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電子科技新旋風：顯示科技大未來

94/09/06 12607

蘇海清｜臺灣大學電機系、光電所暨電子所

盧英瑞｜臺灣大學電機系、光電所暨電子所

吳忠幟｜臺灣大學電機系、光電所暨電子所

看過電影〈關鍵報告〉的朋友，相信對劇中所建構的未來科技世界的印象都很深刻，尤其是那觸控式的透明螢幕，更是吸引了許多人的目光，令人充滿憧憬。別以為那只是虛構的世界，其實目前很多顯示科技已經走出實驗室的階段，未來幾年就有可能問世成為流行商品，電影中的世界確實是指日可待的。現在讓我們一起回顧顯示器的發展，並展望未來更新穎的技術。

19世紀末，科學家發現陰極射線在真空中撞擊螢光介質時會發光，而發明了陰極射線管。經過多年的研發，到20世紀30年代，這項發明才開始進入民生家電，電視、攝影機等產品，快速地普及。

陰極射線管顯示器的的基本原理，是利用映像管後端的電子槍發射電子束，這些電子的路徑受電場控制偏折，而打在鍍有磷光材質的映像管上，使磷光材質瞬間發光，前端螢幕上因而顯示出對應的影像。每個磷光點代表一個像素，藉由掃描像素點及控制電子束的電壓，調整每個像素的明暗，即可顯示畫面。早期黑白電視的映像管只有一個電子槍和單色磷光層，後來因採用了多重電子槍以及彩色磷光層，就可以進行全彩顯示了。

20世紀後半，個人電腦大量普及，人機介面的簡易化，使得顯示器成為電腦周邊產品中的最大產業。陰極射線管顯示器由於發展歷史悠久、技術成熟，影像品質符合電視與電腦用顯示器的要求，所以被廣泛使用。但其缺點是過於笨重與光電轉換效能不佳，因此自1950年代起，科學家就積極尋求更佳的替代品。

日本夏普公司於1973年首先開發出商用液晶顯示器，應用於手表，開啟了平面顯示器的時代。再經過二十餘年的發展，全彩的液晶顯示器已廣泛應用於筆記型電腦、個人電腦和家用電視。液晶顯示器因為輕薄、省電，又沒有輻射，目前在各種平面顯示器的市場中占有最高的比率。

液晶顯示器的構造依序是由白光背光源、偏光板、液晶層和另一偏光板所組成。液晶類似晶體，是一種分子可規則性排列的有機化合物，但又具有流動性，類似液體，可藉由外加電場改變它的分子排列。

液晶顯示器的運作是讓背光源的光線照在偏光板上，光線在穿過偏光板時會被偏極化，當偏極化的光線穿過液晶時，其偏極方向會偏轉一角度，這角度決定了它通過另一偏光板後的強度。因為液晶分子的排列方式可由加在電極上的電壓所控制，因此可以控制偏極化光線透射出來的強度，就好像一個以電壓控制的光開關。至於彩色效果，則可利用彩色濾光片來達成，每個像素需要3個不同的小開關來分別調變紅、綠、藍三原色的分量，混合後就是繽紛的彩色了。

控制液晶分子的電路可分成兩種方式，即被動矩陣模式與主動矩陣模式。在被動矩陣模式下，電壓消失時液晶會回復原位，必須再施加電壓才能再排列，不具記憶性。主動模式則使用電晶體構成記憶電路，可把影像電壓儲存在電容上以控制每一畫素，因此具有記憶性。主動矩陣液晶顯示器製程較複雜，價格較貴，但是解析度較佳。目前個人電腦的螢幕和液晶電視，都是採用主動矩陣液晶顯示器。

陰極射線管和液晶顯示器可以滿足我們對中小尺寸顯示器的需求，但是更大型的顯示器也可以適用嗎？如果把你閱讀這篇文章時所使用的17英寸陰極射線管螢幕放大到100英寸，你能夠想像螢幕後面需要多大的陰極射線管嗎？所以陰極射線管顯示器在「大」型化的技術中確有其困難。而液晶顯示器，因需要較高精度的技術，大尺寸面板的價格也會高得令人無法接受。所以大尺寸顯示器或戶外看板的應用技術，勢必和中小尺寸顯示的方式不同。目前在大面積顯示技術中，較為成熟的就屬電漿顯示器了。

電漿是氣體接受很高的能量後游離成的離子與電子的狀態，日光燈就是一種典型使用電漿效應的照明工具。電漿顯示器的原理與日光燈類似，即利用惰性氣體放電時所產生的紫外光激發彩色螢光粉，形成人眼可接受的可見光，是一種自發光顯示器。

在結構上，是在前後兩片玻璃基板上以固定的間隙分別印上行列互相垂直的透明電極，行列的交點就是一個顯示單元。顯示單元及阻隔牆四周依序塗上紅、綠、藍三原色的螢光粉，組合後注入氦、氖等惰性氣體。對顯示單元施加電壓時，高電場會使氣體離子化，釋放出紫外光，再激發螢光粉，即產生可見光。自發光形式的顯示器具有廣視角、快速光電反應等特性，適合提供公共場合使用。目前電漿顯示器的尺寸大小，從40英寸到70英寸都有。

另一種產生大尺寸影像的方式是利用投射原理，就像放電影一樣，投射燈泡的光線，經由液晶分子或細小可動反射鏡陣列的控制而產生不同影像，然後以光學系統把它放大與聚焦在影幕上。通常投影系統可分為前投影與背投影兩種型式，主要是依據投射系統是在影幕前方或後方而分。

理論上，投影式的顯示需要有一面屏幕來投射顯示的畫面，不過科幻電影中常會有真人大小的影像憑空出現並和人交談的場景，這樣一來投影的場所不就不應受到屏幕的限制嗎？其實不僅是科幻世界，現實科技也可實現這一夢幻情境。例如IO₂科技公司就提出一種技術，可以直接在空氣中投影。不但如此，還有互動的功能，只要用手指即可像使用滑鼠一樣操作螢幕上的選項功能。目前IO₂科技可以提供42英寸大小的影像顯示，將來希望可以往上推到150英寸，屆時科幻電影的情節中就可以成真了。

上述的投影方式是2D的顯示，但伊士曼柯達公司最近發表一款「立體成像顯示器」，它的運作主要是利用光學系統產生兩個高解析度液晶顯示器的虛擬影像，每個顯示器分別對應一隻眼睛，使用者從孔洞去觀看影像，不需要特殊眼鏡，只要坐在一個特定的位置就能觀看3D效果。除了用於電視及影像遊戲之外，也可以應用在分子和化學模擬及電腦輔助設計上。

即便如此，顯示器做得再輕薄短小，依然會占有一定的空間，但如果能像畫布一般，不用時捲起收藏，要用時再拉出來展開，這樣一來，大尺寸電視以及電腦螢幕將可以不占任何空間，輕便且易於攜帶，甚至可以捲繞在衣服或背包上，做成可穿戴式的顯示器。固定使用時，面板可以捲曲在建築物的圓柱上，或是像壁紙一樣，貼在牆上或天花板上。

事實上這樣的夢想並不會太遙不可及，新興的有機發光二極體顯示技術就可以達到這個目的。有機發光二極體是一種有機半導體元件，本身會發光，不需要用背光光源，所以比液晶顯示器更加輕薄，又無視角限制，對動畫反應快速。而最有趣的是它具有可撓曲的特性，可製造於彎曲、彈性的表面，例如塑膠等，所以能捲起來以縮小顯示器空間。

有機發光二極體元件是由有機半導體薄層堆疊而成，電洞和電子分別自陽極和陰極注入有機半導體，兩種載子在有機薄層中相遇、結合釋放出光子，透過透明陽極和透明基板而發光。有機發光元件可以藉著選用不同的材料，分別製作出紅、綠、藍3種發光元件，達到全彩顯示。目前有機發光二極體主要應用在小型面板，例如手機螢幕、數位相機和個人數位助理等，相信不久的將來，會更廣泛地應用在電視、筆記型電腦和可撓式顯示器上。

很多人都使用過隨身聽，它的輕巧設計讓我們走到哪裡就聽到哪裡，非常方便。同樣地，如果有「隨身看」，我們就可以走到哪裡看到哪裡，任意姿勢都可觀看享受，接收資訊。頭戴式的微型顯示器正可提供這種功能，用它來看電影、玩遊戲，讓人有身歷其境的感覺。除此之外，它也可以結合精密光學系統，讓飛行員在飛行中可以毫不費力地查看各種飛行資料；正在進行手術的外科醫生眼睛無需離開手術臺，就可以看到複雜的診斷或放大圖像。

很多人一早起床都是一面吃著早餐一面看報紙，來了解外面的世界。報紙雖然很方便，卻耗費了許多紙張，很多樹木因此被砍伐，使得地球的溫室效應日益嚴重。如果對紙張這種古老的技術進行更新，讓它保留便於攜帶和閱讀的特性，但又具備電腦螢幕隨時更新的功能，那會是什麼樣子呢？這就是所謂的「電子紙」。

電子紙的內容可重寫，清楚易讀，輕薄可彎曲，方便攜帶，沒電時也可長時間地保持顯示，耗電量低。它的原理是利用一種兩半球分別是白色與黑色的球形微粒子，兩半球具有不同的電性，在粒子的周圍以絕緣液體填充，外加電場所生的庫倫力可使微粒子旋轉，如此便可透過變化電場，控制粒子的旋轉方向而形成黑白圖像或文字。目前電子紙可透過有線網路更新資料，將來甚至可使用無線網路進行更新，到那時候不管走到哪裡都可以獲得最新的新聞了。

目前的顯示器是以薄膜電晶體做為畫素開關，而薄膜電晶體的性能若能進一步提升，將可用於資訊處理上。如此一來，驅動電路、記憶體與功率電路等都可以同時組裝在基板上，不但可以提升顯示器的效能與可靠度，而且可使顯示器的功能更加多樣化。最終目標是把整個系統整合在薄薄的一張基板上，這樣的構想就是所謂的系統整合型面板。當這個技術成熟時，可預期電腦主機將可以和顯示器基板結合在一起，顯示器具有觸控面板做為人機介面，屆時所使用的電腦就可以如同電影中的透明螢幕一樣了。

由於現代人們對資訊的需求大幅增加，而人眼接收資訊是最有效率的，所以顯示器的應用會越來越廣泛。隨著科技日新月異，未來必定會陸續出現更新奇的顯示器技術，融入我們的生活中。因此在未來的資訊世界中，會是一個以顯示器為主體的世界，就讓我們拭目以待吧。

深度閱讀

科學人雜誌：http://www.sciam.com.tw/
IO₂technology：http://www.io2technology.com/dojo/168/index.htm
奈米科學網：http://nano.nchc.org.tw/

資料來源

《科學發展》2005年9月，393期，18 ~ 25頁

科發月刊(5210)

電子科技新旋風：顯示科技大未來

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