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光電/顯示技術  

SED和FED顯示技術的比較分析

上網時間: 2007年08月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:SED  FED  平面顯示器 

表面傳導電子發射顯示器(SED)和場發射顯示器(FED)有許多相似特性,特別是它們都能用來實現超薄的平面顯示器,而且這種平面顯示器在快速響應時間、高效率、亮度和對比度方面能與CRT相媲美。這兩種技術的市場均瞄準大螢幕的高解析度電視(HDTV)。兩者都是透過控制電子束陣列在表面塗覆螢光粉的陽極板上刻畫影像。兩種技術都需要分佈於整個顯示器上由多個隔離器支撐的真空玻璃封套,且本質上都是基於場發射概念,但發射器(emitter)結構上的主要差異導致了電子驅動器和顯示器工作方式有著顯著的不同。

資訊顯示器是電子系統非常關鍵的人機介面。數十年來,業界一直努力製造更大、更輕、更亮和更薄的顯示器,特別是用於電視收看。進一步追求完美電視顯示器的動力來自於HDTV,它改變了人們傳統的娛樂體驗,透過提供極高解析度的清晰視訊、高傳真環繞音效、全螢幕影像及互動功能,HDTV提供了無與倫比的用戶體驗,引起了全球消費者的興趣。

由於目前用於HDTV的顯示器技術的固有缺點,許多研究人員已經轉向將碳奈米管(CNT)作為發射電極的場發射顯示器(FED),並將此技術用於HDTV。另外,佳能和東芝公司已經開發出另一種基於橫向場發射器的FED,稱為表面傳導電子發射顯示器(SED)。

FED和SED的相似性

SED和FED技術有許多相同的地方:

1. 外形:它們都是平面超薄螢幕技術,都能滿足針對大螢幕顯示器的HDTV規格。目前一種對角尺寸為36英吋的SED平面顯示器具有(H)1,280 x 3 x (V)768畫素。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重量和厚度也大致相仿,FEG和SED的目標市場都是大螢幕HDTV。

2. 顯示技術:它們都是直接觀看或發射性顯示技術。每個畫素或子畫素自身都能產生可被用戶直接看見的光能,因此可提供很高的對比度和效率,並改良了其它性能。對於SED和其它FED技術來說,形成影像的光是由帶能量電子撞擊非常類似於陰極射線管(CRT)陽極螢幕的螢光螢幕陽極所產生。所用螢光層也與CRT相同或類似。

3. 結構:由於電子加速需要真空才能避免電暈或電漿放電,因此SED和其它FED的機械結構要由密封玻璃封套組成,透過抽取真空形成加速電子束所需的真空。根據顯示器尺寸和玻璃牆厚度,通常需要隔離器(spacer)來保護玻璃牆免受大氣壓力的破壞。隔離器還必須能承受高電壓梯度,而且在正常工作狀態對用戶是透明的。36英吋SED需使用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,以便在顯示器抽取真空和密封後保持玻璃封套內所需的真空狀態。

4. 製造:兩種技術的製造和組裝製程也非常相似,除了陰極板是個例外。目前開發的所有FED技術都必須裝配一個前板(陽極)和一個後板(陰極或電子源)以及側牆、隔離器和吸氣裝置。首先單獨製造陽極和陰極板,然後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,最後抽取真空。圖2為基於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取真空步驟合併在一起,而有些技術則會取消隔離器或減少隔離器數量。一些開發中的新材料可望取代玻璃粉密封,以降低密封溫度,並避免使用含鉛材料。

SED和FED的陽極製造製程非常相似。圖3為SED面板陽極結構的細節:黑色矩陣和彩色過濾器用於提高對比度,金屬背膜用於改善亮度和效率,也作為高壓電位的電極,並在電子束照明期間從螢光層釋放出電荷。

另外,SED和基於CNT的FED顯示器都使用印刷方法製造陽極和陰極板。因此,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螢光層、隔離器、吸氣器以及大部份裝配製程。

圖1:顯示了陰極板、肋狀隔離器和陽極板的SED結構(頂部)。
圖1:顯示了陰極板、肋狀隔離器和陽極板的SED結構(頂部)。
圖1:顯示了陰極板、肋狀隔離器和陽極板的SED結構(頂部)。

圖2:顯示器製造基本流程結構圖。
圖2:顯示器製造基本流程結構圖。

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,但結構是非常相似的。
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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,但結構是非常相似的。

SED和FED的區別

從電路板和驅動電路方面可清楚地看到SED和FED之間的顯著差異。在討論差異的顯著性之前,我們必須瞭解每種技術採用的結構和工作原理。

1. 標準FED發射器結構:採用碳奈米管(CNT)發射器的一些典型結構如圖4所示。微端(Microtip)發射器也有相似的結構。在這兩種情況下,電子束都是透過從發射器結構(CNT或微端)獲得電子形成的,這是陽極、閘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-閘極的壓差控制發射電流強度。

圖4:用於CNT發射器的配置。(a)金屬閘格懸浮在位於陰極線頂部的CNT電子發射器晶片上。(b)閘極結構完全被整合,並採用微影技術建構於陰極板上。(for print)
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圖4:用於CNT發射器的配置。(a)金屬閘格懸浮在位於陰極線頂部的CNT電子發射器晶片上。(b)閘極結構完全被整合,並採用微影技術建構於陰極板上。(for print)

FED發射器的電子流受發射器上施加的電場(由陰極到閘極的偏置電壓產生)控制,並受Fowler-Nordheim電子穿隧方程式的約束。發射器的電流是施加電壓的函數,並呈高度的非線性。圖5是一個CNT發射器的I-V特性例子。除了施加電場外,發射電流還取決於發射器的功函數(workfunction())和發射器形狀。當功函數降低時,如塗覆鹼金屬,那麼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,也更容易獲取電子,因為在發射器頂部的局部電場會更高。

圖5:作為電場函數的發射電流施加於CNT發射器,而且CNT發射器覆蓋了銫。銫可以降低功函數,允許在較低的擷取電場下發射。
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圖5:作為電場函數的發射電流施加於CNT發射器,而且CNT發射器覆蓋了銫。銫可以降低功函數,允許在較低的擷取電場下發射。

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。一般閘極緊靠陰極放置,這樣施加的電場在CNT發射器沈積的陰極處大部份是垂直的,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後撞擊除陽極外的其它任何表面。

其次,典型的FED是電壓驅動型元件。在被動矩陣FED顯示器中,很難在陰極和閘極(開和關電壓)之間施加超過兩個或三個電壓等級,因此影像的灰度等級是由脈衝寬度調變實現的。對所有被動矩陣平面顯示器而言,影像是一行行設立的。當某一行被啟動時,該行的畫素就被列驅動器打開;該行每個畫素保持打開的時間取決於該幅影像訊框畫素要求的發光強度。由於發射器的發射電流具有高度非線性,發射器的製造又很難控制,因此對微端和CNT顯示器來說發射和影像的一致性是需要克服的大問題。製造技術已經改善了基於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發射器的製造取決於FED開發團隊所採用的方法。摩托羅拉和LETI公司開發的製程要求CNT直接生長在陰極基底上,而ANI和三星等公司開發的製程允許CNT印刷。與直接CNT生長所要求的高溫CVD方法相較,印刷方法更適合大量製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)技術的大面積製程進行了最佳化。

2.SED結構:與其它FED技術相較,SED結構的獨特性在於針對每個畫素對陽極提供的電子束流需要用兩個步驟產生。

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,只有數個奈米數量級,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擷取出來,並穿過真空穿隧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,並允許後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。


圖6:SED的結構。每個子畫素都有一個用於提供電子流的獨特電極對。

b.第2步

穿越間隙並撞擊對面電極的電子可能會被吸收進對面電極(因此只產生熱量,不發光),或是被散射出來,再被陽極電位設立的電場所擷取,並加速撞擊某個精確螢光點,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。許多散射事件可能產生在電子被陽極電場擷取之前。因此被陽極擷取的電子數量效率(Ie/If,圖7)非常低,大約在3%,但功效比較理想,因為Vf較低,約20V。值得注意的是,到達陽極的電子流一致性取決於間隙處的電場發射電流以及畫素到畫素的散射事件效率。

圖7:表面傳導發射器發射機制。
圖7:表面傳導發射器發射機制。

上述發射器是採用多種技術製造的。簡單的矩陣連線透過印刷方法沈積而成,這種方法在交叉點處使用銀線和絕緣薄膜。鉑(Pt)電極採用薄膜微影製成,這些電極之間的間隙是60nm。碳奈米間隙採用兩步驟製程製作,最先是在Pt電極上和電極間用噴墨印刷方法沈積PdO薄膜(10nm厚)。這層薄膜由直徑約10nm的超細PdO顆粒組成。然後是第一步,在兩個Pt電極之間的這種PdO薄膜上施加一串電壓脈衝,透過減少氧化層在該薄膜上‘形成’一個間隙。由於基底處於真空環境,脈衝熱量會減少PdO。隨著PdO的減少,薄膜會受到一定的壓力,最終在PdO點的直徑範圍內形成次微米的間隙。

然後,將陰極暴露在有機氣體中‘啟動’間隙,並往間隙上施加更多的脈衝電壓。這些脈衝電壓將形成局部放電,並導致間隙中形成類似CVD的碳薄膜沈積,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,碳氫化合物分子在因放電形成的電漿區內分裂而沈積成碳元素。隨著間隙逐漸變小,脈衝產生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,碳元素的沈積和蒸發達到平衡。這種間隙的寬度受有機氣體壓力和脈衝電壓的控制。間隙的橫截面影像如圖8所示。

圖8:(頂部)採用成型和啟動製程製造的碳奈米間隙的SED橫截面圖。(底部)碳奈米間隙結構的結構圖。基底損耗是由於啟動製程局部產生的高溫引起的。
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圖8:(頂部)採用成型和啟動製程製造的碳奈米間隙的SED橫截面圖。(底部)碳奈米間隙結構的結構圖。基底損耗是由於啟動製程局部產生的高溫引起的。

與FED相似,SED也是逐行驅動的,如圖9所示。掃描電路產生掃描訊號(Vscan),訊號調變電路產生同步於掃描訊號的脈寬調變訊號(Vsig)。由於表面傳導發射器具有高度非線性的Ie-If特性,可以不用主動單元而使用簡單的矩陣x-y配置來有選擇地驅動每個畫素,並在訊號電壓為18.9V、掃描電壓為9.5V時仍能獲得100,000:1的亮度對比度。相較之下,基於CNT的FED結構的典型訊號電壓為35" 50V,掃描電壓為50" 100V。SED開關元件的電壓低得多,但它們必須針對更高的穩態電流負載進行設計,由於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矩陣尋址式驅動方法結構圖。

本文小結

SED和其它FED技術有許多相似的部份,例如陽極配置和陽極使用的螢光層、隔離器技術、吸氣器以及許多裝配製程。最大的差異在於發射器結構。不過,SED和其它基於FED的結構都可以用印刷技術進行製造,有助於降低大螢幕顯示器的製造成本。

兩種發射器結構都遵循Fowler-Nordheim特性,允許使用簡單的x-y矩陣尋址實現高對比度。SED已經可以提供100,000:1的對比度;如果使用相同的陽極,FED也能提供近似值。SED和基於CNT的FED(針對印刷CNT層)都要求啟動步驟,雖然啟動過程有很大的不同。SED的驅動電壓為20V或以下,但要求較大的電流能力。基於CNT的FED一般工作在50" 100V範圍內,但驅動電流小得多。由於要求大的驅動電流和低的驅動電壓,SED的互連線必須更穩定可靠。因此SED和基於CNT的FED已經被證明或有可能被證明是製造高品質、大螢幕HDTV顯示器的低成本方法。

作者:

R. L. Fink, Zvi Yaniv,

L. H. Thuesen

Igor Pavlovsky

Applied Nanotech公司




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