄、高对比度、可柔性化等优点迅速占领手机以及可穿戴设备市场,目前2020年上半年智能手机中AMOLED比例已经达到40%,未来有望进一步上升;同时OLED的电视产品渗透率也逐年上升;OLED屏幕目前主要被韩国的三星和LG等厂商占领。Mini-LED作为Micro-LED的过渡阶段刚达到量产的阶段,目前各大厂商也陆续推出了大量相关产品,主要应用于电脑、电视、平板等中大显示设备,Mini-LED的出现可能会减缓OLED在中大尺寸屏幕的渗透速度。而Micro-LED虽然理论性能优越但离实现量产仍然有一定的距离,这中间是否会出现新的技术?仍然是一个未知数。


作者 | 天堂硅谷信息技术事业部 郭斌

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