—— 从 LED 聊到 Super AMOLED

万物基于 MIUI LED

LED 是一项非常古老的技术，如果我们追溯其起源，可以到达五十多年前的 1961 年。今天已经是世界第三大半导体制造商德州仪器（Texas Instruments）的两位研究员 Robert Biard 和 Gary Pittman 首次发现了基于砷化镓的半导体材料能够放射出红外线。次年，通用电气公司的（General Electiric Company）的 Nick Holonyak 制造出了首个可以发出可见光的 LED。

LED，Light-Emitting Diode 即「发光二极管」究其本质当然是一种�能发光的半导体。二极管的基本特性简单来理解是说当电流从一个方向流过时，能够很正常的导通。但从反方向流过时，会受到较大的电阻，只能产生微弱的电流。然而这样的特性对于发光特性并没有什么直接的联系。那 LED 为什么会成为一项主流的发光技术呢？那我们应该和另一项我们常见的发光技术来比较发光原理，那就是钨丝灯泡或卤素灯泡（钨卤灯泡）。

电灯泡的基本原理是根据了黑体辐射理论（非常有意思的是黑体辐射理论作为量子力学的一部分提出在灯泡发明后的一百余年），物体在不同温度下能发出不同频率的光，当温度小的时候通常是肉眼不可见的红外线，而温度高了之后就能发出可见光了（比如我们看到打铁的时候铁块会发出红光）。这样的灯泡首先首先体积不小，其次温度很高，更糟糕的是，白炽灯只有少于 10% 的能量会成为光，发光效率非常低下。

而 LED 由半导体材料组成，当电流从阳极（p极）流向阴极（n极）的时候，电子会跌落到较低能阶的轨道上，多出的能量会以电磁波（光子）的形式被释出。这样从理论上是发光效率极高的，因为少掉的能量几乎都变成了放出的电磁波。而我们只需要让放出的电磁波是可见光波段我们即可实现发光的作用了。体积、工作温度、发光效率都能远超电灯泡。

对于 LED 的发展事实上只有一个问题需要考虑，那就是半导体的材料。材料决定了发出了光的频率即颜色。如今人们发现的 LED 无机材料已经超过了 20 多种。

把不要显示的东西遮住，液晶显示器（LCD）的基本原理

LED 的最经典的应用当然不是各种信号灯之类，而是是现在普遍使用的液晶显示器（LCD）了。LED 技术的出现意味着我们可以做出比起 CRT（阴极射线管）那样要远距离开枪发光的屏幕更薄更小的屏幕了。然而要利用 LED 做屏幕我们有几个非常关键的问题要解决。首先，LED 的成本并不低，如果我们为每个像素都配上红绿蓝三个 LED 这将变得非常昂贵。但如果我们不这么做的话是无法发出任何合成光的，至少，LED 发的光都是单色光，而像白色这样的光都是合成光，是无法实现的。

读到这里的有些同学可能就要产生疑问了，既然如此，那我们平时看到商场里卖的白色 LED 灯泡又是怎么做的呢？事实上，现在我们看到的白光 LED 是蓝色或者紫外 LED，然后在灯泡内壁上涂上能吸收蓝光或紫外线发出红光绿光蓝光的荧光剂，从而发出红绿蓝的混合光，即白光。这时候我们就有个很大的消耗，就是荧光剂转换光的颜色的过程中会浪费一部分能量，所以我们看到白色 LED 的发热相比其他颜色还是要高一点的。

除了利用荧光发出白光的 LED 的技术的发明，另一项重要的技术也是 LCD 发明的重要步骤，那就是液晶（Liquid Crystal）。液晶存在一个特殊的性质就是它的液晶相能改变偏光性。

简单的你可以认为，一束光含有非常多的小的光子，每个光子在向前运动过程中，自身还会沿着某个随机的方向发生小的振动。而透过一片液晶后，横向振动的正常通过了；垂直振动的撞在了液晶上，能量被液晶吸收放出了热能，无法通过；斜着振动的，垂直部分的能量被吸收，而横向的能量保持，继续通过了液晶。从宏观的角度来看，亮度减少了一半。而如果连续通过两个液晶，而他们能通过的方向是正好垂直的，那么 100% 的光都可以被吸收，完全不发光。

而液晶本身对电信号敏感，意味着我们能通过通电来改变液晶的方向，从而很容易地控制哪些光应该被遮住哪些应该被通过。屏幕上其实是有两块液晶构成的，第一块就是单纯只让一个方向的光通过，而第二层由电信号控制，来决定透过多少光，显示一个多亮的东西。

LCD 显示器是由一块白色的 LED 背光，一片液晶和一片被电信号控制的液晶组成的。彩色的 LCD 显示器就是在背光上再贴上红色绿色蓝色的贴纸，来精确控制每个颜色的亮度而已。然而事实上，这种能量损耗是惊人的。首先 LED 由蓝色变成白色需要损失一部分能量，再贴上三色的贴纸又要损失 66% 的能量，通过一片液晶又会损失 50% 的能量。所以最下面的 LED 背光需要非常亮才行。

尽管如此，这项技术随着时间的发展已经变得非常成熟，显示效果非常地好。直到智能手机发明后的好一段时间大家发现，手机的主要耗电都放在了屏幕上，而手机的电池又不那么够用。我们急需一项新技术来改进我们显示的功耗。

OLED —— 更低的成本，更大的应用可能

我们之前说到 LED 决定颜色的主要关键在于材料，但我之前也说我们发现了超过 20 种无机材料，无机材料简单来说就是一些合金，组合的数量其实很少，可供选择的改进很少，已有的选项生产成本都不低。然而这时候我们需要谈到一个人，他叫做邓青云，他出生于英属香港，后在英属哥伦比亚大学得到化学理学士学位，后进入康奈尔大学获得物理化学博士学位，之后于 1975 年进入柯达公司 Rochester 实验室工作。在实验中意外发现了一些有机材料也可以成为这样的材料。OLED 使用了有机化合物作为半导体材料，工艺简单、成本低廉甚至还能用印刷方式制造。这意味着我们可以用 OLED 印刷出一个大面积的发光面。

这些特性都是传统 LED 没有的。我们用红色、绿色、蓝色的 OLED 通过印刷方法就能得到一个很大的屏幕，通过电信号单独控制每个灯，我们就能精确发出光的亮度。在显示黑色的时候耗能几乎是 0，发光不透过彩色贴纸、不透过液晶、没有荧光粉，简直就是我们继续要找的这么一款用来做手机显示器的卓越材料。

下篇预告

• AMOLED 与 PMOLED 的区别在于有没有 TFT（我并没有在开玩笑）
• Super AMOLED 与 OGS、InCell、OnCell
• 拜耳阵列与 Pentile 排列的发展