場(chǎng)發(fā)射顯示器概述

場(chǎng)發(fā)射顯示器（Field emission display，F(xiàn)ED）發(fā)光原理為：在發(fā)射與接收電極中間的真空帶中導(dǎo)入高電壓以產(chǎn)生電場(chǎng)，使電場(chǎng)刺激電子撞擊接收電極下的螢光粉，而產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)。此種發(fā)光原理與陰極射線管（CRT）類(lèi)似，都是在真空中讓電子撞擊螢光粉發(fā)光，其中不同之處在CRT由單一的電子槍發(fā)射電子束，透過(guò)偏向軌（Deflation Yoke）來(lái)控制電子束發(fā)射掃瞄的方向，而FED顯示器擁有數(shù)十萬(wàn)個(gè)主動(dòng)冷發(fā)射子，因此在構(gòu)造上FED可以達(dá)到比CRT節(jié)省空間的效果。其次在于電壓部分，CRT大約需要15~30KV左右的工作電壓，而FED的陰極電壓約小于1KV。

FED技術(shù)原理與發(fā)展

場(chǎng)發(fā)射電極理論最早是在1928年由R.H.Eowler與L.W.Nordheim共同提出，不過(guò)真正以半導(dǎo)體制程技術(shù)研發(fā)出場(chǎng)發(fā)射電極元件，開(kāi)啟運(yùn)用場(chǎng)發(fā)射電子做為顯示器技術(shù)，則是在1968年由C.A.Spindt提出，隨後吸引後續(xù)的研究者投入研發(fā)。

不過(guò)，場(chǎng)發(fā)射電極的應(yīng)用是到1991年法國(guó)LETI CHENG公司在第四屆國(guó)際真空微電子會(huì)議上展出一款運(yùn)用場(chǎng)發(fā)射電極技術(shù)制成的顯示器成品之後，場(chǎng)發(fā)射電極技術(shù)才真正被注意，并吸引Candescent、Pixtech 、Micron、Ricoh、Motorola、Samsung、Philips等公司投入，也使得FED加入眾多平面顯示器技術(shù)的行列。

在場(chǎng)發(fā)射顯示器的應(yīng)用，發(fā)射與接收電極中間為一段真空帶，因此必須在發(fā)射與接收電極中導(dǎo)入高電壓以產(chǎn)生電場(chǎng)，使電場(chǎng)刺激電子撞擊接收電極下的螢光粉，而產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)。此種發(fā)光原理與陰極射線管（CRT）類(lèi)似，都是在真空中讓電子撞擊螢光粉發(fā)光，其中不同之處在CRT由單一的電子槍發(fā)射電子束，透過(guò)偏向軌（Deflation Yoke）來(lái)控制電子束發(fā)射掃瞄的方向，而FED顯示器擁有數(shù)十萬(wàn)個(gè)主動(dòng)冷發(fā)射子，因此在構(gòu)造上FED可以達(dá)到比CRT節(jié)省空間的效果。其次在於電壓部分，CRT大約需要15~30KV左右的工作電壓，而FED的陰極電壓約小於1KV。

雖然FED被視為可取CRT的技術(shù)，不過(guò)在發(fā)展初期卻無(wú)法與CRT的成本相比，主要原因是場(chǎng)發(fā)射元件的問(wèn)題。最早被提出的Spindt形式微尺寸陣列雖然是首度實(shí)現(xiàn)發(fā)射顯示的技術(shù)，但它的陣列特性卻限制顯示的尺寸，主要原因是它的結(jié)構(gòu)是在每個(gè)陣列單元上包含一個(gè)圓孔，圓孔內(nèi)含一個(gè)金屬錐，在制作過(guò)程中微影與蒸鍍技術(shù)均會(huì)限制尺寸的大小。

解決之道是采用取代Spindt場(chǎng)發(fā)射元件的技術(shù).1991年NEC發(fā)表一篇有關(guān)奈米碳管的文章後，研究人員發(fā)現(xiàn)以奈米結(jié)構(gòu)合成的石墨，或是奈米碳管作為場(chǎng)發(fā)射元件能夠得到更好的場(chǎng)發(fā)射效率，因此奈米碳管合成技術(shù)成為FED研發(fā)的新方向。

目前在奈米碳管場(chǎng)發(fā)射顯示器領(lǐng)域，以日本伊勢(shì)電子與韓國(guó)Samsung投入較早，而SONY、日立、富士寫(xiě)真、Canon、松下、Toshiba、Nikon與NEC等廠商也以提出與奈米技術(shù)相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)，其中又以奈米碳管為主要的研發(fā)項(xiàng)目。

在大尺寸場(chǎng)發(fā)射顯示面板則首推日本伊勢(shì)電子，該公司曾使用化學(xué)氣相沈積法成功制作出14.5寸的彩色奈米碳管場(chǎng)發(fā)射顯示器，其亮度達(dá)10，000cd/m2.另外，韓國(guó)Samsung也發(fā)表單色、600cd/m2的15寸奈米碳管場(chǎng)發(fā)射顯示器，并計(jì)畫(huà)發(fā)展使用在電視機(jī)的32寸奈米碳管場(chǎng)發(fā)射顯示器，成功實(shí)現(xiàn)100伏特以下的低電壓驅(qū)動(dòng)結(jié)果。

表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器（SED）工作原理

同樣是利用帶電粒子轟擊熒光粉，但SED產(chǎn)生電子的原理與CRT顯示器有很大的不同。CRT的電子槍通過(guò)加熱金屬陰極，使它具有表面活性，生成活潑電子，然后利用陽(yáng)極把電子從陰極上拉出來(lái)，并利用偏轉(zhuǎn)線圈讓電子束在熒光屏的水平和垂直兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行掃描，生成一幅完整的畫(huà)面。

相比之下，SED不僅沒(méi)有掃描裝置，而且產(chǎn)生電子的方式也不同。SED屏幕上的每個(gè)像素內(nèi)都有一個(gè)屬于自己的電子發(fā)射裝置（陰極），這個(gè)電子發(fā)射裝置其實(shí)就是一個(gè)寬度約為5nm（納米）的碳納米間隙。由于間隙寬度極小，只要在間隙兩端施加10伏特左右的電壓便能產(chǎn)生電子流（這與閃存芯片中存儲(chǔ)元的充放電原理相同，被稱(chēng)作“F-N隧道效應(yīng)”）。此時(shí)，如果給金屬背板（陽(yáng)極）施加一個(gè)正電壓，與陰極之間形成一個(gè)電場(chǎng)，電子流便會(huì)在電場(chǎng)力的作用下逃離間隙，奔向陽(yáng)極，轟擊熒光粉，發(fā)出熒光。

表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器（SED）技術(shù)優(yōu)勢(shì)

特殊的制作工藝，加上性能穩(wěn)定的材料，保證了常溫下SED面板的工作穩(wěn)定性。

比液晶、等離子優(yōu)勢(shì)更明顯

在顯示器、電視機(jī)市場(chǎng)上，這些年來(lái)CRT技術(shù)雖然十分成熟，但因體積和功耗方面的問(wèn)題，市場(chǎng)表現(xiàn)已顯出疲態(tài)，取而代之的是液晶和等離子這兩種平板顯示器。但是，這兩種平板顯示技術(shù)也并非完美的顯示技術(shù)，特別在顯示質(zhì)量、功耗和價(jià)格方面都還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到令人滿意的地步。SED的出現(xiàn)，其卓越的表現(xiàn)無(wú)疑讓人們產(chǎn)生了對(duì)這種新型顯示產(chǎn)品的期待。日本靜岡大學(xué)納米視覺(jué)研究中心先進(jìn)納米機(jī)械實(shí)驗(yàn)室主任中本正幸教授指出，SED將在未來(lái)自發(fā)光型顯示器以及納米技術(shù)時(shí)代，具有廣泛的產(chǎn)品應(yīng)用空間。他認(rèn)為，SED將是全彩高畫(huà)質(zhì)電視產(chǎn)品的極佳選擇。與傳統(tǒng)的平板顯示技術(shù)相比，SED在性能和成本方面具有優(yōu)勢(shì)。

從顯示質(zhì)量上來(lái)說(shuō)，SED采用與普通電視顯像管同樣的熒光粉，亮度可達(dá)400cd/m2，在色彩飽和度及銳利度方面，都是液晶和等離子電視所難以匹敵的。而且SED由電子轟擊熒光粉發(fā)光，屬于自發(fā)光器件，不存在液晶顯示的可視角不夠和響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。SED發(fā)光完全可控，不存在液晶顯示的背光泄漏或等離子顯示的預(yù)放電問(wèn)題，黑亮度只有0.04cd/㎡，暗處對(duì)比度高達(dá)10000∶1，黑色表現(xiàn)力極強(qiáng)。

在功耗方面，SED的發(fā)光效率可達(dá)5lm/W，耗電量只有同尺寸等離子或液晶顯示器的一半左右。

在成本方面，SED的結(jié)構(gòu)基本上是平面結(jié)構(gòu)，不同于液晶和等離子的立體化結(jié)構(gòu)，因此可以采用先進(jìn)的印刷工藝進(jìn)行批量制造，從而提高生產(chǎn)效率并降低成本。來(lái)自TRI（拓璞產(chǎn)研）的研究報(bào)告指出，40英寸的SED面板成本可以控制在600美元，而同尺寸液晶和等離子面板的成本則在700美元左右（2008年）。不過(guò)，考慮前期研發(fā)費(fèi)用投入的因素，SED目前的成本還比較高，不過(guò)到了2010年就能夠與液晶和等離子持平。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，SED的成本優(yōu)勢(shì)會(huì)愈發(fā)顯著。

FED和SED的相似性

1、外形

首先，它們都是平板超薄屏幕技術(shù)，都可以滿足針對(duì)大屏幕顯示器的HDTV規(guī)范。業(yè)界推出的一種對(duì)角尺寸為36英寸的SED平面顯示器具有（H）1280X3X（V）768像素。這種顯示器只有7.3mm厚，由2.8mm厚的陰極板、2.8mm厚的陽(yáng)極板和1.7mm厚的真空隔離層組成。這種平面顯示器重量為7.8kg。相似尺寸的FED的重量和厚度也大致相仿，F(xiàn)EG和SED的目標(biāo)市場(chǎng)都是大屏幕HDTV。

2.、顯示技術(shù)

其次，它們都是直接觀看或發(fā)射性顯示技術(shù)。每個(gè)像素或子像素自身都能產(chǎn)生可被用戶(hù)直接看見(jiàn)的光能，因此可以提供很高的對(duì)比度和效率，并且還有其它方面的性能改進(jìn)。對(duì)于SED和其它FED技術(shù)來(lái)說(shuō)，形成圖像的光是由帶能量電子撞擊非常類(lèi)似于陰極射線管（CRT）陽(yáng)極屏幕的熒光屏陽(yáng)極產(chǎn)生的。所用熒光層也與CRT相同或類(lèi)似。

3、結(jié)構(gòu)

第三，因?yàn)殡娮蛹铀傩枰婵詹拍鼙苊怆姇灮虻入x子放電，因此SED和其它FED的機(jī)械結(jié)構(gòu)要由密封玻璃封套組成，通過(guò)抽真空形成加速電子束所需的真空。根據(jù)顯示器尺寸和玻璃墻厚度，通常需要隔離器（spacer）來(lái)保護(hù)玻璃墻免受大氣壓力的破壞。隔離器還必須能夠承受高電壓梯度，并且在正常工作狀態(tài)對(duì)用戶(hù)是透明的。36英寸SED需要用20個(gè)肋狀隔離器以保持1.7mm厚的真空間隙。SED顯示器的原理圖如圖1所示。包括SED在內(nèi)的所有FED技術(shù)都需要某種形式的吸氣技術(shù)，以便在顯示器抽真空和密封后保持玻璃封套內(nèi)所需的真空狀態(tài)。

4.、制造

最后一點(diǎn)是制造和組裝工藝也非常相似，除了陰極板是個(gè)例外，后面還會(huì)討論到。目前開(kāi)發(fā)的所有FED技術(shù)都需要裝配一個(gè)前板（陽(yáng)極）和一個(gè)后板（陰極或電子源）以及側(cè)墻、隔離器和吸氣裝置。先單獨(dú)制造陽(yáng)極和陰極板，然后與其它組件裝配在一起，再用玻璃粉或其它新型材料加以密封，最后抽真空。圖2給出了基于CNT的FED裝配流程，該流程也同樣適合包括SED在內(nèi)的其它FED技術(shù)。有些技術(shù)將密封和抽真空步驟合并在一起，而有些技術(shù)則會(huì)取消隔離器或減少隔離器數(shù)量。一些正在開(kāi)發(fā)中的新材料有望取代玻璃粉密封，以降低密封溫度，并避免使用高含鉛的材料。

SED和FED的陽(yáng)極制造工藝非常相似。圖3給出了SED面板陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)：黑色矩陣和彩色過(guò)濾器用于提高對(duì)比度，金屬背膜用于改善亮度和效率，也用作高壓電位的電極，并在電子束照明期間從熒光層釋放出電荷。

另外，SED和基于CNT的FED顯示器都使用印刷的方法制造陽(yáng)極和陰極板（后文將有詳細(xì)說(shuō)明）。因此以個(gè)人觀點(diǎn)看，SED和其它FED技術(shù)有許多相同的組件，例如陽(yáng)極以及陽(yáng)極上使用的熒光層、隔離器、吸氣器以及大部分裝配工藝。下面讓我們?cè)倏纯碨ED和其它FED技術(shù)的獨(dú)特性。

SED和FED之間的區(qū)別

從電子源板和驅(qū)動(dòng)電路方面可以清楚地看到SED和FED之間的顯著差異。在討論差異的顯著性之前，我們必須首先理解每種技術(shù)采用的結(jié)構(gòu)和工作原理。

1、標(biāo)準(zhǔn)FED發(fā)射器結(jié)構(gòu)

采用納米碳管（CNT）發(fā)射器的一些典型結(jié)構(gòu)圖4。微端（Microtip）發(fā)射器也有相似的結(jié)構(gòu)。在這兩種情況下，電子束都是通過(guò)從發(fā)射器結(jié)構(gòu)（CNT或微端）獲得電子形成的，這是陽(yáng)極、柵極和陰極之間的電壓差導(dǎo)致發(fā)射器上產(chǎn)生高電場(chǎng)的結(jié)果。在某些時(shí)候，陽(yáng)極電場(chǎng)致使電子發(fā)射，而陰極-柵極的壓差控制發(fā)射電流強(qiáng)度。

FED發(fā)射器的電子流受發(fā)射器上施加的電場(chǎng)（由陰極到柵極的偏置電壓產(chǎn)生）控制，并受Fowler-Nordheim等式的約束。發(fā)射器的電流是施加電壓的函數(shù)，并呈高度的非線性。圖5是一個(gè)CNT發(fā)射器的I-V特性例子。除了施加電場(chǎng)外，發(fā)射電流還取決于發(fā)射器的功函數(shù)（workfunction（））和發(fā)射器形狀。當(dāng)功函數(shù)降低時(shí)，例如涂覆堿金屬，那么在較低的電場(chǎng)更容易獲取電子。當(dāng)發(fā)射器的形狀變得較銳利時(shí)，也更容易或取電子，因?yàn)樵诎l(fā)射器頂部的局部電場(chǎng)會(huì)更高。

考慮標(biāo)準(zhǔn)FED技術(shù)時(shí)有兩個(gè)要點(diǎn)。首先，配置在很大程度上是垂直的。一般柵極緊靠陰極放置，這樣施加的電場(chǎng)在CNT發(fā)射器沉積的陰極處大部分是垂直的，從陰極發(fā)射出來(lái)的電子將直接到達(dá)陽(yáng)極。一些電子束的加寬是施加電場(chǎng)的橫向分量引起的，但設(shè)計(jì)會(huì)盡可能地限制這些分量，或者需要時(shí)在路徑中放置另外的聚焦電極加以糾正。通常情況下，F(xiàn)ED設(shè)計(jì)師的目標(biāo)是禁止電子在離開(kāi)發(fā)射器后撞擊除陽(yáng)極外的其它任何表面。

其次，典型的FED是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。在無(wú)源矩陣FED顯示器中，很難在陰極和柵極（開(kāi)和關(guān)電壓）之間施加超過(guò)兩個(gè)或三個(gè)電壓等級(jí)，因此圖像的灰度等級(jí)是由脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。對(duì)所有無(wú)源矩陣平面顯示器而言，圖像是一行行建立的。當(dāng)某一行被激活時(shí)，該行的像素就被列驅(qū)動(dòng)器打開(kāi)；該行每個(gè)像素保持打開(kāi)的時(shí)間取決于該幅圖像幀的像素要求的發(fā)光強(qiáng)度。由于發(fā)射器的發(fā)射電流具有高度非線性，發(fā)射器的制造又很難控制，因此對(duì)微端和CNT顯示器來(lái)說(shuō)發(fā)射和圖像的一致性是需要克服的大問(wèn)題。制造技術(shù)已經(jīng)改善了基于CNT的FED的一致性。陰極的發(fā)射一致性通常是由與陰極串聯(lián)在一起的電流反饋電阻進(jìn)行控制。

FED發(fā)射器的制造取決于FED開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)所采用的方法。摩托羅拉和LETI公司開(kāi)發(fā)的工藝要求CNT直接生長(zhǎng)在陰極基底上，而ANI和三星等公司開(kāi)發(fā)的工藝允許CNT印刷。與直接CNT生長(zhǎng)所要求的高溫CVD方法相比，印刷方法更適合大批量制造具有一致發(fā)射性能的大面積陰極。印刷方法要求一個(gè)活化步驟，但即使這個(gè)步驟也針對(duì)使用珠光處理（bead-blasting）技術(shù)的大面積制造工藝作了優(yōu)化。

2、SED結(jié)構(gòu)

SED結(jié)構(gòu)與其它FED技術(shù)相比其獨(dú)特性在于，針對(duì)每個(gè)像素對(duì)陽(yáng)極提供的電子束流需要用兩步產(chǎn)生。

a．第1步

電子源橫向發(fā)出電子，穿越兩個(gè)電極之間形成的非常窄的間隙。電極之間的這個(gè)間隙雖然小，只有數(shù)個(gè)納米數(shù)量級(jí)，但仍是真空間隙，需要施加一定的電位才能將電子從一個(gè)電極提取出來(lái)，并穿過(guò)真空隧道屏障到達(dá)另外一個(gè)電極。穿越電極空隙的電子流遵循Fowler-Nordheim定律，因此具有高度非線性，并允許后文要討論到的矩陣可尋址方式。表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射器（SCE）正是從這種橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)而來(lái)。圖6是SED發(fā)射器的結(jié)構(gòu)圖。

b.第2步

穿越間隙并撞擊對(duì)面電極的電子要么被吸收進(jìn)對(duì)面電極（因此只產(chǎn)生熱量，不發(fā)光），要么被散射出來(lái)，再被陽(yáng)極電位建立的電場(chǎng)所捕獲，并加速撞擊某個(gè)精確熒光點(diǎn)，從而產(chǎn)生紅、綠或藍(lán)光點(diǎn)。這種組合式電子發(fā)射加電子束散射過(guò)程如圖7所示，其中Va代表陽(yáng)極電位，Vf是跨越間隙的驅(qū)動(dòng)電位。許多散射事件可能發(fā)生在電子被陽(yáng)極電場(chǎng)捕獲之前。因此被陽(yáng)極捕獲的電子數(shù)量的效率（Ie/If，圖7）非常低，大約在3%，但功效比較理想，因?yàn)閂f比較低，約在20V。值得注意的是，到達(dá)陽(yáng)極的電子流一致性取決于間隙處的電場(chǎng)發(fā)射電流以及像素到像素的散射事件效率。

上述發(fā)射器是采用多種技術(shù)制造的。簡(jiǎn)單的矩陣連線通過(guò)印刷方法沉積而成，這種方法在交叉點(diǎn)處使用銀線和絕緣薄膜。鉑（Pt）電極采用薄膜光刻制成，這些電極之間的間隙是60nm。納米碳間隙采用兩步工藝創(chuàng)建，最先是在Pt電極上和電極間用噴墨印刷方法沉積PdO薄膜（10nm厚）。這層薄膜由直徑約10nm的超細(xì)PdO顆粒組成。然后是第一步，在兩個(gè)Pt電極之間的這種PdO薄膜上施加一串電壓脈沖，通過(guò)減少氧化層在該薄膜上“形成”一個(gè)間隙。由于基底處于真空環(huán)境，脈沖熱量會(huì)減少PdO。隨著PdO的減少，薄膜會(huì)受到一定的壓力，最終在PdO點(diǎn)的直徑范圍內(nèi)形成亞微米的間隙。

然后，將陰極暴露在有機(jī)氣體中“激活”間隙，并往間隙上施加更多的脈沖電壓。這些脈沖電壓將形成局部放電，并導(dǎo)致間隙中形成類(lèi)似CVD的碳薄膜沉積，最終間隙將縮小至自我限制的5nm數(shù)量級(jí)距離。當(dāng)間隙較大時(shí)，由于碳?xì)浠衔锓肿釉谝蚍烹娦纬傻牡入x子區(qū)內(nèi)的？？而沉積成碳元素。隨著間隙逐漸變小，脈沖生成的局部放電電流會(huì)越來(lái)越大，材料將逐漸蒸發(fā)。當(dāng)間隙為5nm時(shí)，碳元素的沉積和蒸發(fā)達(dá)到平衡。這種間隙的寬度受有機(jī)氣體壓力和脈沖電壓的控制。間隙的橫截面圖像如圖8所示。

與FED相似，SED也是逐行驅(qū)動(dòng)的，如圖9所示。掃描電路產(chǎn)生掃描信號(hào)（Vscan），信號(hào)調(diào)制電路產(chǎn)生同步于掃描信號(hào)的脈寬調(diào)制信號(hào)（Vsig）。由于表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射器具有高度非線性的Ie-If特性，可以不用有源單元而使用簡(jiǎn)單的矩陣x-y配置來(lái)有選擇地驅(qū)動(dòng)每個(gè)像素，并在信號(hào)電壓為18.9V、掃描電壓為9.5V時(shí)仍能獲得100000:1的亮度對(duì)比度。相比之下，基于CNT的FED結(jié)構(gòu)的典型信號(hào)電壓為35“50V，掃描電壓為50”100V。SED開(kāi)關(guān)器件的電壓低得多，但它們必須針對(duì)更高的穩(wěn)態(tài)電流負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于SCE電子散射機(jī)制的低效率，最高電流可達(dá)30倍。SED的大電流還要求互連線阻抗比FED低，因?yàn)榧词咕€上一個(gè)很小的壓降也會(huì)導(dǎo)致邊到邊的非一致性。