SED和FED顯示技術(shù)的比較分析

信息顯示器是電子系統非常關(guān)鍵的人機界面，幾十年來(lái)業(yè)界專(zhuān)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(jìn)一步追求完美電視顯示器的動(dòng)力來(lái)自于HDTV，它改變了人們傳統的娛樂(lè )體驗，通過(guò)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，以及交互應用的功能，HDTV提供的無(wú)以倫比的用戶(hù)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(diǎn)，許多研究人員已經(jīng)轉向將納米碳管(CNT)用作發(fā)射電極的場(chǎng)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(kāi)發(fā)出另外一種基于橫向場(chǎng)發(fā)射器的FED，稱(chēng)為表面傳導電子發(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(mǎn)足針對大屏幕顯示器的HDTV規范。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(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，FEG和SED的目標市場(chǎng)都是大屏幕HDTV。

2. 顯示技術(shù)

其次，它們都是直接觀(guān)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比度和效率，并且還有其它方面的性能改進(jìn)。對于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(xiàn)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(guò)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(lái)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(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所需的真空狀態(tài)。

　1：顯示了陰極板、肋狀隔離器和陽(yáng)極板的SED結構(頂部)。
　　FED結構(底部)也非常類(lèi)似，只有陰極板細節有所不同

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)以及側墻、隔離器和吸氣裝置。先單獨制造陽(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?；贑NT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(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)極結構的細節：黑色矩陣和彩色過(guò)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(yáng)極板的放大照片[4]。
　　雖然其它FED顯示器的尺寸可能會(huì )變化，但結構是非常相似的。

另外，SED和基于CNT的FED顯示器都使用印刷的方法制造陽(yáng)極和陰極板(后文將有詳細說(shuō)明)。因此以個(gè)人觀(guān)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。下面讓我們再看看SED和其它FED技術(shù)的獨特性。

SED和FED之間的區別

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

1. 標準FED發(fā)射器結構

采用納米碳管(CNT)發(fā)射器的一些典型結構。微端(Microtip)發(fā)射器也有相似的結構。在這兩種情況下，電子束都是通過(guò)從發(fā)射器結構(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致發(fā)射器上產(chǎn)生高電場(chǎng)的結果。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，并呈高度的非線(xiàn)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(workfunction())和發(fā)射器形狀。當功函數降低時(shí)，例如涂覆堿金屬，那么在較低的電場(chǎng)更容易獲取電子。當發(fā)射器的形狀變得較銳利時(shí)，也更容易或取電子，因為在發(fā)射器頂部的局部電場(chǎng)會(huì )更高。

　圖5：作為電場(chǎng)函數的發(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(chǎng)下發(fā)射

考慮標準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，但設計會(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，FED設計師的目標是禁止電子在離開(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，因此圖像的灰度等級是由脈沖寬度調制實(shí)現的。對所有無(wú)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(shí)，該行的像素就被列驅動(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)光強度。由于發(fā)射器的發(fā)射電流具有高度非線(xiàn)性，發(fā)射器的制造又很難控制，因此對微端和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)團隊所采用的方法。摩托羅拉和LETI公司開(kāi)發(fā)的工藝要求CNT直接生長(cháng)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(cháng)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結構

SED結構與其它FED技術(shù)相比其獨特性在于，針對每個(gè)像素對陽(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，只有數個(gè)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(gè)電極提取出來(lái)，并穿過(guò)真空隧道屏障到達另外一個(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(xiàn)性，并允許后文要討論到的矩陣可尋址方式。表面傳導發(fā)射器(SCE)正是從這種橫向發(fā)射器結構而來(lái)。圖6是SED發(fā)射器的結構圖。

　　圖6：SED的結構。每個(gè)子像素都有一個(gè)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(jìn)對面電極(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(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。

　　圖7：表面傳導發(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(jiǎn)單的矩陣連線(xiàn)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(xiàn)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(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(zhù)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(lèi)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(shí)，由于碳氫化合物分子在因放電形成的等離子區內的分裂而沉積成碳元素。隨著(zhù)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)。當間隙為5nm時(shí)，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)納米碳間隙結構的框圖?；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也是逐行驅動(dòng)的，如圖9所示。掃描電路產(chǎn)生掃描信號(Vscan)，信號調制電路產(chǎn)生同步于掃描信號的脈寬調制信號(Vsig)。由于表面傳導發(fā)射器具有高度非線(xiàn)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)有選擇地驅動(dòng)每個(gè)像素，并在信號電壓為18.9V、掃描電壓為9.5V時(shí)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" 50 V，掃描電壓為50" 100 V。SED開(kāi)關(guān)器件的電壓低得多，但它們必須針對更高的穩態(tài)電流負載進(jìn)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(xiàn)阻抗比FED低，因為即使線(xiàn)上一個(gè)很小的壓降也會(huì )導致邊到邊的非一致性。

　　圖9：SED矩陣尋址式驅動(dòng)方法框圖

本文小結

SED和其它FED技術(shù)有許多相似的部分，例如陽(yáng)極配置和陽(yáng)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)射器結構，雖然SED和其它基于FED的結構都可以用印刷技術(shù)進(jìn)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)射器結構都遵循Fowler-Nordheim特性，允許使用簡(jiǎn)單的x-y矩陣尋址實(shí)現高的對比度。SED已經(jīng)可以提供100000:1的對比度；如果使用相同的陽(yáng)極，FED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(guò)程有很大的不同。SED的驅動(dòng)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，但驅動(dòng)電流小得多。由于要求大的驅動(dòng)電流和低的驅動(dòng)電壓，SED的互連線(xiàn)需要更穩定可靠。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。