為什么LCD屏無法顯示純正的“黑”？

你有沒有在手機上修過夜景照片？

明明對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，同樣的照片，暗部能黑得干凈，連路面磚縫的陰影細節都清晰。

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、顯示技術迭代史

咱們現在習以為常的 “輕薄屏幕”，其實是踩在兩代前輩的肩膀上發展來的。

早期的電子顯示器分類

1. 第一代：陰極射線管CRT

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

陰極射線管照片

到了 20 世紀 70 年代，集成電路和個人計算機像 “催化劑” 一樣，讓顯示設備從 “笨重的實驗裝置” 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”：電子槍像精準的 “噴漆槍”，射出的電子束經偏轉線圈控制方向，穿過蔭罩，轟擊屏幕內側的紅綠藍熒光粉，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算器上的數字（你小時候玩的計算器屏幕，就是最原始的 LCD）。

市場上類型多樣的液晶顯示屏

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

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

3. 第三代：有機發光二極管OLED

20 世紀末，一場 “顯示革命” 悄悄來臨 —— 這就是 OLED。

其實早在 1979 年，
美籍華裔教授鄧青云就在實驗室里偶然發現了有機發光二極體，第一次摸到了 OLED 的 “門把手”；直到 1987 年，他和 Steven Van Slyke 用超薄膜技術做出了雙層有機電致發光器件，同年他又和同為 Eastman Kodak 公司的
Steven Van Slyke 發表了 OLED 基本結構的論文，這篇被稱為 “第一篇 OLED 論文” 的研究，才算正式把 OLED 從 “實驗室好奇” 變成 “可落地的技術”。

第一篇OLED論文發表在APL上

此后 OLED 的發展像 “開了加速器”：1990 年，Burroughes 等人用共軛高分子 PPV 做發光層，讓 OLED 從 “小分子” 走向 “高分子”；1993 年，N.C.Greenhaml 團隊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），進一步 “鎖住光”，效率又上了一個臺階；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 大屏時代。后來昆山維信諾、黃維揚團隊等不斷優化壽命和成本，OLED 才真正走進我們的手機、導航儀，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 的完整結構其實是：

→ 背光板（常亮的 “路燈”）

→ 擴散膜（讓光均勻）

→ 下層玻璃基板（嵌著薄膜晶體管 TFT，相當于 “窗簾開關”）

→ 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 是關鍵：它像每個像素的 “專屬控制器”，通過改變電壓，控制液晶分子的扭轉角度 —— 這就是 “窗簾開合” 的動力。

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

1. 唯一 “不會自己發光” 的電視屏

在所有電視用的顯示屏里，LCD 是獨一份的 “透過型選手”—— 它自己發不出任何光，全靠背后的 “路燈”（早期是熒光燈，現在多是 LED 背光）幫忙。就像你想在暗屋里看書，必須開臺燈照書頁，LCD 的 “書頁”（液晶層）本身不亮，全靠 “臺燈”（背光）的光透過來才能顯影。

這種 “靠別人發光” 的體質，直接導致了一個問題：想讓 LCD 像 OLED 那樣 “局部飆亮度”，根本做不到。

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

2. 越想暗，越容易 “泛白”

LCD 顯示畫面的邏輯，本質是 “減法”：背光板發出滿功率的光（相當于路燈開到最亮），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，只能靠 “拉窗簾”，可窗簾永遠拉不嚴（液晶分子扭轉不到 90°）；更麻煩的是，要是為了讓亮部更清晰，把 “路燈” 調得更亮，那 “窗簾” 沒拉嚴的地方（本想顯示黑色或暗部），漏進來的光就更多，直接變成灰蒙蒙的 “泛白”。

三、OLED：“蠟燭陣列” 的發光革命

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

1. OLED的結構細節

OLED 的結構相對LCD更復雜一些：

→玻璃基板

→陽極（銦錫氧化物 ITO，“透明的導電膜”）

→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，“電子的倉庫”）。

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層，讓電子和空穴乖乖在發光層相遇。

2. 有機發光層的秘密

陽極、陰極兩電極施加直流電壓后，陽極側的空穴與陰極側的電子，將分別從電極注入有機膜內部。

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

電子和空穴一邊跳躍一邊“再結合”

此后，被注入有機膜的電子、空穴等電荷，會以分子間 “跳躍” 的運動形式，朝著對面的電極方向移動。

接下來，注入的空穴與電子遷移至發光層，在此處相互匹配并發生結合，該過程定義為 “再結合”。 再結合會使有機分子能量被激活，電子狀態從穩定的基態躍遷至高能級的激發態；而激發態極不穩定，電子會快速回落至基態，此過程中釋放的能量即表現為 “光”。

3. 為什么OLED的器件結構有那么多層？

OLED的核心是“發光層”采用有機物質，通過向有機材料通入電流實現發光，而發光層之外的電極等部件則使用鋁這類無機材料。但有機層（發光層）與鋁之間的界面結合性極差，就像水與油、人的肌膚與巖石強行結合一樣難以相容。

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采用多層結構的核心優點。

有機分子發光的量子視角

具體來看，陽極側使用名為ITO的透明電極，在陽極與空穴傳輸層之間會插入作為緩沖的空穴注入層；陰極側（不透明）同樣使用鋁等金屬，因此也需要在電子傳輸層與發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合性，例如使用適合電子傳輸的材料能加速電子移動速度，使用電子注入性好的材料可提升電子注入效率。

四、物理限制與技術突破的博弈

對顯示技術的追求，本質是在 “解決上一代問題” 和 “突破新物理限制” 之間反復博弈：

• CRT 解決了 “把電信號變成圖像” 的問題，卻栽在 “大、重、費電” 的物理結構上；

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

• OLED 用 “主動自發光 + 加亮度” 的思路，把 LCD 的短板全變成了長板，卻面臨有機材料衰減的量子力學約束。

“顯示技術的演進，就是用新材料突破舊物理限制的過程”。未來的 Micro LED 技術，有望結合 LCD 的耐用性與 OLED 的純黑性 —— 它把 “小蠟燭” 換成了 “微米級 LED 芯片”，既沒有有機材料的衰減問題，又能獨立開關實現純黑，但目前仍需突破 “巨量轉移” 的難題（要把幾百萬顆微米級芯片精準貼在屏幕上）。

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

參考文獻

[1]城戶淳二.有機電致發光——從材料到器件[M].北京：北京大學出版社，2015.

[2]林思媛,吳一全.基于視覺的液晶屏/OLED屏缺陷檢測方法綜述[J].中國圖象圖形學報,2024,29(05):1321-1345.

[3]鄧青云.OLED 的發明過程與產業發展. 手機報在線網，2016.

[4]眾里尋他千百度，OLED 發光材料新突破. 澎湃新聞，2020.

[5]王志奇.關于高端顯示技術OLED的研究[J].呂梁學院學報,2024,14(02):20-23.

[6]劉恩科，朱秉升，羅晉生，等.半導體物理學：第7版[M].北京：電子工業出版社，2013.

[7]毛學軍，沙祥.液晶顯示技術[M].北京：電子工業出版社，2014.

[8]肖運虹.顯示技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

[9]高鴻錦，董友梅，等.新型顯示技術：上冊[M].北京：北京郵電大學出版社，2014.

編輯：Meyare

本文轉載自《中科院物理所》微信公眾號

《物理》50年精選文章