你有沒有在手機(jī)上修過夜景照片？

明明對(duì)著教程把暗部拉到最低，想還原深夜路燈下的深黑街道，可屏幕上的天空還是泛著一層洗不掉的灰；

反觀朋友的手機(jī)，同樣的照片，暗部能黑得干凈，連路面磚縫的陰影細(xì)節(jié)都清晰。

明明都是屏幕，

為啥你的 LCD 屏就是 “黑不下去”？

要搞懂這事，得先從顯示技術(shù)的 “祖孫三代” 說起 —— 畢竟每一代屏幕的誕生，都是在解決上一代的麻煩后，又留下了自己的新問題。

一、顯示技術(shù)迭代史

咱們現(xiàn)在習(xí)以為常的 “輕薄屏幕”，其實(shí)是踩在兩代前輩的肩膀上發(fā)展來的。

早期的電子顯示器分類

1. 第一代：陰極射線管CRT

人類對(duì) “把圖像投到平面上” 的執(zhí)念，早在 19 世紀(jì)就開始了。1800 年代，英國(guó)物理學(xué)家威廉?克魯克斯發(fā)明了陰極射線管（CRT），這東西像個(gè) “密封的玻璃炮管”，為后來的顯示技術(shù)埋下伏筆；1897 年，德國(guó)物理學(xué)家 K.F. 布勞恩用 CRT 做成了示波器，第一次讓電信號(hào)變成了可見的光斑，顯示技術(shù)才算真正 “破土而出”。

陰極射線管照片

到了 20 世紀(jì) 70 年代，集成電路和個(gè)人計(jì)算機(jī)像 “催化劑” 一樣，讓顯示設(shè)備從 “笨重的實(shí)驗(yàn)裝置” 變成 “家家戶戶能用的東西”——CRT 顯示器開始普及，它的核心是 “電子槍 + 熒光粉”：電子槍像精準(zhǔn)的 “噴漆槍”，射出的電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)線圈控制方向，穿過蔭罩，轟擊屏幕內(nèi)側(cè)的紅綠藍(lán)熒光粉，撞出光來形成圖像。但 CRT 太沉了，21 寸的顯示器能有十幾斤，人類開始找更輕便的方案。

陰極射線管顯示器

2. 第二代：液晶顯示LCD

真正把顯示器從 “大鐵塊” 變成 “薄卡片” 的，是液晶顯示器（LCD）。液晶最絕的本事就是 “薄” 和 “平”，像把果凍壓成了透明薄片，最早只用來顯示電子計(jì)算器上的數(shù)字（你小時(shí)候玩的計(jì)算器屏幕，就是最原始的 LCD）。

市場(chǎng)上類型多樣的液晶顯示屏

后來隨著技術(shù)改進(jìn)，LCD 開始 “開疆拓土”：先鉆進(jìn)家電的顯示屏（比如微波爐、空調(diào)的控制面板），再取代電腦的 CRT 顯示器，甚至打開了 CRT 永遠(yuǎn)進(jìn)不去的筆記本電腦市場(chǎng) —— 有了 LCD，筆記本才能做得像書本一樣薄，揣進(jìn)包里就走。再后來，手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)的小屏幕，也全靠 LCD 撐場(chǎng)面；最后連電視都換成了 LCD，徹底把 “大屁股電視” 送進(jìn)了廢品站。

可以說，LCD 作為第二代顯示器，最大的貢獻(xiàn)就是讓 “輕薄平板顯示器” 從不可能變成了日常。

3. 第三代：有機(jī)發(fā)光二極管OLED

20 世紀(jì)末，一場(chǎng) “顯示革命” 悄悄來臨 —— 這就是 OLED。

其實(shí)早在 1979 年，
美籍華裔教授鄧青云就在實(shí)驗(yàn)室里偶然發(fā)現(xiàn)了有機(jī)發(fā)光二極體，第一次摸到了 OLED 的 “門把手”；直到 1987 年，他和 Steven Van Slyke 用超薄膜技術(shù)做出了雙層有機(jī)電致發(fā)光器件，同年他又和同為 Eastman Kodak 公司的
Steven Van Slyke 發(fā)表了 OLED 基本結(jié)構(gòu)的論文，這篇被稱為 “第一篇 OLED 論文” 的研究，才算正式把 OLED 從 “實(shí)驗(yàn)室好奇” 變成 “可落地的技術(shù)”。

第一篇OLED論文發(fā)表在APL上

此后 OLED 的發(fā)展像 “開了加速器”：1990 年，Burroughes 等人用共軛高分子 PPV 做發(fā)光層，讓 OLED 從 “小分子” 走向 “高分子”；1993 年，N.C.Greenhaml 團(tuán)隊(duì)在兩層聚合物中間加了載流子注入層，像給 “電流搭了座橋”，讓發(fā)光效率翻了幾十倍；2000 年，Kristiaan Neyts 等人在電極間加了反射層（DBR），進(jìn)一步 “鎖住光”，效率又上了一個(gè)臺(tái)階；2005 年，三星推出 40 英寸 OLED 電視，把 “小屏幕的蠟燭” 做成了 “大屏的燈墻”，正式開啟 OLED 大屏?xí)r代。后來昆山維信諾、黃維揚(yáng)團(tuán)隊(duì)等不斷優(yōu)化壽命和成本，OLED 才真正走進(jìn)我們的手機(jī)、導(dǎo)航儀，變成 “口袋里的顯示神器”。

OLED之父鄧青云教授

二、為什么LCD無法顯示純正的黑？

LCD 的完整結(jié)構(gòu)其實(shí)是：

→ 背光板（常亮的 “路燈”）

→ 擴(kuò)散膜（讓光均勻）

→ 下層玻璃基板（嵌著薄膜晶體管 TFT，相當(dāng)于 “窗簾開關(guān)”）

→ 液晶盒（“智能窗簾” 本體）

→ 上層玻璃基板（貼著彩色濾光片，“染色濾鏡”）→ 偏振片（“方向篩子”）。

其中 TFT 是關(guān)鍵：它像每個(gè)像素的 “專屬控制器”，通過改變電壓，控制液晶分子的扭轉(zhuǎn)角度 —— 這就是 “窗簾開合” 的動(dòng)力。

LCD 能做到輕薄，靠的是 “借光顯示”，但這也讓它永遠(yuǎn)繞不開 “漏光” 的死穴 —— 更關(guān)鍵的是，它的發(fā)光思路從根上就和 OLED 擰著來，這才是它 “做不出純黑、對(duì)比度低” 的核心原因。

1. 唯一 “不會(huì)自己發(fā)光” 的電視屏

在所有電視用的顯示屏里，LCD 是獨(dú)一份的 “透過型選手”—— 它自己發(fā)不出任何光，全靠背后的 “路燈”（早期是熒光燈，現(xiàn)在多是 LED 背光）幫忙。就像你想在暗屋里看書，必須開臺(tái)燈照書頁(yè)，LCD 的 “書頁(yè)”（液晶層）本身不亮，全靠 “臺(tái)燈”（背光）的光透過來才能顯影。

這種 “靠別人發(fā)光” 的體質(zhì)，直接導(dǎo)致了一個(gè)問題：想讓 LCD 像 OLED 那樣 “局部飆亮度”，根本做不到。

OLED 的每個(gè)像素是 “獨(dú)立蠟燭”，想讓哪根蠟燭特別亮，直接多給它點(diǎn) “燃料”（電流）就行；但 LCD 的 “路燈” 是整體亮的，亮度一旦調(diào)好就固定了 —— 你沒法讓客廳的路燈只照沙發(fā)那一塊，還把亮度調(diào)到最高，其他地方不照。

2. 越想暗，越容易 “泛白”

LCD 顯示畫面的邏輯，本質(zhì)是 “減法”：背光板發(fā)出滿功率的光（相當(dāng)于路燈開到最亮），然后靠液晶分子的 “窗簾” 來 “減光”—— 想顯示灰色，就把窗簾拉一半，漏一半光；想顯示黑色，就把窗簾全拉上，盡量擋住光。

但問題來了：“路燈” 亮度固定，想讓畫面暗一點(diǎn)，只能靠 “拉窗簾”，可窗簾永遠(yuǎn)拉不嚴(yán)（液晶分子扭轉(zhuǎn)不到 90°）；更麻煩的是，要是為了讓亮部更清晰，把 “路燈” 調(diào)得更亮，那 “窗簾” 沒拉嚴(yán)的地方（本想顯示黑色或暗部），漏進(jìn)來的光就更多，直接變成灰蒙蒙的 “泛白”。

三、OLED：“蠟燭陣列” 的發(fā)光革命

OLED和顯像管電視機(jī)等都是自發(fā)光型，通過電流在閃耀部分和發(fā)光部分急劇流過，或者說是電壓急劇上升。無論多高的"閃耀度"，都可以投入相應(yīng)的電流，得到相應(yīng)的亮度。也就是說，可以實(shí)現(xiàn)無論多高的最高瞬間亮度。這是顯像管、等離子顯示（PDP）、OLED等自發(fā)光型顯示屏的特性。

1. OLED的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

OLED 的結(jié)構(gòu)相對(duì)LCD更復(fù)雜一些：

→玻璃基板

→陽(yáng)極（銦錫氧化物 ITO，“透明的導(dǎo)電膜”）

→空穴注入層（HIL，“歡迎空穴的迎賓員”）

→空穴傳輸層（HTL，“空穴的傳送帶”）

→發(fā)光層（EML，“蠟燭芯”）

→電子傳輸層（ETL，“電子的傳送帶”）

→電子注入層（EIL，“歡迎電子的迎賓員”）

→陰極（金屬層，“電子的倉(cāng)庫(kù)”）。

中間還加了電子阻擋層（EBL）和空穴阻擋層（HBL），像 “檢票員” 一樣防止載流子跑錯(cuò)層，讓電子和空穴乖乖在發(fā)光層相遇。

2. 有機(jī)發(fā)光層的秘密

陽(yáng)極、陰極兩電極施加直流電壓后，陽(yáng)極側(cè)的空穴與陰極側(cè)的電子，將分別從電極注入有機(jī)膜內(nèi)部。

從化學(xué)視角分析，這一過程伴隨明確的氧化還原反應(yīng)：有機(jī)分子在與陽(yáng)極接觸的界面發(fā)生氧化反應(yīng)（即失去電子），而在與陰極接觸的界面則發(fā)生還原反應(yīng)（即獲得電子）。

電子和空穴一邊跳躍一邊“再結(jié)合”

此后，被注入有機(jī)膜的電子、空穴等電荷，會(huì)以分子間 “跳躍” 的運(yùn)動(dòng)形式，朝著對(duì)面的電極方向移動(dòng)。

接下來，注入的空穴與電子遷移至發(fā)光層，在此處相互匹配并發(fā)生結(jié)合，該過程定義為 “再結(jié)合”。 再結(jié)合會(huì)使有機(jī)分子能量被激活，電子狀態(tài)從穩(wěn)定的基態(tài)躍遷至高能級(jí)的激發(fā)態(tài)；而激發(fā)態(tài)極不穩(wěn)定，電子會(huì)快速回落至基態(tài)，此過程中釋放的能量即表現(xiàn)為 “光”。

3. 為什么OLED的器件結(jié)構(gòu)有那么多層？

OLED的核心是“發(fā)光層”采用有機(jī)物質(zhì)，通過向有機(jī)材料通入電流實(shí)現(xiàn)發(fā)光，而發(fā)光層之外的電極等部件則使用鋁這類無機(jī)材料。但有機(jī)層（發(fā)光層）與鋁之間的界面結(jié)合性極差，就像水與油、人的肌膚與巖石強(qiáng)行結(jié)合一樣難以相容。

為解決這一相容性差的問題，研究者在中間加入“緩沖”層，這也正是OLED采用多層結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)點(diǎn)。

有機(jī)分子發(fā)光的量子視角

具體來看，陽(yáng)極側(cè)使用名為ITO的透明電極，在陽(yáng)極與空穴傳輸層之間會(huì)插入作為緩沖的空穴注入層；陰極側(cè)（不透明）同樣使用鋁等金屬，因此也需要在電子傳輸層與發(fā)光層之間插入電子注入層。

各層的作用不僅在于提高層與層之間的結(jié)合性，例如使用適合電子傳輸?shù)牟牧夏芗铀匐娮右苿?dòng)速度，使用電子注入性好的材料可提升電子注入效率。

四、物理限制與技術(shù)突破的博弈

對(duì)顯示技術(shù)的追求，本質(zhì)是在 “解決上一代問題” 和 “突破新物理限制” 之間反復(fù)博弈：

• CRT 解決了 “把電信號(hào)變成圖像” 的問題，卻栽在 “大、重、費(fèi)電” 的物理結(jié)構(gòu)上；

• LCD 突破了 CRT 的體積限制，卻因 “被動(dòng)借光 + 減亮度” 的邏輯，留下漏光、低對(duì)比度、視角差的短板；

• OLED 用 “主動(dòng)自發(fā)光 + 加亮度” 的思路，把 LCD 的短板全變成了長(zhǎng)板，卻面臨有機(jī)材料衰減的量子力學(xué)約束。

“顯示技術(shù)的演進(jìn)，就是用新材料突破舊物理限制的過程”。未來的 Micro LED 技術(shù)，有望結(jié)合 LCD 的耐用性與 OLED 的純黑性 —— 它把 “小蠟燭” 換成了 “微米級(jí) LED 芯片”，既沒有有機(jī)材料的衰減問題，又能獨(dú)立開關(guān)實(shí)現(xiàn)純黑，但目前仍需突破 “巨量轉(zhuǎn)移” 的難題（要把幾百萬(wàn)顆微米級(jí)芯片精準(zhǔn)貼在屏幕上）。

這恰是科技最迷人的地方：物理規(guī)律像一道無形的墻，而人類總能找到新的材料、新的結(jié)構(gòu)，在墻上開一扇新的窗。

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編輯：Meyare

本文轉(zhuǎn)載自《中科院物理所》微信公眾號(hào)

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