LCD液晶的原理和發(fā)展趨勢

人們早在1888年就發(fā)現(xiàn)了液晶這一呈液體狀的物質(zhì)，它是一種幾乎完全透明的物質(zhì)，同時呈現(xiàn)固體與液體的某些特征。液晶從形狀和外觀看上去都是一種液體，但它的水晶式分子結(jié)構(gòu)又表現(xiàn)出固體的形態(tài)。像磁場中的金屬一樣，當(dāng)受到外界電場影響時，其分子會產(chǎn)生精確的有序排列；如對分子的排列加以適當(dāng)?shù)目刂疲壕Х肿訉试S光線穿透；光線穿透液晶的路徑可由構(gòu)成它的分子排列來決定，這又是固體的一種特征。

　　六十年代起，人們發(fā)現(xiàn)給液晶充電會改變它的分子排列，繼而造成光線的扭曲或折射。經(jīng)過反復(fù)測試，1968年，在美國發(fā)明了液晶顯示器件，隨后LCD液晶顯示屏就正式面世了。然而從第一臺LCD顯示屏的誕生以來，短短30年，液晶顯示器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展：七十年代初，日本開始生產(chǎn)TN-LCD，并推廣應(yīng)用；八十年代初，TN-LCD產(chǎn)品在計算器上得到廣泛應(yīng)用；在1984年，歐美國家提出TFT-LCD和STN-LCD顯示技術(shù)之后，從八十年代末起，日本掌握了STN-LCD的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，使LCD產(chǎn)業(yè)獲得飛速發(fā)展。

　　大約1971年，液晶顯示設(shè)備就在人類的生活中出現(xiàn)。這就是 初的TN-LCD（扭曲陣列）顯示器。盡管當(dāng)時還只是單色顯示，但在某些領(lǐng)域已開始加以應(yīng)用（例如醫(yī)學(xué)儀器等）。到八十年代初期，TN-LCD開始被應(yīng)用到電腦產(chǎn)品上。1984年，歐美國家提出STN-LCD（超扭曲陣列），同時TFT-LCD（薄膜式電晶體）技術(shù)也被提出，但技術(shù)和制程仍不夠成熟。到八十年代末期，由于日本廠商掌握著STN-LCD的主要生產(chǎn)技術(shù)，它們開始在生產(chǎn)線上進行大規(guī)模的生產(chǎn)，這算得上是LCD將要普及的信號。

　　1993年，在日本掌握TFT-LCD的生產(chǎn)技術(shù)后，液晶顯示器開始向兩個方向發(fā)展：一方向是朝著價格低、成本低的STN-LCD顯示器方向發(fā)展，隨后又推出了DSTN-LCD(雙層超扭曲陣列)；而另一方向卻朝高質(zhì)量的薄膜式電晶體TFT-LCD發(fā)展。日本在1997年開發(fā)了一批以550×670mm為代表的大基板尺寸第三代TFT-LCD生產(chǎn)線，并使1998年大尺寸的LCD顯示屏的價格比1997年下降了一半。1996年以后，韓國和中國臺灣都投巨資建第三代的TFT-LCD生產(chǎn)線，準備在1999年以后與日本競爭。

　　中國內(nèi)地從八十年代初就開始引進了TN-LCD生產(chǎn)線，是目前世界上 大的TN-LCD生產(chǎn)國。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國引進和建立LCD生產(chǎn)線40多條，有LCD配套廠30余家， 其中不乏TFT-LCD生產(chǎn)線。

　　從1971年開始，液晶作為一種顯示媒體使用以來，隨著液晶顯示技術(shù)的不斷完善和成熟，使其應(yīng)用日趨廣泛，到目前已涉及微型電視、數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機以及顯示器等多個領(lǐng)域。在其經(jīng)歷了一段穩(wěn)定、漫長的發(fā)展歷程后，液晶產(chǎn)品已摒棄了以前那種簡陋的單色設(shè)備形象。

　　目前，它已在平面顯示領(lǐng)域中占據(jù)了一個重要的地位，而且?guī)缀跏枪P記本和掌上型電腦必備部分。1985年，自從世界第一臺筆記本電腦誕生以來， LCD液晶顯示屏就一直是筆記本電腦的標準顯示設(shè)備，所以一談到LCD必定會與筆記本電腦扯上關(guān)系。LCD顯示器在筆記本電腦的發(fā)展歷程中也發(fā)揮過不同的作用，但隨著液晶顯示技術(shù)的不斷進步，基于LCD在筆記本電腦市場占據(jù)多年的領(lǐng)先地位之后，具備平滑顯示屏幕的LCD液晶顯示器又開始逐步地進入桌面系統(tǒng)市場。筆記本電腦為了達到輕、薄、小等功能，率先采用LCD液晶面板作為顯示器。發(fā)展至今，更多的電子產(chǎn)品都紛紛采用LCD作為顯示面板（如移動電話、便攜式電視、游戲機等），因而也令LCD產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展。

（一）按物理結(jié)構(gòu)分類

　　LCD按照物理結(jié)構(gòu)，可以分為雙掃描無源陣列顯示器(DSTN-LCD)和薄膜晶體管有源陣列顯示器(TFT-LCD)。而快速DSTN（HPA），性能界于兩者之間。具體參數(shù)比較見表1。

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類型

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反應(yīng)時間（ms）

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對比度

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視角

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DSTN

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300

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25:1

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20度

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HPA

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150

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35:1

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25度

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TFT

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80

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100:1

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45度

<!--mstheme--><!--mstheme-->　　　　　　　　　　　　　　表1：幾種LCD顯示器類型的技術(shù)參數(shù)比較

DSTN（Dual Scan Tortuosity Nomograph）雙掃描扭曲陣列

　　它是通過雙掃描方式來掃描扭曲向列型液晶顯示屏，來達到完成顯示的目的。DSTN是由超扭曲向列型顯示器（STN）發(fā)展而來的，由于DSTN采用雙掃描技術(shù)，因而顯示效果較STN有大幅度提高。筆記本電腦剛出現(xiàn)時主要是使用STN，其后是DSTN。STN和DSTN的反應(yīng)時間都較慢，一般約為300ms左右。從液晶顯示原理來看，STN的原理是用電場改變原為180度以上扭曲的液晶分子的排列從而改變旋光狀態(tài)，外加電場通過逐行掃描的方式改變電場，在電場反復(fù)改變電壓的過程中，每一點的恢復(fù)過程較慢，因而就會產(chǎn)生余輝現(xiàn)象。用戶能感覺到拖尾（余輝），一般俗稱為“偽彩”。由于DSTN顯示屏上每個像素點的亮度和對比度不能獨立控制，以至于顯示效果欠佳，由這種液晶體所構(gòu)成的液晶顯示器對比度和亮度較差、屏幕觀察范圍較小、色彩欠豐富，特別是反應(yīng)速度慢，不適于高速全動圖像、視頻播放等應(yīng)用，一般只用于文字、表格和靜態(tài)圖像處理，但是它結(jié)構(gòu)簡單并且價格相對低廉（其價格一般要比同等配置下的TFT筆記本電腦低3千元左右），耗能也比TFT-LCD少，而視角小可以防止窺視屏幕內(nèi)容達到保密作用，結(jié)構(gòu)簡單可以減小整機體積，因此，在少數(shù)筆記本電腦中仍采用它作為顯示設(shè)備，目前仍然占有一定的市場份額。

　　其實DSTN-LCD并非真正的彩色顯示器，它只能顯示一定的顏色深度，與CRT的顏色顯示特性相距較遠，因而又稱為“偽彩顯”。DSTN的工作特點是這樣的：掃描屏幕被分為上下兩部分，CPU同時并行對這兩部分進行刷新（雙掃描），這樣的刷新頻率雖然要比單掃描（STN）重繪整個屏幕快一倍，它提高了占空率，改善了顯示效果。由于DSTN分上下兩屏同時掃描，上下兩部分會出現(xiàn)刷新不同步，所以當(dāng)元件的性能不佳時，一般在使用過程中，顯示屏中央會出現(xiàn)一條模糊的水平亮線。不過，現(xiàn)在采用DSTN-LCD的電腦因CPU和RAM速率高且性能穩(wěn)定，這種不同步現(xiàn)象已經(jīng)很少碰見到了。

　　另外，由于DSTN的顯示屏上的像素信息是由屏幕左右兩側(cè)的晶體管控制一整行像素來顯示，每個像素點不能自身發(fā)光，是無源像點，所以反應(yīng)速度不快，屏幕刷新后會留下幻影，其對比度和亮度也低，圖像要比CRT顯示器暗得多。

HPA一般稱為高性能定址或快速DSTN

　　是DSTN的改良型，能提供比DSTN更快的反應(yīng)時間、更高的對比度和更大的視角，由于它具有與DSTN相近的成本，因此在低端筆記本電腦市場具有一定的優(yōu)勢。

TFT（Thin Film Transistor）即薄膜場效應(yīng)晶體管

　　所謂薄膜晶體管，是指液晶顯示器上的每一液晶象素點都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動。從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。

　　由于彩色顯示器中所需要的像素點數(shù)目是黑白顯示器的4倍，在彩色顯示器中像素大量增加，若仍然采用雙掃描形式，屏幕不能正常工作，必須采用有源驅(qū)動方式代替無源掃描方式來激活像素。這樣就出現(xiàn)了將薄膜晶體管（TFT）、或薄膜二極管、或金屬－絕緣體－金屬（MIM）等非線性有源元件集成到顯示組件中的有源技術(shù)，用來驅(qū)動每個像素點，使每個像素都能保持一定電壓，達到100％的占空化，但這無疑是將增加設(shè)備的功耗。

　　TFT屬于有源矩陣液晶顯示器（AM-LCD）中的一種，TFT-LCD的每個像素點都是由集成在自身上的TFT來控制，是有源像素點。因此，不但反應(yīng)時間可以極大地提高，起碼可以到80ms左右，而且對比度和亮度也大大提高了，同時分辨率也達到了空前程度。因其具有比其他兩種顯示器更高的對比度和更豐富的色彩，熒屏更新頻率也更快，俗稱“真彩”。

三種類型的對比

　　與DSTN-LCD和HPA相比，TFT的主要特點是在每個像素配置一個半導(dǎo)體開關(guān)器件，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。由于每個像素都可通過點脈沖直接控制，因而每個節(jié)點相對獨立，并可連續(xù)控制，這樣不僅提高了反應(yīng)時間，同時在灰度控制上可以做到非常精確，這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。TFT-LCD是目前 好的LCD彩色顯示設(shè)備之一，TFT-LCD具有屏幕反應(yīng)速度快、對比度和亮度都較高、屏幕可視角度大、色彩豐富、分辨率高等等特點，克服了兩者的原有的許多缺點，是目前桌面型 LCD顯示器和筆記本電腦LCD顯示屏的主流顯示設(shè)備。在色彩顯示性能方面與CRT顯示器相當(dāng)，凡CRT顯示器所能顯示的各種信息都能同樣顯示，其效果已經(jīng)接近CRT顯示器。在有源矩陣LCD中，除了TFT-LCD外，還有一種黑矩陣LCD，是當(dāng)前的高品質(zhì)顯示技術(shù)產(chǎn)品。它的原理是將有源矩陣技術(shù)與特殊鍍膜技術(shù)相結(jié)合，既可以充分利用LCD的有源顯示特點，又可以利用特殊鍍膜技術(shù)，在減少背景光泄漏、增加屏幕黑度、提高對比度的同時，可減小在日常明亮工作環(huán)境下的眩光現(xiàn)象。

（一）液晶的物理特性

　　液晶的物理特性是：當(dāng)通電時導(dǎo)通，排列變的有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術(shù)上簡單地說，液晶面板包含了兩片相當(dāng)精致的無鈉玻璃素材，稱為Substrates，中間夾著一層液晶。當(dāng)光束通過這層液晶時，液晶本身會排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過。大多數(shù)液晶都屬于有機復(fù)合物，由長棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子會順著槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。

（二）單色液晶顯示器的原理

　　LCD技術(shù)是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子?xùn)|西向排列，而位于兩個平面之間的分子被強迫進入一種90度扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過液晶時也被扭轉(zhuǎn)90度。但當(dāng)液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)。

　　LCD是依賴極化濾光器(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機發(fā)散的。極化濾光器實際是一系列越來越細的平行線。這些線形成一張網(wǎng)，阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個垂直，所以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉(zhuǎn)到與第二個極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。（如圖1）

圖1 光線穿透示意圖

　　LCD正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光器構(gòu)成，所以在正常情況下應(yīng)該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個濾光器后，會被液晶分子扭轉(zhuǎn)90度， 后從第二個濾光器中穿出。另一方面，若為液晶加一個電壓，分子又會重新排列并完全平行，使光線不再扭轉(zhuǎn)，所以正好被第二個濾光器擋住。總之，加電將光線阻斷，不加電則使光線射出。（如圖2）

圖2 光線阻斷示意圖

　　然而，可以改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。但由于計算機屏幕幾乎總是亮著的，所以只有“加電將光線阻斷”的方案才能達到 省電的目的。

　　從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚約1mm，其間由包含有液晶(LC)材料的5μm均勻間隔隔開。因為液晶材料本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進入包含成千上萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個或多個單元格構(gòu)成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動電路部分。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場時，液晶分子就會產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。
（三）彩色LCD顯示器的工作原理

　　對于筆記本電腦或者桌面型的LCD顯示器需要采用的更加復(fù)雜的彩色顯示器而言，還要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。通常，在彩色LCD面板中，每一個像素都是由三個液晶單元格構(gòu)成，其中每一個單元格前面都分別有紅色，綠色，或藍色的過濾器。這樣，通過不同單元格的光線就可以在屏幕上顯示出不同的顏色。

　　LCD克服了CRT體積龐大、耗電和閃爍的缺點，但也同時帶來了造價過高、視角不廣以及彩色顯示不理想等問題。CRT顯示可選擇一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以調(diào)整，但LCD屏只含有固定數(shù)量的液晶單元，只能在全屏幕使用一種分辨率顯示(每個單元就是一個像素)。

　　CRT通常有三個電子槍，射出的電子流必須精確聚集，否則就得不到清晰的圖像顯示。但LCD不存在聚焦問題，因為每個液晶單元都是單獨開關(guān)的。這正是同樣一幅圖在LCD屏幕上為什么如此清晰的原因。LCD也不必關(guān)心刷新頻率和閃爍，液晶單元要么開，要么關(guān)，所以在40～60Hz這樣的低刷新頻率下顯示的圖像不會比75Hz下顯示的圖像更閃爍。不過，LCD屏的液晶單元會很容易出現(xiàn)暇疵。對1024×768的屏幕來說，每個像素都由三個單元構(gòu)成，分別負責(zé)紅、綠和藍色的顯示一所以總共約需240萬個單元(1024×768×3＝2359296)。很難保證所有這些單元都完好無損。 有可能的是，其中一部分己經(jīng)短路(出現(xiàn)“亮點”)，或者斷路(出現(xiàn)“黑點”)。所以說，并不是如此高昂的顯示產(chǎn)品并不會出現(xiàn)瑕疵。

　　LCD顯示屏包含了在CRT技術(shù)中未曾用到的一些東西。為屏幕提供光源的是盤繞在其背后的熒光管。有些時候，會發(fā)現(xiàn)屏幕的某一部分出現(xiàn)異常亮的線條。也可能出現(xiàn)一些不雅的條紋，一幅特殊的淺色或深色圖像會對相鄰的顯示區(qū)域造成影響。此外，一些相當(dāng)精密的圖案(比如經(jīng)抖動處理的圖像)可能在液晶顯示屏上出現(xiàn)難看的波紋或者干擾紋。

　　現(xiàn)在，幾乎所有的應(yīng)用于筆記本或桌面系統(tǒng)的LCD都使用薄膜晶體管（TFT）激活液晶層中的單元格。TFT LCD技術(shù)能夠顯示更加清晰，明亮的圖象。早期的LCD由于是非主動發(fā)光器件，速度低，效率差，對比度小，雖然能夠顯示清晰的文字，但是在快速顯示圖象時往往會產(chǎn)生陰影，影響視頻的顯示效果，因此，如今只被應(yīng)用于需要黑白顯示的掌上電腦，呼機或手機中。

　　隨著技術(shù)的日新月異，LCD技術(shù)也在不斷發(fā)展進步。目前各大LCD顯示器生產(chǎn)商紛紛加大對LCD的研發(fā)費用，力求突破LCD的技術(shù)瓶頸，進一步加快LCD顯示器的產(chǎn)業(yè)化進程、降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)用戶可以接受的價格水平。

四）應(yīng)用與液晶顯示器的新技術(shù)

（1）采用TFT型Active素子進行驅(qū)動

　　為了創(chuàng)造更優(yōu)質(zhì)畫面構(gòu)造，新技術(shù)采用了用獨有TFT型Active素子進行驅(qū)動。大家都知道，異常復(fù)雜的液晶顯示屏幕中 重要的組成部分除了液晶之外，就要算直接關(guān)系到液晶顯示亮度的背光屏以及負責(zé)產(chǎn)生顏色的色濾光鏡。在每一個液晶像素上加裝上了Active素子來進行點對點控制，使得顯示屏幕與全統(tǒng)的CRT顯示屏相比有天壤之別，這種控制模式在顯示的精度上，會比以往的控制方式高得多，所以就在CRT顯示屏?xí)铣霈F(xiàn)圖像的品質(zhì)不良，色滲以及抖動非常厲害的現(xiàn)象，但在加入了新技術(shù)的LCD顯示屏上觀看時其畫面品質(zhì)卻是相當(dāng)賞心悅目的。

（2）利用色濾光鏡制作工藝創(chuàng)造色彩斑瀾的畫面

　　在色濾光鏡本體還沒被制作成型以前，就先把構(gòu)成其主體的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。這種工藝要求有非常高的制造水準。但與同其他普通的LCD顯示屏相比，用這種類型的制造出來的LCD，無論在解析度，色彩特性還是使用的壽命來說，都有著非常優(yōu)異的表現(xiàn)。從而使LCD能在高分辨率環(huán)境下創(chuàng)造色彩斑瀾的畫面。

（3）低反射液晶顯示技術(shù)

　　眾所周知，外界光線對液晶顯示屏幕具有非常大的干擾，一些LCD顯示屏，在外界光線比較強的時候，因為它表面的玻璃板產(chǎn)生反射，而干擾到它的正常顯示。因此在室外一些明亮的公共場所使用時其性能和可觀性會大大降低。目前很多LCD顯示器即使分辨率再高，其反射技術(shù)沒處理好，由此對實際工作中的應(yīng)用都是不實用的。單憑一些純粹的數(shù)據(jù)，其實是一種有偏差的去引導(dǎo)用戶的行為。而新款的LCD顯示器就采用的“低反射液晶顯示屏幕”技術(shù)就是在液晶顯示屏的 外層施以反射防止涂裝技術(shù)（AR coat），有了這一層涂料，液晶顯示屏幕所發(fā)出的光澤感、液晶顯示屏幕本身的透光率、液晶顯示屏幕的分辨率、防止反射等這四個方面都但到了更好的改善。

（4）先進的“連續(xù)料界結(jié)晶矽”液晶顯示方式

　　在一些LCD產(chǎn)品中，在觀看動態(tài)影片的時候會出現(xiàn)畫面的延遲現(xiàn)象，這是由于整個液晶顯示屏幕的像素反應(yīng)速度顯得不足所造成的。為了提高像素反應(yīng)速度，新技術(shù)的LCD采用目前 先進的Si TFT液晶顯示方式，具有比舊式LCD屏快600倍的像素反應(yīng)速度，效果真是不可同日而語。先進的“連續(xù)料界結(jié)晶矽”技術(shù)是利用特殊的制造方式，把原有的非結(jié)晶型透明矽電極，在以平常速率600倍的速度下進行移動，從而大大加快了液晶屏幕的像素反應(yīng)速度，減少畫面出現(xiàn)的延緩現(xiàn)象。

　　現(xiàn)在，低溫多晶硅技術(shù)、反射式液晶材料的研究已經(jīng)進入應(yīng)用階段，也會使LCD的發(fā)展進入一個嶄新的時代。而在液晶顯示器不斷發(fā)展的同時，其它平面顯示器也在進步中，等離子體顯示器（PDP）、場致發(fā)光陣列顯示器（FED）和發(fā)光聚合體顯示器（LEP）的技術(shù)將在未來掀起平板顯示器的新浪潮。其中， 值得關(guān)注和看好的就是場致顯示器，它具有許多比液晶顯示器更出色的性能……不過可以斷定，LCD顯示技術(shù)進入新紀元，作為另一支顯示產(chǎn)品的生力軍，它們將可能取代CRT顯示器。

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