場發(fā)射顯示器

場發(fā)射顯示器

FED英文全稱是Field Emission Display，即場致發(fā)射顯示器。依電子發(fā)射源而分，F(xiàn)ED又可分為CNT（碳納米管型）、SED（表面?zhèn)鲗?dǎo)型）、Spindt（圓錐發(fā)射體型）、BSD（彈道電子放射型）等類型。目前最為看好的應(yīng)用主要是CNT和SED兩大技術(shù)體系。

引 言
過去FED在發(fā)展上遭遇頗多瓶頸,但是從奈米碳管技術(shù)應(yīng)用逐漸浮上樓面,而CANON與TOSHIBA兩家公司也合資以SED技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的種種跡象看來,FED的末來仍有其潛力.

各種平面顯示器技術(shù)在畫質(zhì)、成本等皆取代CRT為發(fā)展的目標(biāo),而場發(fā)射顯示器(Field emission display,FED)則以CRT技術(shù)的延伸來發(fā)展,意圖以CRT的優(yōu)點(diǎn)來搶占此一市場,雖然在概念上雖有與CRT類似之處,但由於在結(jié)構(gòu),材料上與CRT技術(shù)完全不同,因此發(fā)展起來的仍遭遇許多瓶頸.不過在使用奈米碳管技術(shù)應(yīng)用在場發(fā)射顯示技術(shù)上逐漸有較大的突破與發(fā)展,再加上Canon與Thoshib利用表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射電子的理論發(fā)SED技術(shù)，於2004年月10月合資成立新公司從事SED面板的開發(fā)、制造與銷售，預(yù)計(jì)於2005年8月開始量產(chǎn)，讓人期待FED技術(shù)的新轉(zhuǎn)機(jī)。

FED技術(shù)原理與發(fā)展
場發(fā)射電極理論最早是在1928年由R.H.Eowler與L.W.Nordheim共同提出，不過真正以半導(dǎo)體制程技術(shù)研發(fā)出場發(fā)射電極元件，開啟運(yùn)用場發(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,場發(fā)射電極的應(yīng)用是到1991年法國LETI CHENG公司在第四屆國際真空微電子會議上展出一款運(yùn)用場發(fā)射電極技術(shù)制成的顯示器成品之後,場發(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，使電場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，透過偏向軌（Deflation Yoke）來控制電子束發(fā)射掃瞄的方向，而FED顯示器擁有數(shù)十萬個(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)，不過在發(fā)展初期卻無法與CRT的成本相比，主要原因是場發(fā)射元件的問題。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，在制作過程中微影與蒸鍍技術(shù)均會限制尺寸的大小。

解決之道是采用取代Spindt場發(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發(fā)射元件能夠得到更好的場發(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.

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

在大尺寸場發(fā)射顯示面板則首推日本伊勢電子，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發(fā)射顯示器，其亮度達(dá)10,000cd/m2.另外，韓國Samsung也發(fā)表單色、600cd/m2的15寸奈米碳管場發(fā)射顯示器，并計(jì)畫發(fā)展使用在電視機(jī)的32寸奈米碳管場發(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。

1.Canon 與Toshiba開發(fā)SED電視
在場發(fā)射顯示器技術(shù)上，Canon 與Toshiba則是開發(fā)表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器（Surface-conduction Electron-emitter Display.SED）,SED的技術(shù)原理主要是利用表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射電子的理論。SED與CNT FED的不同點(diǎn)在於，SED具有較小的驅(qū)動(dòng)電壓、不用蒸焦電極，以及較高均勻亮度等優(yōu)點(diǎn)。不用聚焦電極可以有效降低制程成本,亮度均勻性則是厚膜式FED的問題,因?yàn)楹衲げ痪鶆虮硎久總€(gè)畫素在相同電壓下,流遇的電流是不相等的,則導(dǎo)致畫面上有亮度不均勻現(xiàn)象.

表1 SED與CNT FED技術(shù)差異
技術(shù)SEDCNT FED
優(yōu)
點(diǎn)1發(fā)射源效能較均一，亮度較為均勻。
2驅(qū)動(dòng)電壓較小
3不需要聚焦電極。1發(fā)射效率較高。
2結(jié)構(gòu)建軍構(gòu)較易。
缺
點(diǎn)1裂縫控制不易，造成良率提升困難。
2電子發(fā)射效率較差。1發(fā)射源控制不易，亮度亦不均勻。
2驅(qū)動(dòng)電壓高。
3電子束易擴(kuò)大，需要聚焦電極。

表2 各種顯示技術(shù)性能比較
技術(shù)FEDLCDPDPCRT
消費(fèi)電力◎○△△
重量◎◎◎△
尺寸-○◎○
精細(xì)度◎◎○◎
操作環(huán)境◎○○◎
亮度◎○○◎
協(xié)調(diào)◎○○◎
色純度◎◎○◎
反應(yīng)速度◎△◎◎
視角◎△◎◎
制程-△○◎
材料成本-△○◎
驅(qū)動(dòng)電路◎◎△◎

在成本上,根據(jù)Canon與Toshiba表示,SED面板的驅(qū)動(dòng)電路材料成本與LCD面板相近，而面板本身的材料成本則與PDP相當(dāng)，因此整體而言相較LCD與PDP，具有成本上的優(yōu)勢。而在量產(chǎn)初期固定成本較高，不過Canon與Toshiba則計(jì)畫在2010年以前削減此部分的成本，以與其他技術(shù)競爭。

2.奈米碳管場發(fā)射在背光模組的發(fā)展
近年來由於大尺寸液晶電視的背光模組成本相對較高，阻礙整體成本下降的空間與速度，因此在北光源的開發(fā)除了原先的冷陰極燈管之外，發(fā)光二極體（LED）、平面光源技術(shù)、以及奈米碳管場發(fā)射技術(shù)等，都開始朝向應(yīng)用於大尺寸液晶面板來開發(fā)。

在奈米碳管場發(fā)射背光模組的發(fā)展上，目前韓國Samsung Corning、LG Electronics等都有投入開發(fā)，而臺灣工研院電子所也將原先開發(fā)出奈米碳管場發(fā)射背光模組樣品。而日本日機(jī)裝株式會社也於2005年1月展示奈米碳管場發(fā)射背光模組樣品。

日機(jī)裝與日本Displaytech21公司於2005年1月聯(lián)合開發(fā)出使用奈米碳管的液晶面板背光模組。此次展出的樣品畫面尺為3寸。技術(shù)原理為將涂布有奈米碳管做為陰極的玻璃基板，與涂布螢光材料後形成陽極的玻璃基板，隔開一定的空間重疊起來，將奈米碳管用作電子放射源，將放射出的電子照射擊到螢光材料上，就能發(fā)出白光。所使用的奈米碳管直徑為20NM，為一種在一根奈米碳管中裝有外徑更小的奈米碳管的多層奈米碳管。開始發(fā)光時(shí)的電場強(qiáng)度為0.74V/um,比之前一般在1~2V/um左右還低，由於能夠降低發(fā)光的電場強(qiáng)度，因此就能降低施加在奈米碳管與正電極之間的電壓，達(dá)到降低耗電量的目的。在做為32寸TFT LCD背光源時(shí)，亮度為10.000cd/m2下發(fā)光時(shí)約為60W，與使用冷陰極燈管（CCFL）與發(fā)光二極體（LED）相比，耗電量更低。預(yù)計(jì)2006年度達(dá)到實(shí)用水平時(shí)，目標(biāo)是現(xiàn)實(shí)亮度30,000cd/m2、壽命50，000小時(shí)。在應(yīng)用上則是以手機(jī)和車載終端產(chǎn)品用的中小尺寸液晶面板，將來將計(jì)畫向大螢?zāi)灰壕щ娨暫驼彰髟O(shè)備等大型產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展。

廠商動(dòng)態(tài)
在場發(fā)射顯示器的開發(fā)上，以日本伊勢電子與韓國Samsung投入較早，不過在奈米技術(shù)逐漸為廠商重視，投入的廠商也逐漸增多，Sony、日立、富士寫真、Canon、松下、Toshiba、Nikon與NEC等廠商也以提出與奈米技術(shù)相關(guān)的專利申請，其中又以奈米碳管為主要的研發(fā)項(xiàng)目。

1、伊勢電子
日本伊勢電子早在1998年在SID會議展示一款采用奈米碳管材料的場發(fā)射顯示器，發(fā)射電流約為200MA。伊勢電子使用化學(xué)氣相沈積法成功於2001年底制作出14.5寸的彩色奈米碳管場發(fā)射顯示器，其亮度達(dá)10，000cd/m2,并於2002年3月舉辦的東京國際論壇中展出使用奈米碳管的的40寸寬螢?zāi)粓霭l(fā)射顯示器，使得伊勢電子成為奈米碳管場發(fā)射顯示器在開支化腳步最快的廠商。