場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡

場(chǎng)發(fā)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(dǎo)體制程技術(shù)研發(fā)出場(chǎng)發(fā)射電極元件，開啟運(yùn)用場(chǎng)發(fā)射電子做為顯示器技術(shù)，則是在1968年由C.A.Spindt提出，隨后吸引后續(xù)的研究者投入研發(fā)。

不過，場(chǎng)發(fā)射電極的應(yīng)用是到1991年法國LETI CHENG公司在第四屆國際真空微電子會(huì)議上展出一款運(yùn)用場(chǎng)發(fā)射電極技術(shù)制成的顯示器成品之后，場(chǎng)發(fā)射電極技術(shù)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(shù)的行列。

雖然FED被視為可取CRT的技術(shù)，不過在發(fā)展初期卻無法與CRT的成本相比，主要原因是場(chǎng)發(fā)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(shí)現(xiàn)發(fā)射顯示的技術(shù)，但它的陣列特性卻限制顯示的尺寸，主要原因是它的結(jié)構(gòu)是在每個(gè)陣列單元上包含一個(gè)圓孔，圓孔內(nèi)含一個(gè)金屬錐，在制作過程中微影與蒸鍍技術(shù)均會(huì)限制尺寸的大小。

解決之道是采用取代Spindt場(chǎng)發(fā)射元件的技術(shù)。1991年NEC發(fā)表一篇有關(guān)奈米碳管的文章后，研究人員發(fā)現(xiàn)以奈米結(jié)構(gòu)合成的石墨,或是奈米碳管作為場(chǎng)發(fā)射元件能夠得到更好的場(chǎng)發(fā)射效率，因此奈米碳管合成技術(shù)成為FED研發(fā)的新方向。

目前在奈米碳管場(chǎng)發(fā)射顯示器領(lǐng)域，以日本伊勢(shì)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(shù)相關(guān)的專利申請(qǐng)，其中又以奈米碳管為主要的研發(fā)項(xiàng)目。

在大尺寸場(chǎng)發(fā)射顯示面板則首推日本伊勢(shì)電子，該公司曾使用化學(xué)氣相沈積法成功制作出14.5寸的彩色奈米碳管場(chǎng)發(fā)射顯示器，其亮度達(dá)10,000cd/m2。另外，韓國Samsung也發(fā)表單色、600cd/m2的15寸奈米碳管場(chǎng)發(fā)射顯示器，并計(jì)畫發(fā)展使用在電視機(jī)的32寸奈米碳管場(chǎng)發(fā)射顯示器，成功實(shí)現(xiàn)100伏特以下的低電壓驅(qū)動(dòng)結(jié)果。

1.Canon 與Toshiba開發(fā)SED電視

在場(chǎng)發(fā)射顯示器技術(shù)上，Canon 與Toshiba則是開發(fā)表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器（Surface-conduction Electron-emitter Display.SED），SED的技術(shù)原理主要是利用表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射電子的理論。SED與CNT FED的不同點(diǎn)在于，SED具有較小的驅(qū)動(dòng)電壓、不用蒸焦電極，以及較高均勻亮度等優(yōu)點(diǎn)。不用聚焦電極可以有效降低制程成本，亮度均勻性則是厚膜式FED的問題，因?yàn)楹衲げ痪鶆虮硎久總€(gè)畫素在相同電壓下，流遇的電流是不相等的，則導(dǎo)致畫面上有亮度不均勻現(xiàn)象。

表1 SED與CNT FED技術(shù)差異

技術(shù) SED CNT FED

優(yōu)點(diǎn) 1發(fā)射源效能較均一，亮度較為均勻。

2驅(qū)動(dòng)電壓較小

3不需要聚焦電極。 1發(fā)射效率較高。

2結(jié)構(gòu)建軍構(gòu)較易。

缺點(diǎn) 1裂縫控制不易，造成良率提升困難。

2電子發(fā)射效率較差。 1發(fā)射源控制不易，亮度亦不均勻。

2驅(qū)動(dòng)電壓高。

3電子束易擴(kuò)大，需要聚焦電極。

表2 各種顯示技術(shù)性能比較

技術(shù) FED LCD PDP CRT

消費(fèi)電力 ◎ ○ △ △

重量 ◎ ◎ ◎ △

尺寸 - ○ ◎ ○

精細(xì)度 ◎ ◎ ○ ◎

操作環(huán)境 ◎ ○ ○ ◎

亮度 ◎ ○ ○ ◎

協(xié)調(diào) ◎ ○ ○ ◎

色純度 ◎ ◎ ○ ◎

反應(yīng)速度 ◎ △ ◎ ◎

視角 ◎ △ ◎ ◎

制程 - △ ○ ◎

材料成本 - △ ○ ◎

驅(qū)動(dòng)電路 ◎ ◎ △ ◎

在成本上，根據(jù)Canon與Toshiba表示，SED面板的驅(qū)動(dòng)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(dāng)，因此整體而言相較LCD與PDP，具有成本上的優(yōu)勢(shì)。而在量產(chǎn)初期固定成本較高，不過Canon與Toshiba則計(jì)畫在2010年以前削減此部分的成本，以與其他技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。

2.奈米碳管場(chǎng)發(fā)射在背光模組的發(fā)展

近年來由于大尺寸液晶電視的背光模組成本相對(duì)較高，阻礙整體成本下降的空間與速度，因此在北光源的開發(fā)除了原先的冷陰極燈管之外，發(fā)光二極體（LED）、平面光源技術(shù)、以及奈米碳管場(chǎng)發(fā)射技術(shù)等，都開始朝向應(yīng)用于大尺寸液晶面板來開發(fā)。

在奈米碳管場(chǎng)發(fā)射背光模組的發(fā)展上，目前韓國Samsung Corning、LG Electronics等都有投入開發(fā)，而臺(tái)灣工研院電子所也將原先開發(fā)出奈米碳管場(chǎng)發(fā)射背光模組樣品。而日本日機(jī)裝株式會(huì)社也于2005年1月展示奈米碳管場(chǎng)發(fā)射背光模組樣品。

日機(jī)裝與日本Displaytech21公司于2005年1月聯(lián)合開發(fā)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為3寸。技術(shù)原理為將涂布有奈米碳管做為陰極的玻璃基板，與涂布螢光材料后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擊到螢光材料上，就能發(fā)出白光。所使用的奈米碳管直徑為20NM，為一種在一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(fā)光時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度為0.74V/um,比之前一般在1~2V/um左右還低，由于能夠降低發(fā)光的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此就能降低施加在奈米碳管與正電極之間的電壓，達(dá)到降低耗電量的目的。在作為32寸TFT LCD背光源時(shí)，亮度為10.000cd/m2下發(fā)光時(shí)約為60W，與使用冷陰極燈管（CCFL）與發(fā)光二極體（LED）相比，耗電量更低。預(yù)計(jì)2006年度達(dá)到實(shí)用水平時(shí)，目標(biāo)是現(xiàn)實(shí)亮度30,000cd/m2、壽命50，000小時(shí)。在應(yīng)用上則是以手機(jī)和車載終端產(chǎn)品用的中小尺寸液晶面板，將來將計(jì)畫向大螢?zāi)灰壕щ娨暫驼彰髟O(shè)備等大型產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展。

場(chǎng)發(fā)射顯示器技術(shù)目前的發(fā)展雖然在主流的液晶顯示器、電漿顯示器，以及有機(jī)電鐳射顯示器發(fā)展的壓力下，似乎顯得不是那么地成熟，不過奈米技術(shù)在各國政府積極鼓勵(lì)發(fā)展這下，未來的發(fā)展預(yù)期將有更多的突破。而在技術(shù)上呈現(xiàn)多元發(fā)展的顯示器產(chǎn)業(yè)，如何在眾多技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中開拓出屬于自己的一片天空，場(chǎng)發(fā)射顯示器技術(shù)的未來仍需相關(guān)廠商持續(xù)努力。