光電子顯示技術的發(fā)展趨勢

1、 光電子顯示技術的發(fā)展趨勢摘要:作者前一段時間參加了頌豪院士主持的市光電子產業(yè)發(fā)展思路研究軟課題調研組,旨在為市的領導者在發(fā)展光電子產業(yè)的決策中提供客觀和科學的參考。課題組在查閱大量的國外有關光電子產業(yè)發(fā)展動態(tài)資料的同時,先后去了、等光電子產業(yè)發(fā)展活躍的地區(qū)進行了較為細致的考察,此外又與市的諸多光電子產業(yè)的企業(yè)家、大學教授以與科研人員多次舉行座談。對市光電子產業(yè)發(fā)展思路構建了較為清晰的輪廓,其中對市提出應以“光電子顯示技術作為龍頭”,即以照明顯示為核心,實現市光電子產業(yè)跨越式發(fā)展的建議。本文將著重對LED和DLP(DMD)等目前幾種主要的光電子顯示器件的技術發(fā)展趨勢予以簡要闡述。 關鍵詞：光電

2、子顯示器件,LED,PDP, FED,OLED,DLP(DMD)引言    鑒于光電子技術和產業(yè)已成為21世紀高科技競爭的焦點,隨著全球信息化時代技術創(chuàng)新浪潮的日益高漲,我國的科技界和企業(yè)界以與政府部門對迅速發(fā)展的光電子技術和產業(yè)的深遠意義和巨大潛力皆予以足夠充分的重視。作為經濟發(fā)展迅速的市,在發(fā)展光電子技術和產業(yè)方面,只有抓住機遇,選準方向,在市場的牽引下,有所創(chuàng)新,有所突破。相信一定會把市的光電子技術和產業(yè)的發(fā)展推向國際信息化的前沿,成為一個與時俱進的現代化的都市。     目前，市已基本建立了以科學城為基地的光電子產業(yè)園區(qū),隨著

3、科學城開發(fā)面積的擴大,以科學城為中心的光電子產業(yè)的硬件環(huán)境已日益完善。現已吸引了多家外企落戶科學城,建立了諸多的以光電子產品為主的企業(yè)集團公司。在市場需求的牽引下,一些企業(yè)已逐步形成了一定的產業(yè)規(guī)模?，F已初步形成以液晶顯示(LCD)、發(fā)光二極管(LED)、等離子體顯示(PDP)、場發(fā)射平板顯示(FED)、有機發(fā)光二極管(OLED)、數字光處理投影顯示(DLP)、全息顯示(HOLOD)為主的光電子顯示產品的產業(yè)群。此外,激光加工技術與其產業(yè)和光傳輸、光器件也在原有的基礎上得以迅速發(fā)展；光盤驅動器、激光視盤產品、光盤產品現已形成超過數十億元人民幣產值的規(guī)模。在市光電子產業(yè)園區(qū)光電子產業(yè)的產值大約為

4、95億元人民幣。據預測,在今后2-3年,產值將達到275億元人民幣,而到2005年則可形成360億元人民幣的產值?；谏鲜霎a業(yè)發(fā)展的特點,建議市應進一步整合光電子產業(yè)顯示領域的產業(yè)結構鏈,形成更為合理的產業(yè)配套。    在光電子產業(yè)的光電子顯示領域里,液晶顯示(LCD)、發(fā)光二極管(LED)、等離子體顯示(PDP)、場發(fā)射平板顯示(FED)、有機發(fā)光二極管(OLED)、數字光處理投影顯示(DLP)、全息顯示(HOLOD)是站主導地位的顯示技術,下面著重簡要介紹發(fā)光二極管(LED)和數字光處理投影顯示(DLP)。1,發(fā)光二極管(LED)  

5、60; 半導體的發(fā)展可劃分為以下三個階段：    第一代半導體,1950年代：當時是以硅材料為主,其特征是頻率低、非直接帶隙,無發(fā)光器件；    第二代半導體,1970年代：出現了GaAs基、InP基黃、紅光發(fā)光管與激光器,促進了光電子與軍用微電子(1-300GHz)的發(fā)展。在光纖通訊、無線通訊等領域獲得了發(fā)展應用；    第三代半導體,1990年代：GaN基半導體的誕生,其特征是 寬帶隙36eV,發(fā)射紫外、藍光。由于紫外、藍光LED的出現,使LED白光照明成為可能,同時、在大容量存儲方面也得到了發(fā)展應用

6、。      1964年,世界上第一只紅色-族GaAsP-LED誕生,這也就預示著固體發(fā)光時代的來臨。不久,橙色、黃色和黃綠色LED也相繼問世,實現了在波長940540nm圍發(fā)光的全固化。二十世紀七十年代,LED產業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展的春天,在大屏幕顯示、交通信號燈和儀器儀表指示等領域得到廣泛應用,并隨著家用電器產業(yè)的發(fā)展LED進入了人們的生活。但是實現全色顯示尚缺發(fā)藍光的LED,藍光的空缺一直是個障礙。    1994年,氮化鎵基藍、綠光AlGaInN-LED的出現了,這是LED發(fā)展史上的又一個里程碑,它使戶外全色顯示和半導體

7、照明成為可能。    藍光發(fā)光二極管(LED)是以第三代半導體氮化鎵(GaN)為代表的藍色發(fā)光二極管。國外都對該領域投入了大量的研究,美國和日本現已掌握生產純藍和純綠光的氮化鎵基(GaN)材料的生長工藝。我國已在實驗室生產出氮化鎵基(GaN)藍色發(fā)光材料,目前正在進行產業(yè)化生產方面的研究。氮化鎵基固態(tài)光源是一個GaN-白光LED發(fā)光器件,具有全固體、冷光源、壽命長、體積小、光效高、響應速度快、耐候性好等優(yōu)點。在國民經濟的眾多領域具有廣泛的應用前景,正已引起科技界和產業(yè)界的極大關注,成為半導體領域新崛起的研究熱點和經濟生長點。    白

8、光LED點燃了真正“綠色照明”的光輝,被認為是21世紀最有價值的源,將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導,使照明技術面臨一場新的革命,從而一定程度上改善人類的生產和生活方式。    氮化鎵基(GaN)材料特點以氮化鎵(GaN)為代表的III-V族寬帶隙化合物半導體材料,、外量子效率高,具有高發(fā)光效率,高熱導率,耐高溫,抗輻射,耐酸堿,高強度和高硬度等特性,是世界目前最先進的半導體材料。     氮化鎵基(GaN)材料可制成高效藍、綠光發(fā)光二極管LED和激光二極管LD,并可延伸到白光LED,將替代人類沿用至今的照明系統(tǒng)。氮化鎵基(Ga

9、N)藍光二極管還將帶來IT行業(yè)數字化存儲技術的革命。 是室外高亮度、高清晰度大屏幕全色顯示屏關鍵部件。華南師大學以頌豪院士為首的研究開發(fā)隊伍也正與企業(yè)合作開發(fā)第三代半導體氮化鎵(GaN)為代表的藍色發(fā)光二極管。    第三代半導體GaN基LED是一種耐高溫、高頻、大功率、抗輻照與抗腐蝕的光電子器件;其發(fā)展與光電子、微電子技術同步發(fā)展;目前該技術發(fā)展十分迅速,日趨成熟,而市場需求驅動力又十分大,它具有巨大發(fā)展空間;產業(yè)化轉化速度亦非?？?其從低端產品不斷向高端產品發(fā)展：GaN基半導體發(fā)展史1969年：第一次外延GaN；1969年：開始用MOCVD技術生長GaN；19

10、71年：第一只GaN LED；1986年：低本底濃度的GaN膜出現；1989年：解決PGaN 生長；1992年：日亞化學 (Nichia) GaN LED歷史性突破；1994年：GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors)出現了高電子遷移率的藍光GaN基二極管。    由于GaN在高溫生長時氮的離解壓很高,目前很難得到大尺寸的GaN體單晶材料,所以只能在其它襯底上進行異質外延生長。在各種生長技術中金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)和分子束外延技術(MBE)已經成為制備GaN與其相關三元、四元合金薄膜的主流生長技術。MOC

11、VD方法的生長速率適中,可以比較精確地控制膜厚,特別適合于LEDs和LDs的大規(guī)模工業(yè)化生產。目前已經成為使用最多,生長材料和器件質量最高的方法。美國的EMCORE和AIXTRON公司以與英國的Thomas Swan公司都已經開發(fā)出用于工業(yè)化生產的族氮化物MOCVD(LP-MOCVD)設備。 分子束外延(MBE)是一種用于單晶半導體、金屬和絕緣材料生長的薄膜工藝。用這種工藝制備的薄層具有原子尺寸的精度,這是它的獨特特征。原子逐層沉積導致薄膜生長。這些薄層結構構成了許多高性能半導體器件的基礎。MBE現在是一種可進行大批量生產的技術。多晶片、高產量的MBE系統(tǒng), Semicon V150系統(tǒng), 用

12、計算機控制進行自動化生產一次可以生長四個6 英寸,九個4英寸或16個3英寸晶片。單機年產量可以超過一萬片的6英寸晶片。    氮化鎵基藍光LED的出現使全色顯示成為可能。    全色LED顯示系統(tǒng)特點：    1、RGB 三色均有16 bit灰度級    2、支持標準的VGA、NTSC、PAL、SECAM 視頻系統(tǒng),類似CRT動態(tài)顯示信號輸入選擇：(1)TV、VCR、LD、DVD；(2)視頻相機、RS232、調制解調器；(3)MPEG系統(tǒng)；   

13、 3、通過自敏感系統(tǒng)自動調節(jié)各種顏色亮度 1 100%；    4、具實時自檢系統(tǒng)；    5、具柔性抗GAMMA修正；    6、具光纖數據傳輸能力；    7、具遙控通訊與定時軟件；    8、水平廣視角,無透鏡可達170°；    9、屏幕尺寸可靈活設計；    10、實時60Hz圖象無閃爍處理器；    11、可在強、高溫環(huán)境下使用；

14、60;   12、模塊化。易安裝,耐惡劣環(huán)境,恒流電源驅動、低熱,高功率效率,256級亮度調節(jié),高精度CNC外罩設計。    目前,LED產業(yè)競爭的焦點集中在白光LED、藍、紫光LD以與大功率高亮度芯片。白光LED是繼白熾燈和日光燈之后的第三代電光源,是世界各地光源和燈具研究機構競相開發(fā)、努力獲取的目標,是未來照明領域的明星行業(yè)。白光LED的能耗僅為白熾燈的1/8,熒光燈的1/2,節(jié)約能源,而其壽命可長達10萬小時。白光LED的無汞化,易回收,益于環(huán)境保護。因此各國政府均大力扶持白光LED的發(fā)展。美、日、歐盟等發(fā)達國家皆由政府成立專項,積極推行

15、如：日本的“21世紀的光照明”計劃,時間是從1998年2002年,將耗費50億日元推行半導體照明,目標是在2006年用白光LED替代50%的傳統(tǒng)照明；美國的“國家半導體照明計劃”,時間是從2000年2010年,計劃投資5億美元；歐盟的“彩虹計劃”,已在2000年7月啟動,通過歐共體的資助,推廣應用白光LED。目前,世界上掌握LED技術的新興半導體企業(yè)紛紛和老牌照明燈制造商聯手,搶占這個未來最大的照明市場。 2,數字微反射鏡(DMD)與數字光處理器(DLP)投影顯示系統(tǒng)    數字光處理器(DLP)是近幾年光電子顯示技術中的一支突起的異軍,是高技術創(chuàng)新領域里的一顆光

16、彩奪目的新星。隨著光電子技術和大規(guī)模集成電路制作術的發(fā)展,一種被稱之為數字微反射鏡器件(DMD)應運而生,數字光處理器(DLP)便在此基礎之上使新一代的光電子顯示投影產業(yè)迅速發(fā)展起來。光電子技術和產業(yè)已成為21世紀高科技競爭的焦點,隨著全球信息化時代技術創(chuàng)新浪潮的日益高漲,我國的科技界和企業(yè)界以與政府部門對迅速發(fā)展的光電子技術和產業(yè)的深遠意義和巨大潛力皆予以足夠充分的重視。光電子顯示則是光電子技術和產業(yè)的重要組成部分。多種光電子顯示的技術和產業(yè)在市場的牽引下繽紛異彩地呈現于世并蓬勃地發(fā)展著。目前,光電子顯示產品琳瑯滿目,其產業(yè)群的雛形也已星羅棋布地出現在新興的高科技產業(yè)開發(fā)區(qū),創(chuàng)新技術不斷涌現

17、。數字光處理器的發(fā)展    光電子顯示中的數字光處理技術(DLP)-Digital Light Processing,1993年美國德克薩斯儀器公司在Larry Hornbeck 1987 年發(fā)明的數字微反射器件DMD-Digital Micromirror Device的基礎上通過不斷地探索和試驗而應用到商用投影顯示中,準備推出的一種新一代的光電子顯示產品。在1993年的一次國際信息顯示學會(SID-Society for Information Display)研討會上,Dr.Larry Hornbeck小圍展示了一臺基于他發(fā)明的DMD技術的投影儀。 最初的D

18、MD    當時是使用一塊768×576像素的DMD器件,它只能顯示PAL或NTSC的視頻信號,而且其對比度也只有50:1。而后德克薩斯儀器公司對此又繼續(xù)不斷地投入發(fā)展研究經費,Dr.Larry Hornbeck和他的同事又繼續(xù)深入地發(fā)展研究,使DMD的性能如：分辨率、亮度、可靠性等不斷提高,其制造工藝亦日臻成熟,他們的研究成果很快就得到了諸多投影儀生產廠家的認可。 1994年用DMD裝備的原型投影儀首次向世人展示了較為成熟的DLP技術應用成果;1995年德克薩斯儀器公司宣布該公司的DLP產品與它的第一個客戶簽署銷售協議；1996年4月世界上第一臺DLP

19、投影儀系統(tǒng)正式發(fā)貨給某公司。從1987年Larry Hornbeck 博士發(fā)明DMD經不斷完善,直到形成DLP成熟的投影儀產品先后花了近十年的時間。     Dr.Larry Hornbeck在研究開發(fā)DMD和DLP的整個過程中先后取得29項專利；1997年DLP投影儀被美國藝術與科學動畫學會首選為奧斯卡(Oscars)影片展示的放映設備,好萊塢(Hollywood community)亦采用DLP影院技術；    從1996年至2001年底德克薩斯儀器公司已直接售出系統(tǒng)整機100多萬部。    由于Dr

20、.Larry Hornbeck 在研究DMD和DLP學術上的貢獻于2002年被國際光學工程學會(SPIE)選為特別榮譽會員。 3.數字微反射器件(DMD)的基本結構和工作原理    DMD是在半導體硅的基底上用大規(guī)模集成電路的技術,通過半導體微細加工技術巧妙設計、精密制作,在硅襯底基片上制出一個微存儲器 。DMD晶片包含成千上萬的微反射鏡,每個微反射鏡代表一個像素,開或關的狀態(tài)就可創(chuàng)建一幅圖像。每一個微存儲器上刻蝕出兩個尋址電極和兩個搭接電極；在緊靠基底電極的上方用涂覆、光刻、濺射、鍍膜等大規(guī)模集成電路制作工藝制作一個正方形微形反射鏡；通過扭臂樑鉸鏈在正方形微形反

21、射鏡的對角線方向上把它固定在兩個支柱上而形成一個“蹺蹺板”式的結構。由于在微反射鏡和尋址電極之間存在差動電壓,可以構成使微反射鏡繞扭臂梁旋轉的力矩,在旋轉的力矩的作用下,微反射鏡將一直被鎖定在某一位置上,當復位信號出現時微反射鏡便可回到正常位置；也可以把它們看成是一個由大約50萬至130萬(848×600)個正方形微反射鏡一個挨一個排列成的“微反射鏡陣列”。每一個微反射鏡皆可以傾斜,于是照射在上面的光線也就會出現直射和“斜射”兩種狀態(tài)；若把一幅圖像也分為848×600個像素,再根據其明暗轉化為數字脈沖,于是控制那個“微反射鏡陣列”中每個微反射鏡的傾斜狀態(tài),就可以產生一幅再現

22、出原圖明暗狀況的圖像了。由成千上萬個這樣的微反射鏡組成DMD器件芯片,每個微反射鏡子代表一個像素,能被開或關來創(chuàng)建圖像。DMD微反射鏡陣列可由視頻信號來驅動的。像素的灰階數一般為 256種,它是由入射光的脈沖寬度調制而實現的。亦即由微反射鏡構成的像素在視頻信號每一幀的時間處于“開”和“關”兩種狀態(tài)的占空比來決定該像素的灰階。 DLP產生色彩是由于放在光源路徑上的色輪(由紅、綠、藍組成)。由一個微型電機驅動的三原色濾光色輪與視頻信號嚴格地同步以便在視頻信號一幀的時間合成所要求的顏色 。    DLP投影機可分為：單片DMD機(主要應用在小型投影機產品);兩片DMD機

23、(應用于大型拼接顯示墻);三片DMD機(應用于超高亮度投影機)。目前的DLP投影機最常見的是單片式DLP投影機。在單片式DLP投影機中,放在光源路徑上的紅、綠、藍三原色濾色鏡組成的色輪是一個關鍵的著色部件。    單片式DLP投影機的基本原理是:    由DMD產生的灰度信號,通過放在光源路徑上的色輪交替地反射彩色光,這樣一來,就會使各種色彩的圖像以很高的速率呈現在屏幕上,并在觀察者的眼睛中組合成為一幅完整的彩色畫面。控制電路可根據當前的色輪旋轉位置,把相應色彩的圖像信號傳遞給DMD器件,交替顯示在投影屏幕上,紅、綠、藍單色圖像就組合

24、成一幅色彩豐富的畫面。由于每種顏色的灰階都是8 bit,即256種,那么三原色總共便可產生256x256x256大約1600萬種不同的顏色。單片式DLP投影機的體積非常小,重量輕,最適合于使用者便攜使用。     三片式的DLP的投影機是由三片DMD器件組成；DLP投影機的三片DMD器件的空間位置經專門計算設計安排；來自照明光源的白光經特殊設計的分光棱鏡系統(tǒng)后分成紅、綠、藍三色光；紅、綠、藍三色光分別以一定的角度照射到三個DMD器件上,在三個DMD器件上當處于“開”狀態(tài)的微反射鏡把該顏色的光反射后再次通過該棱鏡系統(tǒng)重新合成,最后通過變焦物鏡把彩色圖像投影到屏幕上。

25、    DLP投影機具有以下的優(yōu)點 ：    1,對比度高。DLP技術可以使圖像隨窗口的刷新而更加清晰,其黑白對比度高,目前DMD圖像的對比度已超過100：1；    2,高清晰度。DLP投影機投射的圖像,無論遠的或近的圖像都是非常清晰的,并且能夠全屏地填充屏幕；    3,高亮度。在DMD器件中兩個微反射鏡,即兩像素的間隔為一個微米,有效反射率在百分之六十以上,更多的光線投射在屏幕上使圖像演示效果愈嘉,完全可以在白晝光亮中演示；    4,色保

26、真度高。由于DMD器件的灰階和色保真度皆由微反射鏡“開”狀態(tài)的占空比所決定,而占空比又是脈沖調制來控制,最高可達10 bit即1024級,而三原色混合可產生10億種不同的顏色。數字彩色的再現會保證投影圖像更加逼真,不會出現發(fā)亮的斑點；    5,可靠性高。DMD數字投影機經德克薩斯儀器公司的可靠性模擬試驗,正常工作可達76000小時,和1萬多次無故障穩(wěn)定地運行；    6,響應時間快。由于DMD器件中單個微反射鏡重量輕,轉動慣量極小,從“開”態(tài)到“關”態(tài)大約是10微秒,其響應時間非常短。    7,高分辨率 。一般電腦、電視屏幕,投影機解析度的標準規(guī)格：    VGA: 640 x 480像素數    SVGA: 800 x 600像素數    XGA: 1024 x 768像素數    UXGA: 1600 x 1200像素數 &#