SED和FED顯示技術(shù)的比較分析

信息顯示器是電子系統(tǒng)非常關(guān)鍵的人機界面，幾十年來業(yè)界專家一直在努力制造更大、更輕、更亮和更薄的顯示器，特別是用于電視收看。進一步追求完美電視顯示器的動力來自于HDTV，它改變了人們傳統(tǒng)的娛樂體驗，通過提供極高分辨率的清晰視頻、高保真的環(huán)繞立體聲、全屏圖像，以及交互應(yīng)用的功能，HDTV提供的無以倫比的用戶體驗，引起了全球消費者的興趣。

由于目前用于HDTV的顯示器技術(shù)的固有缺點，許多研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)⒓{米碳管(CNT)用作發(fā)射電極的場發(fā)射顯示器(FED)，并將此技術(shù)用于HDTV。另外，佳能和東芝公司已經(jīng)開發(fā)出另外一種基于橫向場發(fā)射器的FED，稱為表面?zhèn)鲗щ娮影l(fā)射顯示器(SED)。

FED和SED的相似性

SED和FED技術(shù)有許多相同的地方，如：

1．外形

首先，它們都是平板超薄屏幕技術(shù)，都可以滿足針對大屏幕顯示器的HDTV規(guī)范。業(yè)界推出的一種對角尺寸為36英寸的SED平面顯示器具有(H)1280 X 3 X (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的目標市場都是大屏幕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)。每個像素或子像素自身都能產(chǎn)生可被用戶直接看見的光能，因此可以提供很高的對比度和效率，并且還有其它方面的性能改進。對于SED和其它FED技術(shù)來說，形成圖像的光是由帶能量電子撞擊非常類似于陰極射線管(CRT)陽極屏幕的熒光屏陽極產(chǎn)生的。所用熒光層也與CRT相同或類似。

3. 結(jié)構(gòu)

第三，因為電子加速需要真空才能避免電暈或等離子放電，因此SED和其它FED的機械結(jié)構(gòu)要由密封玻璃封套組成，通過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)來保護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)對用戶是透明的。36英寸SED需要用20個肋狀隔離器以保持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)。

　1：顯示了陰極板、肋狀隔離器和陽極板的SED結(jié)構(gòu)(頂部)。
　　FED結(jié)構(gòu)(底部)也非常類似，只有陰極板細節(jié)有所不同

4. 制造

最后一點是制造和組裝工藝也非常相似，除了陰極板是個例外，后面還會討論到。目前開發(fā)的所有FED技術(shù)都需要裝配一個前板(陽極)和一個后板(陰極或電子源)以及側(cè)墻、隔離器和吸氣裝置。先單獨制造陽極和陰極板，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?；贑NT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)則會取消隔離器或減少隔離器數(shù)量。一些正在開發(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的陽極制造工藝非常相似。圖3給出了SED面板陽極結(jié)構(gòu)的細節(jié)：黑色矩陣和彩色過濾器用于提高對比度，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。

　　圖3：SED平面顯示器陽極板的放大照片[4]。
　　雖然其它FED顯示器的尺寸可能會變化，但結(jié)構(gòu)是非常相似的。

另外，SED和基于CNT的FED顯示器都使用印刷的方法制造陽極和陰極板(后文將有詳細說明)。因此以個人觀點看，SED和其它FED技術(shù)有許多相同的組件，例如陽極以及陽極上使用的熒光層、隔離器、吸氣器以及大部分裝配工藝。下面讓我們再看看SED和其它FED技術(shù)的獨特性。

SED和FED之間的區(qū)別

從電子源板和驅(qū)動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. 標準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)。微端(Microtip)發(fā)射器也有相似的結(jié)構(gòu)。在這兩種情況下，電子束都是通過從發(fā)射器結(jié)構(gòu)(CNT或微端)獲得電子形成的，這是陽極、柵極和陰極之間的電壓差導致發(fā)射器上產(chǎn)生高電場的結(jié)果。在某些時候，陽極電場致使電子發(fā)射，而陰極-柵極的壓差控制發(fā)射電流強度。

FED發(fā)射器的電子流受發(fā)射器上施加的電場(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CNT發(fā)射器的I-V特性例子。除了施加電場外，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。當功函數(shù)降低時，例如涂覆堿金屬，那么在較低的電場更容易獲取電子。當發(fā)射器的形狀變得較銳利時，也更容易或取電子，因為在發(fā)射器頂部的局部電場會更高。

　圖5：作為電場函數(shù)的發(fā)射電流施加于CNT發(fā)射器，而且CNT發(fā)射器覆蓋了銫。
　　銫可以降低功函，允許在較低的提取電場下發(fā)射

考慮標準FED技術(shù)時有兩個要點。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)射出來的電子將直接到達陽極。一些電子束的加寬是施加電場的橫向分量引起的，但設(shè)計會盡可能地限制這些分量，或者需要時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)計師的目標是禁止電子在離開發(fā)射器后撞擊除陽極外的其它任何表面。

其次，典型的FED是電壓驅(qū)動型器件。在無源矩陣FED顯示器中，很難在陰極和柵極(開和關(guān)電壓)之間施加超過兩個或三個電壓等級，因此圖像的灰度等級是由脈沖寬度調(diào)制實現(xiàn)的。對所有無源矩陣平面顯示器而言，圖像是一行行建立的。當某一行被激活時，該行的像素就被列驅(qū)動器打開；該行每個像素保持打開的時間取決于該幅圖像幀的像素要求的發(fā)光強度。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，因此對微端和CNT顯示器來說發(fā)射和圖像的一致性是需要克服的大問題。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行控制。

FED發(fā)射器的制造取決于FED開發(fā)團隊所采用的方法。摩托羅拉和LETI公司開發(fā)的工藝要求CNT直接生長在陰極基底上，而ANI和三星等公司開發(fā)的工藝允許CNT印刷。與直接CNT生長所要求的高溫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。印刷方法要求一個活化步驟，但即使這個步驟也針對使用珠光處理(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)相比其獨特性在于，針對每個像素對陽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，穿越兩個電極之間形成的非常窄的間隙。電極之間的這個間隙雖然小，只有數(shù)個納米數(shù)量級，但仍是真空間隙，需要施加一定的電位才能將電子從一個電極提取出來，并穿過真空隧道屏障到達另外一個電極。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Оl(fā)射器(SCE)正是從這種橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)而來。圖6是SED發(fā)射器的結(jié)構(gòu)圖。

　　圖6：SED的結(jié)構(gòu)。每個子像素都有一個獨特的用于提供電子流的電極對

b.第2步

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

　　圖7：表面?zhèn)鲗Оl(fā)射器發(fā)射機制

上述發(fā)射器是采用多種技術(shù)制造的。簡單的矩陣連線通過印刷方法沉積而成，這種方法在交叉點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PdO顆粒組成。然后是第一步，在兩個Pt電極之間的這種PdO薄膜上施加一串電壓脈沖，通過減少氧化層在該薄膜上“形成”一個間隙。由于基底處于真空環(huán)境，脈沖熱量會減少PdO。隨著PdO的減少，薄膜會受到一定的壓力，最終在PdO點的直徑范圍內(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，并導致間隙中形成類似CVD的碳薄膜沉積，最終間隙將縮小至自我限制的5nm數(shù)量級距離。當間隙較大時，由于碳氫化合物分子在因放電形成的等離子區(qū)內(nèi)的分裂而沉積成碳元素。隨著間隙逐漸變小，脈沖生成的局部放電電流會越來越大，材料將逐漸蒸發(fā)。當間隙為5nm時，碳元素的沉積和蒸發(fā)達到平衡。這種間隙的寬度受有機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。

　　圖8：(頂部)采用成型和激活工藝制造的納米碳間隙的SED橫截面圖。
　　(底部)納米碳間隙結(jié)構(gòu)的框圖?；讚p耗是由于激活工藝局部產(chǎn)生的高溫引起的

與FED相似，SED也是逐行驅(qū)動的，如圖9所示。掃描電路產(chǎn)生掃描信號(Vscan)，信號調(diào)制電路產(chǎn)生同步于掃描信號的脈寬調(diào)制信號(Vsig)。由于表面?zhèn)鲗Оl(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單的矩陣x-y配置來有選擇地驅(qū)動每個像素，并在信號電壓為18.9V、掃描電壓為9.5V時仍能獲得100000:1的亮度對比度。相比之下，基于CNT的FED結(jié)構(gòu)的典型信號電壓為 35" 50 V，掃描電壓為50" 100 V。SED開關(guān)器件的電壓低得多，但它們必須針對更高的穩(wěn)態(tài)電流負載進行設(shè)計，由于SCE電子散射機制的低效率，最高電流可達30倍。SED的大電流還要求互連線阻抗比FED低，因為即使線上一個很小的壓降也會導致邊到邊的非一致性。

　　圖9：SED矩陣尋址式驅(qū)動方法框圖

本文小結(jié)

SED和其它FED技術(shù)有許多相似的部分，例如陽極配置和陽極使用的熒光層、隔離器技術(shù)、吸氣器以及許多裝配工藝。最大的差異在于發(fā)射器結(jié)構(gòu)，雖然SED和其它基于FED的結(jié)構(gòu)都可以用印刷技術(shù)進行制造，從而有助于降低大屏幕顯示器的制造成本。

兩種發(fā)射器結(jié)構(gòu)都遵循Fowler-Nordheim特性，允許使用簡單的x-y矩陣尋址實現(xiàn)高的對比度。SED已經(jīng)可以提供100000:1的對比度；如果使用相同的陽極，F(xiàn)ED也能提供近似值。SED和基于CNT的FED(對于印刷CNT層)都要求激活步驟，雖然激活過程有很大的不同。SED的驅(qū)動電壓為20V或以下，但要求較大的電流能力?；贑NT的FED一般工作在50 " 100 V范圍內(nèi)，但驅(qū)動電流小得多。由于要求大的驅(qū)動電流和低的驅(qū)動電壓，SED的互連線需要更穩(wěn)定可靠。因此SED和基于CNT的FED已經(jīng)被證明或有可能被證明是制造高質(zhì)量、大屏幕HDTV顯示器的低成本方法。