场发射显示器

场发射显示器

FED英文全称是Field Emission Display，即场致发射显示器。依电子发射源而分，FED又可分为CNT（碳纳米管型）、SED（表面传导型）、Spindt（圆锥发射体型）、BSD（弹道电子放射型）等类型。目前最为看好的应用主要是CNT和SED两大技术体系。

引 言
过去FED在发展上遭遇颇多瓶颈,但是从奈米碳管技术应用逐渐浮上楼面,而CANON与TOSHIBA两家公司也合资以SED技术进行开发的种种迹象看来,FED的末来仍有其潜力. 

各种平面显示器技术在画质、成本等皆取代CRT为发展的目标,而场发射显示器(Field emission display,FED)则以CRT技术的延伸来发展,意图以CRT的优点来抢占此一市场,虽然在概念上虽有与CRT类似之处,但由於在结构,材料上与CRT技术完全不同,因此发展起来的仍遭遇许多瓶颈.不过在使用奈米碳管技术应用在场发射显示技术上逐渐有较大的突破与发展,再加上Canon与Thoshib利用表面传导发射电子的理论发SED技术，於2004年月10月合资成立新公司从事SED面板的开发、制造与销售，预计於2005年8月开始量产，让人期待FED技术的新转机。

FED技术原理与发展
场发射电极理论最早是在1928年由R.H.Eowler与L.W.Nordheim共同提出，不过真正以半导体制程技术研发出场发射电极元件，开启运用场发射电子做为显示器技术，则是在1968年由C.A.Spindt提出,随後吸引後续的研究者投入研发. 

不过,场发射电极的应用是到1991年法国LETI CHENG公司在第四届国际真空微电子会议上展出一款运用场发射电极技术制成的显示器成品之後,场发射电极技术才真正被注意,并吸引Candescent、Pixtech 、Micron、Ricoh、Motorola、Samsung、Philips等公司投入，也使得FED加入众多平面显示器技术的行列。 

在场发射显示器的应用，发射与接收电极中间为一段真空带，因此必须在发射与接收电极中导入高电压以产生电场，使电场刺激电子撞击接收电极下的萤光粉，而产生发光效应。此种发光原理与阴极射线管（CRT）类似，都是在真空中让电子撞击萤光粉发光，其中不同之处在CRT由单一的电子枪发射电子束，透过偏向轨（Deflation Yoke）来控制电子束发射扫瞄的方向，而FED显示器拥有数十万个主动冷发射子，因此在构造上FED可以达到比CRT节省空间的效果。其次在於电压部分，CRT大约需要15~30KV左右的工作电压，而FED的阴极电压约小於1KV。 

虽然FED被视为可取CRT的技术，不过在发展初期却无法与CRT的成本相比，主要原因是场发射元件的问题。最早被提出的Spindt形式微尺寸阵列虽然是首度实现发射显示的技术，但它的阵列特性却限制显示的尺寸，主要原因是它的结构是在每个阵列单元上包含一个圆孔，圆孔内含一个金属锥，在制作过程中微影与蒸镀技术均会限制尺寸的大小。 

解决之道是采用取代Spindt场发射元件的技术.1991年NEC发表一篇有关奈米碳管的文章後,研究人员发现以奈米结构合成的石墨,或是奈米碳管作为场发射元件能够得到更好的场发射效率,因此奈米碳管合成技术成为FED研发的新方向. 

目前在奈米碳管场发射显示器领域,以日本伊势电子与韩国Samsung投入较早,而SONY、日立、富士写真、Canon、松下、Toshiba、Nikon与NEC等厂商也以提出与奈米技术相关的专利申请，其中又以奈米碳管为主要的研发项目.

在大尺寸场发射显示面板则首推日本伊势电子，该公司曾使用化学气相沈积法成功制作出14.5寸的彩色奈米碳管场发射显示器，其亮度达10,000cd/m2.另外，韩国Samsung也发表单色、600cd/m2的15寸奈米碳管场发射显示器，并计画发展使用在电视机的32寸奈米碳管场发射显示器，成功实现100伏特以下的低电压驱动结果。 

1.Canon 与Toshiba开发SED电视 
在场发射显示器技术上，Canon 与Toshiba则是开发表面传导电子发射显示器（Surface-conduction Electron-emitter Display.SED）,SED的技术原理主要是利用表面传导发射电子的理论。SED与CNT FED的不同点在於，SED具有较小的驱动电压、不用蒸焦电极，以及较高均匀亮度等优点。不用聚焦电极可以有效降低制程成本,亮度均匀性则是厚膜式FED的问题,因为厚膜不均匀表示每个画素在相同电压下,流遇的电流是不相等的,则导致画面上有亮度不均匀现象. 

表1 SED与CNT FED技术差异
技术 SED CNT FED
优
点 1发射源效能较均一，亮度较为均匀。
2驱动电压较小
3不需要聚焦电极。 1发射效率较高。
2结构建军构较易。
缺
点 1裂缝控制不易，造成良率提升困难。
2电子发射效率较差。 1发射源控制不易，亮度亦不均匀。
2驱动电压高。
3电子束易扩大，需要聚焦电极。

表2 各种显示技术性能比较
技术 FED LCD PDP CRT
消费电力 ◎ ○ △ △
重量 ◎ ◎ ◎ △
尺寸 - ○ ◎ ○
精细度 ◎ ◎ ○ ◎
操作环境 ◎ ○ ○ ◎
亮度 ◎ ○ ○ ◎
协调 ◎ ○ ○ ◎
色纯度 ◎ ◎ ○ ◎
反应速度 ◎ △ ◎ ◎
视角 ◎ △ ◎ ◎
制程 - △ ○ ◎
材料成本 - △ ○ ◎
驱动电路 ◎ ◎ △ ◎

在成本上,根据Canon与Toshiba表示,SED面板的驱动电路材料成本与LCD面板相近，而面板本身的材料成本则与PDP相当，因此整体而言相较LCD与PDP，具有成本上的优势。而在量产初期固定成本较高，不过Canon与Toshiba则计画在2010年以前削减此部分的成本，以与其他技术竞争。 

2.奈米碳管场发射在背光模组的发展
近年来由於大尺寸液晶电视的背光模组成本相对较高，阻碍整体成本下降的空间与速度，因此在北光源的开发除了原先的冷阴极灯管之外，发光二极体（LED）、平面光源技术、以及奈米碳管场发射技术等，都开始朝向应用於大尺寸液晶面板来开发。 

在奈米碳管场发射背光模组的发展上，目前韩国Samsung Corning、LG Electronics等都有投入开发，而***工研院电子所也将原先开发出奈米碳管场发射背光模组样品。而日本日机装株式会社也於2005年1月展示奈米碳管场发射背光模组样品。 

日机装与日本Displaytech21公司於2005年1月联合开发出使用奈米碳管的液晶面板背光模组。此次展出的样品画面尺为3寸。技术原理为将涂布有奈米碳管做为阴极的玻璃基板，与涂布萤光材料後形成阳极的玻璃基板，隔开一定的空间重叠起来，将奈米碳管用作电子放射源，将放射出的电子照射击到萤光材料上，就能发出白光。所使用的奈米碳管直径为20NM，为一种在一根奈米碳管中装有外径更小的奈米碳管的多层奈米碳管。开始发光时的电场强度为0.74V/um,比之前一般在1~2V/um左右还低，由於能够降低发光的电场强度，因此就能降低施加在奈米碳管与正电极之间的电压，达到降低耗电量的目的。在做为32寸TFT LCD背光源时，亮度为10.000cd/m2下发光时约为60W，与使用冷阴极灯管（CCFL）与发光二极体（LED）相比，耗电量更低。预计2006年度达到实用水平时，目标是现实亮度30,000cd/m2、寿命50，000小时。在应用上则是以手机和车载终端产品用的中小尺寸液晶面板，将来将计画向大萤幕液晶电视和照明设备等大型产品领域发展。 

厂商动态 
在场发射显示器的开发上，以日本伊势电子与韩国Samsung投入较早，不过在奈米技术逐渐为厂商重视，投入的厂商也逐渐增多，Sony、日立、富士写真、Canon、松下、Toshiba、Nikon与NEC等厂商也以提出与奈米技术相关的专利申请，其中又以奈米碳管为主要的研发项目。 

1、伊势电子 
日本伊势电子早在1998年在SID会议展示一款采用奈米碳管材料的场发射显示器，发射电流约为200MA。伊势电子使用化学气相沈积法成功於2001年底制作出14.5寸的彩色奈米碳管场发射显示器，其亮度达10，000cd/m2,并於2002年3月举办的东京国际论坛中展出使用奈米碳管的的40寸宽萤幕场发射显示器，使得伊势电子成为奈米碳管场发射显示器在开支化脚步最快的厂商。 

2、Canon/Toshiba 
Canon与Toshiba则是利用表面传导发射电子的理论，开发SED.Canon与Toshiba在1999年6月签订契约，共同开发次世代大画面显示技术一{表面传导电子发射击队显示器（Surface-conduction Electron-emitter Display）},主要应用於40寸大尺寸显示器。Canon主要负责电子发射和微型制造两项技术，Toshiba则以CRT与LCD等显示器技术加以延伸发展，并规划大量生产需要的制程技术。 
Toshiba在CEATECJAPAN2004展示SED试制品，其黑色亮度为0.004cd/m2(Toshiba测量液晶电视为.7cd/m2),白色亮度为260cd/m2(PDP为0.7cd/m2)(PDP为60cd/m2)，强调SED在对比度的超高性能。 
Canon与Toshiba於2004年9月宣布合资理产SED显示器,新公司SED株式会社,从事SED技术研发,生产与销售,於2004年10月开始营运,预计投资183亿美元兴建SED生产线,2007年再投入164亿美元进行大量生产,产品主要应用於32寸以上大尺寸电视,预计2005年8月可望开始小规模量产50寸SED面板,月产量约3,000片,预计2007年将产能扩增至月产75,000片,2008年将产能提升到每年180万片(月产能约15万片),2010年在提升至每年300万片,(月产25万片)的生产规模. 
在销售目标上,2007年达到每年300亿日元,2010年达到每年2,000亿日元. 

3、双叶电子 
日本双叶电子曾於2002年10月成功开发出寸彩色FED面板,并在同一年CEATEC JAPAN 2002展出8项试制品,其显示色彩数为1,670万色,亮度为400cd/m2,耗电量为4W,面板厚度仅为2.8mm.在FED的驱动电路模组,则是与村田制作所合作开发.不过此次展出的FED面板还处於研究开发皆段,尚未决定投产日期. 
在2003年2月的NanoTech 2003双叶电子又展示奈米碳管场发射显示器,解析度16x16画素,每个画素尺寸为4mm x 3 mm,画素间隙为2mm,亮度可达1.000cd/m2,阴极电压为200伏特,耗电量为7W. 
2004年7月展示4寸至11寸各类型号全彩FED产品,其中4寸(解析度为240X64画素)与4.3寸(解析度240X128画素)产品,特点是亮度高达1.000cd/m2,其他产品规格,5.9QVGA,亮度为800cd/m2,8.0寸WQVGA(解析度480X234画素),亮度为500cd/m2,11.3寸VGA,亮度为350cd/m2. 
双叶电子於2004年11月发表FED生产计画,预计生产11寸左右的车用面板,计画投其所好资85亿日元在生产设备,2006年生产线开始架设,2007年开始量产,预计营收为60亿日元. 

4、Sumsung 
Sumsung SDI自1990年中期开始与Sumsung综合技术院共同开发FED,1997年7月在德国举行的第12届国际真空微电子会议,发表一款4.5寸,厚度仅2.2mm,工作电压800伏特,亮度为350cd/m2,并於2000年开始发出18寸FED样品.2001年也发表一款单色15寸奈米碳管场发射显示器,亮度为600cd/m2. 

表3 Canon与Toshiba合资SED公司
公司名称 SED株式会社
设立日期 2004年10月
事业内容 SED面板的开发、生产、销售
公司地点 神奈川县平塚市田村9-22-5
公司代表 代表取缔役社长：鹈泽俊一（现Canon取缔役SED开发本部长）
资本额 10亿5万日元
股东结构 Canon占50.002%，Toshiba占49.998%
员工人数 约300名（2005年1月）

Sumsung综合技术院(Sumsung Advanced Institute of Technology)在2004年的FPD International 2004也强调奈米碳管作为电子源的奈米碳管场发射显示器的优势,准备於2~3年後大量生产. 

5、LG Electronics 
LG电子於2001年与LG综合技术院Display研究所进行5~6寸FED的开发.2002年成功开发20寸场发射显示器,并有将FED商品化的计画. 

6、工研院电子所 
工研院电子所於2001年8月宣布研发全台第一片4寸车用奈米碳管厂发射显示器(CNT-FED),利於奈米碳管的低导通电场、高发射电流密度，以及高稳定性，同时结合FED技术来实现阴极射线管平面化的可能性，保留CRT影响品质，并具有省电与体积小的优点，成为兼具低驱动电压、高发光效率的大尺寸平面显示器。 
奈米碳管场发射技术除应用在显示器上外,工研院电子所在2004年12月也宣布开发完成20寸奈米碳管场发射背光板(20-inch Carbon Nanotube Field Emission Back Light Unit,CNT-BLU),主要应用於大尺寸TFT LCD的背光源.大尺寸TFT LCD背光模组目前仍以冷阴极灯管(CCFL)作为背光源,然而大尺寸(30寸以上)TFT LCD所采用的CCFL长度需要更长,生产上较先前应用在笔记型电脑与监视器用的灯管更为困难,且在画面均匀性、含汞，以及光学膜成本昂贵等问题，都使得大尺寸TFT LCD背光模组的成本大幅提高，虽然许多厂商已经朝向LED背光模组来发展，不过奈米碳管场发射技术应用於背光模组的发展，具有光源强度均匀、发光效率高、制程简单等优点，将使得奈米碳管场发射技术多了一个应用方向。 

7、东元奈米应材  
东元集团於2002年与工程院电子所、材料所与化工所签订奈米碳管有关材料、至成及产品的合作案，东元将借重工研院在奈米科技的基础研究，加上东元的商品化开发，发展应用於电视用的奈米碳管显示器。 
东元集团旗下的东元奈米应材於2002年获得经济部科专计画3000万元补助，加上东元集团物投资，发展奈米碳管显示器及其相关材料。除了借重工研院之外，并与台大、清大、交大、中央、中原等大学进行个别研究专案。 

8、其他 
其他厂商方面，日本三菱电机研发出奈米碳管场发射显示器，预计於2006年商品化。Motorola的研发部门Motorola Labs於2003年7月宣布已完成奈米碳管场发射显示器技术，并展示一款15寸样品，不过Motorola并打算自行设厂生产FED，而计画将技术专利开放提供给有意发展的厂商。 

美国CANDESCENT Technologyd 加州San Jose建造面积达34万平方英尺工厂，但因技术与市场需求的缘故，宣布放弃场发射击队显示器的生产计画，准备将技术授权给其他公司，将从制造商转型成以智财权为主的公司。 

家电大厂选择独特技术以强化竞争力 
在大尺寸薄型电视技术上，液晶电视、电浆电视、背投影电视，以及新兴的SED电视，主要家电厂商逐渐认为拥有属於自己独特技术才能在激烈的竞争中在成本、画质与产能上提供足够的支援，因此在最近日本显示器厂商的发展出现{选择与集中}的风潮，如Sharp在六代厂量产之後宣布七代厂的兴建，Samsung与LG.Philips LCD也宣布兴建七代厂的计画,而Hitachi则将电浆显示器制造公司FHP从Fujitsu集团下转到自己集团之内,并且与松下展开在电浆显示器在研发、制程、零元件采购上的合作，SONY虽否认退出电浆电视的经营，不过也强调液晶电视与背投电视是主要发展的技术，因此，从这波{选择与集中}的风潮下，厂商拥有自身独特的技术才能建立厂商发展的优势。 

表4 家电大厂在平面显示器电视的布局
Company 直视型薄型电视 背投影电视（Microdisplay-based RPTV）
 LCD TV PDP TV SED TV 穿透式LCD DLP LCOS
Hitachi ○ ◎       
JVC ○ ○       ◎
Mitsubishi ○ ○     ◎ 
Panasonic ○ ◎   ○ ○ 
Sanyo ○ ◎   ○   
Sharp ◎       ○ 
Sony ◎ ○   ○   
Toshiba ○ ○ ◎ ○   
Samsung ◎ ○   ○ ◎ 
LG ◎ ◎   ○ ○ 
Philips ◎ ○       ◎(2004年宣布放弃)
注：◎：主力发展产品；○：已发展产品

在2005年1月的[2005 International CES]开幕的前一天举行的记者招待会上，Toshiba数位媒体网路公司社长藤井美英即谈到[将SED和HD DVD作为今後的战略商品]的战略。Toshiba认为SED具有CRT的高对比、广视角、反应速度快等优点，并且较液晶电视更轻薄、耗电量更低，因此积极发展独有的SED显示技术，应用于大尺寸薄型电视。 

结 论 
场发射显示器技术目前的发展虽然在主流的液晶显示器、电浆显示器，以及有机电镭射显示器发展的压力下，似乎显得不是那麽地成熟，不过奈米技术在各国政府积极鼓励发展这下，未来的发展预期将有更多的突破。而在技术上呈现多元发展的显示器产业，如何在众多技术的竞争中开拓出属於自己的一片天空，场发射显示器技术的未来仍需相关厂商持续努力。