場發射顯示器概述

場發射顯示器（Field emission display，FED）發光原理為：在發射與接收電極中間的真空帶中導入高電壓以產生電場，使電場刺激電子撞擊接收電極下的螢光粉，而產生發光效應。此種發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光，其中不同之處在CRT由單一的電子槍發射電子束，透過偏向軌（Deflation Yoke）來控制電子束發射掃瞄的方向，而FED顯示器擁有數十萬個主動冷發射子，因此在構造上FED可以達到比CRT節省空間的效果。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技術原理與發展

場發射電極理論最早是在1928年由R.H.Eowler與L.W.Nordheim共同提出，不過真正以半導體制程技術研發出場發射電極元件，開啟運用場發射電子做為顯示器技術，則是在1968年由C.A.Spindt提出，隨後吸引後續的研究者投入研發。

不過，場發射電極的應用是到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用場發射電極技術制成的顯示器成品之後，場發射電極技術才真正被注意，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的行列。

在場發射顯示器的應用，發射與接收電極中間為一段真空帶，因此必須在發射與接收電極中導入高電壓以產生電場，使電場刺激電子撞擊接收電極下的螢光粉，而產生發光效應。此種發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光，其中不同之處在CRT由單一的電子槍發射電子束，透過偏向軌（Deflation Yoke）來控制電子束發射掃瞄的方向，而FED顯示器擁有數十萬個主動冷發射子，因此在構造上FED可以達到比CRT節省空間的效果。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，不過在發展初期卻無法與CRT的成本相比，主要原因是場發射元件的問題。最早被提出的Spindt形式微尺寸陣列雖然是首度實現發射顯示的技術，但它的陣列特性卻限制顯示的尺寸，主要原因是它的結構是在每個陣列單元上包含一個圓孔，圓孔內含一個金屬錐，在制作過程中微影與蒸鍍技術均會限制尺寸的大小。

解決之道是采用取代Spindt場發射元件的技術.1991年NEC發表一篇有關奈米碳管的文章後，研究人員發現以奈米結構合成的石墨，或是奈米碳管作為場發射元件能夠得到更好的場發射效率，因此奈米碳管合成技術成為FED研發的新方向。

目前在奈米碳管場發射顯示器領域，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相關的專利申請，其中又以奈米碳管為主要的研發項目。

在大尺寸場發射顯示面板則首推日本伊勢電子，該公司曾使用化學氣相沈積法成功制作出14.5寸的彩色奈米碳管場發射顯示器，其亮度達10，000cd/m2.另外，韓國Samsung也發表單色、600cd/m2的15寸奈米碳管場發射顯示器，并計畫發展使用在電視機的32寸奈米碳管場發射顯示器，成功實現100伏特以下的低電壓驅動結果。

表面傳導電子發射顯示器（SED）工作原理

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

相比之下，SED不僅沒有掃描裝置，而且產生電子的方式也不同。SED屏幕上的每個像素內都有一個屬于自己的電子發射裝置（陰極），這個電子發射裝置其實就是一個寬度約為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生電子流（這與閃存芯片中存儲元的充放電原理相同，被稱作“F-N隧道效應”）。此時，如果給金屬背板（陽極）施加一個正電壓，與陰極之間形成一個電場，電子流便會在電場力的作用下逃離間隙，奔向陽極，轟擊熒光粉，發出熒光。

表面傳導電子發射顯示器（SED）技術優勢

特殊的制作工藝，加上性能穩定的材料，保證了常溫下SED面板的工作穩定性。

比液晶、等離子優勢更明顯

在顯示器、電視機市場上，這些年來CRT技術雖然十分成熟，但因體積和功耗方面的問題，市場表現已顯出疲態，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也并非完美的顯示技術，特別在顯示質量、功耗和價格方面都還遠沒有達到令人滿意的地步。SED的出現，其卓越的表現無疑讓人們產生了對這種新型顯示產品的期待。日本靜岡大學納米視覺研究中心先進納米機械實驗室主任中本正幸教授指出，SED將在未來自發光型顯示器以及納米技術時代，具有廣泛的產品應用空間。他認為，SED將是全彩高畫質電視產品的極佳選擇。與傳統的平板顯示技術相比，SED在性能和成本方面具有優勢。

從顯示質量上來說，SED采用與普通電視顯像管同樣的熒光粉，亮度可達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光，屬于自發光器件，不存在液晶顯示的可視角不夠和響應時間過長的問題。SED發光完全可控，不存在液晶顯示的背光泄漏或等離子顯示的預放電問題，黑亮度只有0.04cd/㎡，暗處對比度高達10000∶1，黑色表現力極強。

在功耗方面，SED的發光效率可達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的結構基本上是平面結構，不同于液晶和等離子的立體化結構，因此可以采用先進的印刷工藝進行批量制造，從而提高生產效率并降低成本。來自TRI（拓璞產研）的研究報告指出，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，考慮前期研發費用投入的因素，SED目前的成本還比較高，不過到了2010年就能夠與液晶和等離子持平。隨著生產規模的擴大，SED的成本優勢會愈發顯著。

FED和SED的相似性

1、外形

首先，它們都是平板超薄屏幕技術，都可以滿足針對大屏幕顯示器的HDTV規范。業界推出的一種對角尺寸為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，FEG和SED的目標市場都是大屏幕HDTV。

2.、顯示技術

其次，它們都是直接觀看或發射性顯示技術。每個像素或子像素自身都能產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生的。所用熒光層也與CRT相同或類似。

3、結構

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的機械結構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在內的所有FED技術都需要某種形式的吸氣技術，以便在顯示器抽真空和密封后保持玻璃封套內所需的真空狀態。

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。目前開發的所有FED技術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。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在內的其它FED技術。有些技術將密封和抽真空步驟合并在一起，而有些技術則會取消隔離器或減少隔離器數量。一些正在開發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面板陽極結構的細節：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。

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技術的獨特性。

SED和FED之間的區別

從電子源板和驅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采用的結構和工作原理。

1、標準FED發射器結構

采用納米碳管（CNT）發射器的一些典型結構圖4。微端（Microtip）發射器也有相似的結構。在這兩種情況下，電子束都是通過從發射器結構（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射器上產生高電場的結果。在某些時候，陽極電場致使電子發射，而陰極-柵極的壓差控制發射電流強度。

FED發射器的電子流受發射器上施加的電場（由陰極到柵極的偏置電壓產生）控制，并受Fowler-Nordheim等式的約束。發射器的電流是施加電壓的函數，并呈高度的非線性。圖5是一個CNT發射器的I-V特性例子。除了施加電場外，發射電流還取決于發射器的功函數（workfunction（））和發射器形狀。當功函數降低時，例如涂覆堿金屬，那么在較低的電場更容易獲取電子。當發射器的形狀變得較銳利時，也更容易或取電子，因為在發射器頂部的局部電場會更高。

考慮標準FED技術時有兩個要點。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發射器沉積的陰極處大部分是垂直的，從陰極發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，FED設計師的目標是禁止電子在離開發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制實現的。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光強度。由于發射器的發射電流具有高度非線性，發射器的制造又很難控制，因此對微端和CNT顯示器來說發射和圖像的一致性是需要克服的大問題。制造技術已經改善了基于CNT的FED的一致性。陰極的發射一致性通常是由與陰極串聯在一起的電流反饋電阻進行控制。

FED發射器的制造取決于FED開發團隊所采用的方法。摩托羅拉和LETI公司開發的工藝要求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）技術的大面積制造工藝作了優化。

2、SED結構

SED結構與其它FED技術相比其獨特性在于，針對每個像素對陽極提供的電子束流需要用兩步產生。

a．第1步

電子源橫向發出電子，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，只有數個納米數量級，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。表面傳導發射器（SCE）正是從這種橫向發射器結構而來。圖6是SED發射器的結構圖。

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（因此只產生熱量，不發光），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，從而產生紅、綠或藍光點。這種組合式電子發射加電子束散射過程如圖7所示，其中Va代表陽極電位，Vf是跨越間隙的驅動電位。許多散射事件可能發生在電子被陽極電場捕獲之前。因此被陽極捕獲的電子數量的效率（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射電流以及像素到像素的散射事件效率。

上述發射器是采用多種技術制造的。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內的？？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越來越大，材料將逐漸蒸發。當間隙為5nm時，碳元素的沉積和蒸發達到平衡。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。

與FED相似，SED也是逐行驅動的，如圖9所示。掃描電路產生掃描信號（Vscan），信號調制電路產生同步于掃描信號的脈寬調制信號（Vsig）。由于表面傳導發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結構的典型信號電壓為35“50V，掃描電壓為50”100V。SED開關器件的電壓低得多，但它們必須針對更高的穩態電流負載進行設計，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。