显示科普：LED，LCD与OLED的区别

LCD和OLED其实都是显示技术的专有名词，如果你去查阅两者的区别，一般都会告诉我们LCD是背光源，而OLED是自发光。为了进一步了解显示技术，它的起源应该是光与电的结合。

显示技术，其实就是一个电信号转化为光信号的原理利用。人类要实现这种“电-光的转化”，需要利用到半导体。在半导体的理论研究中，人们提出了电子和空穴的概念。如果通电之后，产生的电子和空穴复合时，用光的形式释放出去，那这种半导体在显示领域就可以得到利用。

提到半导体，我们很自然的会想到“硅”，不幸的是，硅的电子和空穴在复合时用，会被硅原子的振动所吸收，会以热能的形式释放出去，并不能得到光的效果。

而自然界也不本征存在这种发光的半导体。所以发光半导体的物理实现其实是比较晚的。我们知道电灯是第二次工业革命时期的产物，爱迪生是在1880年制造出持续亮1200个小时的电灯。

而人类实现半导体的发光是在1962年，美国通用电气公司使用一种叫做“砷磷化镓”的半导体，实现了红色发光。

建筑上的LED灯珠

而我们把这种基于半导体的发光的小灯珠，叫做LED，英文全称为Light-Emitting Diode。前面的LE是发光的意思，Diode是半导体中一个常用的概念，叫做二极管。所以中文将其译作“发光二极管”。这里使用二极管，是因为这种的发光结构使用二极管的形式实现的。你也可以将其理解为发光半导体，或者通电发光半导体。

或许你现在就有一些疑惑了，我们正常理解的发光，都是白光，那如何使用LED实现白色发光呢。刚刚所说的“砷磷化镓”的半导体，实现了红色发光。

如果能够实现绿色LED和蓝色LED，那人类就可以使用任意比例的混合这三色光，从而实现任何我们想要的颜色了。其实这也是显示器上显示不用颜色，也是这个原理。

其实基于“磷化镓”，在其中加入不同的杂质，就可以红光，橙光和绿光，但是对于蓝光的实现，确实非常困难。因为蓝光的波长较短，它对半导体的要求也较高，全世界的研究者都开展这方面的研究，而最终摘得皇冠的是日本的一个企业的研究员中村修二，他使用氮化铟镓实现了蓝光的LED，也获得了2014年的诺贝尔物理学奖。

下面这张图是不同光色使用的半导体材料

常见LED选用的发光材料

刚刚提到的LED中常见的二极管结构如下图

LED二极管结构

其中的P和n+界面就是我们所说的二极管。

了解了LED，这个时候我们来看LCD，其实LCD和LED是有很大不同的，换句话说，即使我们没有LED，在某种程度上也可以是实现LCD。

LCD是指的Liquid Crystal Display，翻译过来就是液晶显示。这里的液晶显示，并不是液晶作为发光材料，只是提取了这项技术中最主要的一个特征，就是使用了液晶。

那液晶是什么呢？我们从字面意思理解，液晶就是液态晶体，而这种液态晶体本身并不发光，但是有一个特殊的性质。

就是如果你将这种液态晶体夹在两个玻璃片中间，这个时候它是透明的，但是如果你在两块玻璃板端加上电压，它变成乳白色，变成不透明的。更重要的是，所加的电压很低，所以其消耗的能量也很低。这源于美国一个科学家哈麦勒的发现。而且他还从这种现象中看到了液晶显示的前景。

我们不得不感叹科学家的伟大，就是这样一个比较奇特的物理现象，却推动着今天的信息时代的显示技术的发展。

液晶显示的原理是什么呢？既然要发光，那么我们需要一个光源，这个光源在LCD中叫做背光源，这个背光源能否到达我们眼睛了，这就取决于液晶了。我们可以看到下图，

LCD单个像素点示意图

背光源通过水平的狭缝，也是第一个Polarizer，射到液晶层，TFT Array是一个很小的单元，其中间大部分是玻璃，先不用理会，如果液晶两端不加电压，液晶分子是杂乱无章排列的，光通过液晶分子时会被散射开，没有办法从垂直排列的Polarizer射出，所以人眼是观测不到这部分光的。如果加上电压之后，液晶分子会有序排列，扭曲，引导光从水平方向转向垂直方向，就会被人眼检测到。液晶显示主要分为背光，液晶，滤光片三大部分。其中背光提供统一的白色光源，其亮度基本不可调，由液晶控制光透入的多少，滤色片则赋予白光红绿蓝三种颜色。

这就是单个像素点的显示，如果是组成显示屏的话，需要成千上万这样的像素点集成在一块玻璃板上。通过控制芯片控制显示每个像素的输出，这样就构成了图片或者视频的显示。

读到了这里，其实我们可以将LCD理解为对白光的控制和加色的显示过程。那有没有一种材料可以自己发出红绿蓝三种颜色的光，然后在混合在一起呢。

其实我们很容易想到LED。但是这个时候，我们不单单只考虑原理，还得考虑工艺。所谓的工艺就是将这么多个像素点集成在一起的技术。LED由于其使用的是无机材料，如果是制作大屏，像素点的集成成本非常高，在工业上有个词“巨量转移”，就是将单个LED转移到一款屏幕上，其成本是非常大的。尽管无机材料有着很多优点，但是在制作显示屏上面，其确实没有优势。

然后这个时候，出现了一类新的材料，叫做有机发光半导体。其实有机半导体的发现也是一个偶然，1979年，在美国柯达公司从事科学研究工作的邓青云在回家的路上发现有个东西落在实验室，回去以后，他发现黑暗中有个东西亮着的，打开灯发现是做实验的有机物电池在发光。而这种发光的有机物就是OLED的主角。

OLED与LCD不同，他的光源来自发光有机物。OLED中的O，就是Organic LED，就是有机发光二极管的意思。

与刚刚一样，我们可以通过调控三种不同的有机发光材料，就可以实现不同颜色的光。那为什么有机发光半导体就可以实现这种大面积的屏幕制作呢？其实这源于有机物的熔沸点低，我们可以利用蒸镀，涂布，丝网印刷，喷墨打印等等方式实现有机物在玻璃面板上的图形化，从而实现屏幕制造。但是OLED在大面积制造也是有一定限制的，在大屏方面并不如LCD，但是科技在进步，市场在选择，技术是为了更好的服务人类。