次世代FPD与LSI积体电路技术发展分析

新型显示技术SED揭密   2006-4-19
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关心大萤幕平板显示技术的读者朋友最近一段时间来可能会经常听说一种新的显示技术--SED，并且听到的都是叫好声。更有极端一些的看法认为SED的出现将判处PDP和LCD的死刑。SED究竟是怎样的一种技术，它真的有那麽神奇，可以独霸市场吗？

SED的构造及其优势
SED的全称是"Surface-conduction Electron-emitter Display"，译成中文就是"表面传导电子发射显示器"。图1是SED的结构示意图：
 
图1  SED显示器件原理图。右下部分是单个图元的结构示意图。

前玻璃基板上涂有红、绿、蓝三色萤光粉，并作为阳极相对後玻璃基板加有几千伏的高压。通过丝网印刷法在後玻璃基板上制作对应每个图元的金属电极，并用喷墨印刷的方法在金属电极间制作氧化钯薄膜电子发射阴极。上图右下角就是单个图元的示意图。生成了氧化钯膜的金属电极间距只有4-6个纳米，当金属电极间加上10几伏的电压後，极间将形成超高电场，氧化钯膜中的电子会被牵引出来，形成电子发射。由於金属电极是沿着同一块玻璃基板排列，所以刚发射出来的电子是在玻璃基板表面传导的，这是这种器件被命名为表面传导电子发射显示器的原因，这也是SED与其它的场致发射显示器（FED）的区别所在。

发射出来的电子传导到另一电极的表面时，会有一部分电子被弹性散射到两玻璃基板之间的空间中去，这时前玻璃基板上所加的阳极高压将对这些电子加速，并使之快速撞击到前玻璃基板所涂敷的萤光粉上以发出可见光。这样SED的发光原理用一句话来说明就是高速电子撞击萤光粉发光，这与普通电视显像管（CRT）的原理是一样的，只是电子发射阴极不同而已。我们知道CRT是目前电视用的所有显示器件中综合画质最出色的，SED自然也继承了CRT的优良品质，再加上东芝和佳能宣称其制造成本只有PDP和LCD的二分之一到三分之一，也就不难理解有些人会认为SED的出现宣判了PDP和LCD的死刑。

SED的优良特性主要表现在：
（1）由电子撞击萤光粉发光，属於自发光器件，不存在液晶显示的可视角不够和回应时间过长的问题；
（2）发光完全可控，不存在液晶显示的背光泄漏或等离子显示的预放电问题，黑色表现力大大提高；
（3）发光效率可达5lm/W，使其耗电量只有目前同规格的等离子和液晶显示器的一半；
（4）由於采用与普通电视显像管同样的高压萤光粉，可以达到优於PDP和LCD的色彩饱和度及锐利的图像；
（5）器件基本上是平面结构，可以完全采用印刷工艺生产，使生产成本可以做到大大低於PDP和LCD。

从FED的命运看SED可能碰到的问题
那麽SED真是完美的显示器件吗？可能影响其发展的因素有哪些？我们知道SED只是场致发射显示器（FED）的一种，图2是薄膜电子发射阴极型FED的示意图：

 图2  薄膜发射阴极型FED显示器件原理图

可以看到其与SED的唯一区别就是起牵引电子作用的栅极并不是与电子发射阴极平行排列在下玻璃基板上，而是制作在电子发射阴极和阳极（上玻璃基板）之间，因此仅仅是电极制作工艺的区别。

FED从上世纪90年代初做出实用化的样机，到90年代中期实现商业化，已经过去了十几年，至今我们也没有看到其对显示工业产生多大的影响。除了前期受到阴极和栅极的制造工艺的困扰之外，还有如下的问题需要解决：
（1）为了不影响电子的发射和运行，FED的内部为超高真空状态，其表面要承受超过每平方米10吨的压力，内部的支撑问题需要解决。这也决定了FED的尺寸不可能做的太大，由此我们也理解了为什麽CRT会如此笨重，且其极限尺寸只能达到45"；
（2）高速电子打到萤光粉後会把其内部吸附的气体解吸出来，造成真空度降低。因此FED的寿命与真空保持问题紧紧地联系在了一起；这些问题同样也是SED需要解决的。
   
虽然SED的制造成本要低於LCD和PDP，但是总成本里面还应该加入研发成本。从佳能1986年研究阴极发射开始算起，已经连续投入20年了，这应该是一笔不小的数字。按照佳能和东芝的计画，SED真正量产要到2007年，到那时候LCD和PDP厂家可能不但已经赚回了研发费用，连生产线的折旧费都已经回来了。所以SED在一开始时价格上可能并不占优势，这也是为什麽FED业界把自己的产品尺寸定在30"~40"之间，这是因为两年前这是LCD和PDP间的空档。现在的形势已经完全不同，这已经成了LCD的主攻战场。PDP还可以向50"、60"退守，而SED则必须与LCD在这里死拼。考虑到LCD的产品线长度，以及资本投入的密集度，到时候肯定有一场血淋淋的战斗。所以SED还远没有到欢呼的时候，其前路可以说是任重而道远。

次世代FPD与LSI积体电路技术发展趋势   2005-5-16
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为掌握市场先机，科技大厂已经开始针对次世代科技进行研发布局；本文计画深入探讨FPD、LSI积体电路、奈米科技、微型发电元件、无光罩半导体制程等几项次世代高科技的未来演进，以提供产业界参考。碍於篇幅，本期将先介绍次世代FPD与LSI积体电路技术发展趋势。
 
进入2005年不久，各大科技厂商纷纷针对次世代高科技的未来革新趋势进行预测与评估，具体内容包括平面显示器（Flat Panel Display；FPD）、LSI积体电路、奈米科技（nano）、可携式电子产品的电源，以及无光罩半导体制程等等。虽然这些科技看似非常识性，却可预期是未来十年各科技厂商主要获利来源，因此如何在既有基础上建立独自的核心技术，同时开拓新的应用领域，成为全球关注的焦点。
 
本文计画深入探讨FPD、LSI积体电路、奈米科技、微型发电元件、无光罩半导体制程等几项次世代高科技的未来演进，以提供产业界参考。碍於篇幅，本期将先介绍次世代FPD与LSI积体电路技术发展趋势。
 
次世代FPD技术
所谓的平面显示器包含电子纸在内，举凡液晶显示器、等离子显示器、有机/无机显示器都是其范畴，而融入生活空间、高临场感、取代纸张则是平面显示器的终极诉求。一般认为2010年以後可实现上述三大目标的次世代新技术将主导显示器产业，如（图一）。由於上述新技术大多仍处於基础研究阶段，距离实用化还有许多问题有待克服，基本上能率先突破技术障碍，基本上未来在市场上就有机会获得绝对优势。

 
▲图一：次世代平面显示器三大主轴
 
融入生活空间
有关第一项融入生活空间，以飞利浦（Philips）的"人工智慧"构想最具代表性，亦即平时空间内并无任何显示器形体，欲观赏影像时空间才会显示影像；该公司在2003年11月推出的"Mirror Display"就是该构想的雏形产品。该显示器具体结构是一旦停止观赏影像时，显示器就变成一片毫不起眼的镜子，通过此方式淡化显示器形体的刻板印象。芬兰FogScreen Inc的"Fog Screen"，与美国IO2 Technology的"Heliodisplay"则是在自然空间显示影像；如（图二）、（图三）。

 
▲图二：利用水粒子银幕显示影像

 
▲图三：利用空气膜层银幕显示影像
 
Fog Screen是用水粒子在自由空间制作透明的银幕，再将影像投射至该银幕。2003年8月推出的实验机型，可在自由空间制作宽2公尺、高1.5公尺的水粒子透明银幕，再利用投影机投射影像。如果水粒子单纯喷雾，气流会四处流窜造成影像严重晃动，因此必需控制喷雾器的气流，使水粒子能够呈平板状扩散。（图四）是日本湘南工科大学提出的水粒子银幕构想，该银幕可以显示动态全像（Hologram）影像。2003年8月美国IO2 Technology发表的"Heliodisplay"虽然未公布详细结构，不过将影像投射至极薄的空气层，基本动作原理则与Fog Screen的构想完全相同。

 
▲图四：利用水粒子银幕显示影像的动作原理
 
高临场感
有关第二项高临场感，是指将影像如同肉眼观察到的景物般的再生，它并不是单纯的深浅层次立体感的影像显示，而是从侧面观赏物体时也能看到物体侧面，而且视角与视域都非常宽广，眼睛也不会有疲倦感。实现以上目标的具体方法分别有"视网膜直接扫描方式"与"空间影像再生方式"两种。
 
其中美国Microvision直接将影像写入视网膜的视网膜扫描方式已在2002年商品化，具体动作原理是根据影像信号使低功率雷射点灭，接着利用微机电技术（Electro Mechanical Systems；MEMS）制成的微镜片将雷射反射至视网膜，由於微镜片以一定倾角高速在视网膜扫描雷射光，因此观赏者可以获得前所未有的高临场感，该显示器整体重量约510～765公克，如（图五），预定2004年推出轻量化次世代产品，同时还计画增加上下17度、左右23度的画角，并开发可随着眼睛移动改变扫描影像的新技术，试图以此建构高解析、高临场感影像扫描系统。
 
空间影像再生方式是则利用物体反射的照明光线直接再生，使物体有如矗立在眼前般的高临场感。光线再生方法则可分为"Integral Photographer"，与利用干涉纹记录、再生光线资讯的「Holography」等两种。"Integral Photographer方式"是利用复数小型相机从各角度拍摄影像，再将上述成影像的光线重合再生。日本NHK曾在99年利用Integral Photographer的影像与进行即时再生测试，影像再生时使用TFT液晶面板，因此只能获得解析度为160×117的立体影像，与50cm的视域直径，NHK计画未来将解析度提高5倍，视域直径为1m，届时目前的显示器与相机必需从4000×2000解析极限再提高10倍以上。
 
此外NHK同时在2001年利用Holography方式将雷射光，照射记录有干涉纹的液晶device，使Holography作电子化再生，彻底解决传统Holography无法显示动画的困扰，该试作机的视域为6.5cm非狭窄，因此两眼只能勉强观赏立体影像，液晶device有效画面尺寸为1.7寸，图元间距为10μm，解析为3840×2048，根据NHK表示图元间距若能微小到1μm，视域可以轻易扩大10倍以上。

 
▲图五：视网膜扫描显示器的外观
 
电子纸
有关第三项电子纸，最终目的是兼具易读性与任意改写等纸张特徵，同时还可以显示动画，虽然已经有厂商推出由胆固醇液晶方式与电气泳动方式构成的电子纸，不过这两种型式的电子纸反应时间都非常慢，只有100ms，因此未来必需设法提高改写时间与动画显示；相较之下利用着色粉体移动特性，显示画面的"粉体移动方式"，与利固体介面湿润性变化特性，显示画面的"Electro wetting方式"高速电子纸技术则备受嘱目。