發刊日期:2005-04-26
發刊期數:第51期  發刊頻率:不定期發送  發行量:11  發行者:劉大鵬
顯示之窗
新興平面顯示器技術—場發射顯示器(上)

一.前言

在各種平面顯示器技術的發展,在畫質、成本等皆以取代CRT為發展的目標,而場發射器則以CRT技術的延伸來發展,意圖以CRT的優點來搶佔此一市場,雖然在概念上雖有與CRT類似之處,但由於在結構、材料上與CRT技術完全不同,因此發展起來仍遭遇許多瓶頸。不過在使用奈米碳管技術應用在場發射顯示技術上逐漸有較大的突破與發展,再加上Canon與Toshiba利用表面傳導發射電子的理論發展的SED技術,於2004年10月合資成立新公司從事SED面板的開發、製造與銷售,預計於2005年8月開始量產,場發射顯示器技術的發展值得期待。
二.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,不過真正以半導體製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,場發射電極的應用到1991年法國LETI CENG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製成的顯示器成品之後,場發射電極技術才真正被注意,並吸引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,因此必須再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,其中不同之處在於CRT由單一的電子鎗發射電子束,透過偏向軛(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。其次在電壓部分,CRT大約需要15∼30千伏特左右的工作電壓,而FED的陰極電壓約小於1千伏特。

雖然FED被視為可以取代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場發射顯示的技術,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一個陣列單元上包含一個圓孔,圓孔內含一個金屬錐,在製作過程中微影與蒸鍍技術均會限制尺寸的大小。

解決之道是採用取代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磨,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製作出14.5吋的彩色奈米碳管場發射顯示器,其亮度達10,000 cd/m2。另外,韓國Samsung也發表單色、600 cd/m2的15吋奈米碳管場發射顯示器,並計畫發展使用在電視機的32吋奈米碳管場發射顯示器。而NEC也試製初30×30畫素的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。
(一)Canon與Toshiba開發SED電視

在場發射顯示器技術上,Canon與Toshiba則是開發SED(Surface-conduction Electron-emitter Display;表面傳導電子發射顯示器),SED的技術原理主要是利用表面傳導發射電子的理論。SED與CNT FED的不同,SED具有較小的驅動電壓、不用聚焦電極,以及較高均勻亮度等優點。不用聚焦電極可以有效降低製程成本,亮度均勻性則是厚膜式FED的問題,因為厚膜不均勻表示每個畫素在相同電壓下,流過的電流是不相等的,則導致畫面上亮度不均勻現象。
SED具有成本優勢

在成本上,根據Canon與Toshiba表示,SED面板的驅動電路材料成本與LCD面板相近,而面板本身的材料成本則與PDP相當,因此整體而言相較LCD與PDP,具有成本上的優勢。而在量產初期固定成本較高,不過Canon與Toshiba則計畫在2010年以前削減此部分的成本以與其他技術競爭。
(二)奈米碳管場發射在背光模組的發展

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,因此在背光源的開發除了原先的冷陰極燈管之外,發光二極體(LED)、平面光源技術、以及奈米碳管場發射技術等,都開始朝向應用於大尺寸液晶面板來開發。

在奈米碳管場發射背光模組的發展上,目前南韓Samsung Corning、LG Electronics等都有投入開發,而台灣工研院電子所也將原先開發出奈米碳管場發射背光模組樣品。而日本日機裝株式會社也於2005年1月展示奈米碳管場發射背光模組樣品。

日機裝與日本Displaytech21公司在2005年1月聯合開發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寸為3吋。技術原理為將塗佈有奈米碳管做為陰極的玻璃基板,與塗佈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到螢光材料上,就能發出白光。所使用的奈米碳管直徑為20nm,為一種在1根奈米碳管中裝有外徑更小的奈米碳管的多層奈米碳管。開始發光時的電場強度為0.74V/μm,比之前一般在1∼2V/μm左右還低,由於能夠降低發光的電場強度,因此就能降低施加在奈米碳管與正電極之間的電壓,達到降低耗電量的目的。在做為32吋TFT LCD背光源時,亮度為10,000 cd/m2下發光時約為60W,與使用冷陰極燈管(CCFL)與發光二級體(LED)相比,耗電量更低。預計2006年度達到實用水準時,目標是現實亮度30,000 cd/m2、壽命50,000小時。在應用上則是以手機和車載終端產品用的中小尺寸液晶面板,將來將計劃向大螢幕液晶電視和照明設備等大型產品領域發展。
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