表面传导电子发射显示器(SED)和场发射显示器(FED)的技术对比分析

　　场发射显示器概述

　　场发射显示器（Field emission display，FED）发光原理为：在发射与接收电极中间的真空带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。其次在于电压部分，CRT大约需要15~30KV左右的工作电压，而FED的阴极电压约小于1KV。

　　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。

　　表面传导电子发射显示器（SED）工作原理

　　同样是利用带电粒子轰击荧光粉，但SED产生电子的原理与CRT显示器有很大的不同。CRT的电子枪通过加热金属阴极，使它具有表面活性，生成活泼电子，然后利用阳极把电子从阴极上拉出来，并利用偏转线圈让电子束在荧光屏的水平和垂直两个方向上同时进行扫描，生成一幅完整的画面。

　　相比之下，SED不仅没有扫描装置，而且产生电子的方式也不同。SED屏幕上的每个像素内都有一个属于自己的电子发射装置（阴极），这个电子发射装置其实就是一个宽度约为5nm（纳米）的碳纳米间隙。由于间隙宽度极小，只要在间隙两端施加10伏特左右的电压便能产生电子流（这与闪存芯片中存储元的充放电原理相同，被称作“F-N隧道效应”）。此时，如果给金属背板（阳极）施加一个正电压，与阴极之间形成一个电场，电子流便会在电场力的作用下逃离间隙，奔向阳极，轰击荧光粉，发出荧光。

　　表面传导电子发射显示器（SED）技术优势

　　特殊的制作工艺，加上性能稳定的材料，保证了常温下SED面板的工作稳定性。

　　比液晶、等离子优势更明显

　　在显示器、电视机市场上，这些年来CRT技术虽然十分成熟，但因体积和功耗方面的问题，市场表现已显出疲态，取而代之的是液晶和等离子这两种平板显示器。但是，这两种平板显示技术也并非完美的显示技术，特别在显示质量、功耗和价格方面都还远没有达到令人满意的地步。SED的出现，其卓越的表现无疑让人们产生了对这种新型显示产品的期待。日本静冈大学纳米视觉研究中心先进纳米机械实验室主任中本正幸教授指出，SED将在未来自发光型显示器以及纳米技术时代，具有广泛的产品应用空间。他认为，SED将是全彩高画质电视产品的极佳选择。与传统的平板显示技术相比，SED在性能和成本方面具有优势。

　　从显示质量上来说，SED采用与普通电视显像管同样的荧光粉，亮度可达400cd/m2，在色彩饱和度及锐利度方面，都是液晶和等离子电视所难以匹敌的。而且SED由电子轰击荧光粉发光，属于自发光器件，不存在液晶显示的可视角不够和响应时间过长的问题。SED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，黑亮度只有0.04cd/㎡，暗处对比度高达10000∶1，黑色表现力极强。

　　在功耗方面，SED的发光效率可达5lm/W，耗电量只有同尺寸等离子或液晶显示器的一半左右。

　　在成本方面，SED的结构基本上是平面结构，不同于液晶和等离子的立体化结构，因此可以采用先进的印刷工艺进行批量制造，从而提高生产效率并降低成本。来自TRI（拓璞产研）的研究报告指出，40英寸的SED面板成本可以控制在600美元，而同尺寸液晶和等离子面板的成本则在700美元左右（2008年）。不过，考虑前期研发费用投入的因素，SED目前的成本还比较高，不过到了2010年就能够与液晶和等离子持平。随着生产规模的扩大，SED的成本优势会愈发显著。

　　FED和SED的相似性

　　1、外形

　　首先，它们都是平板超薄屏幕技术，都可以满足针对大屏幕显示器的HDTV规范。业界推出的一种对角尺寸为36英寸的SED平面显示器具有（H）1280X3X（V）768像素。这种显示器只有7.3mm厚，由2.8mm厚的阴极板、2.8mm厚的阳极板和1.7mm厚的真空隔离层组成。这种平面显示器重量为7.8kg。相似尺寸的FED的重量和厚度也大致相仿，FEG和SED的目标市场都是大屏幕HDTV。

　　2.、显示技术

　　其次，它们都是直接观看或发射性显示技术。每个像素或子像素自身都能产生可被用户直接看见的光能，因此可以提供很高的对比度和效率，并且还有其它方面的性能改进。对于SED和其它FED技术来说，形成图像的光是由带能量电子撞击非常类似于阴极射线管（CRT）阳极屏幕的荧光屏阳极产生的。所用荧光层也与CRT相同或类似。

　　3、结构

　　第三，因为电子加速需要真空才能避免电晕或等离子放电，因此SED和其它FED的机械结构要由密封玻璃封套组成，通过抽真空形成加速电子束所需的真空。根据显示器尺寸和玻璃墙厚度，通常需要隔离器（spacer）来保护玻璃墙免受大气压力的破坏。隔离器还必须能够承受高电压梯度，并且在正常工作状态对用户是透明的。36英寸SED需要用20个肋状隔离器以保持1.7mm厚的真空间隙。SED显示器的原理图如图1所示。包括SED在内的所有FED技术都需要某种形式的吸气技术，以便在显示器抽真空和密封后保持玻璃封套内所需的真空状态。

　　4.、制造

　　最后一点是制造和组装工艺也非常相似，除了阴极板是个例外，后面还会讨论到。目前开发的所有FED技术都需要装配一个前板（阳极）和一个后板（阴极或电子源）以及侧墙、隔离器和吸气装置。先单独制造阳极和阴极板，然后与其它组件装配在一起，再用玻璃粉或其它新型材料加以密封，最后抽真空。图2给出了基于CNT的FED装配流程，该流程也同样适合包括SED在内的其它FED技术。有些技术将密封和抽真空步骤合并在一起，而有些技术则会取消隔离器或减少隔离器数量。一些正在开发中的新材料有望取代玻璃粉密封，以降低密封温度，并避免使用高含铅的材料。

　　SED和FED的阳极制造工艺非常相似。图3给出了SED面板阳极结构的细节：黑色矩阵和彩色过滤器用于提高对比度，金属背膜用于改善亮度和效率，也用作高压电位的电极，并在电子束照明期间从荧光层释放出电荷。

　　另外，SED和基于CNT的FED显示器都使用印刷的方法制造阳极和阴极板（后文将有详细说明）。因此以个人观点看，SED和其它FED技术有许多相同的组件，例如阳极以及阳极上使用的荧光层、隔离器、吸气器以及大部分装配工艺。下面让我们再看看SED和其它FED技术的独特性。

　　SED和FED之间的区别

　　从电子源板和驱动电路方面可以清楚地看到SED和FED之间的显著差异。在讨论差异的显著性之前，我们必须首先理解每种技术采用的结构和工作原理。

　　1、标准FED发射器结构

　　采用纳米碳管（CNT）发射器的一些典型结构图4。微端（Microtip）发射器也有相似的结构。在这两种情况下，电子束都是通过从发射器结构（CNT或微端）获得电子形成的，这是阳极、栅极和阴极之间的电压差导致发射器上产生高电场的结果。在某些时候，阳极电场致使电子发射，而阴极-栅极的压差控制发射电流强度。

　　FED发射器的电子流受发射器上施加的电场（由阴极到栅极的偏置电压产生）控制，并受Fowler-Nordheim等式的约束。发射器的电流是施加电压的函数，并呈高度的非线性。图5是一个CNT发射器的I-V特性例子。除了施加电场外，发射电流还取决于发射器的功函数（workfunction（））和发射器形状。当功函数降低时，例如涂覆碱金属，那么在较低的电场更容易获取电子。当发射器的形状变得较锐利时，也更容易或取电子，因为在发射器顶部的局部电场会更高。

　　考虑标准FED技术时有两个要点。首先，配置在很大程度上是垂直的。一般栅极紧靠阴极放置，这样施加的电场在CNT发射器沉积的阴极处大部分是垂直的，从阴极发射出来的电子将直接到达阳极。一些电子束的加宽是施加电场的横向分量引起的，但设计会尽可能地限制这些分量，或者需要时在路径中放置另外的聚焦电极加以纠正。通常情况下，FED设计师的目标是禁止电子在离开发射器后撞击除阳极外的其它任何表面。

　　其次，典型的FED是电压驱动型器件。在无源矩阵FED显示器中，很难在阴极和栅极（开和关电压）之间施加超过两个或三个电压等级，因此图像的灰度等级是由脉冲宽度调制实现的。对所有无源矩阵平面显示器而言，图像是一行行建立的。当某一行被激活时，该行的像素就被列驱动器打开；该行每个像素保持打开的时间取决于该幅图像帧的像素要求的发光强度。由于发射器的发射电流具有高度非线性，发射器的制造又很难控制，因此对微端和CNT显示器来说发射和图像的一致性是需要克服的大问题。制造技术已经改善了基于CNT的FED的一致性。阴极的发射一致性通常是由与阴极串联在一起的电流反馈电阻进行控制。

　　FED发射器的制造取决于FED开发团队所采用的方法。摩托罗拉和LETI公司开发的工艺要求CNT直接生长在阴极基底上，而ANI和三星等公司开发的工艺允许CNT印刷。与直接CNT生长所要求的高温CVD方法相比，印刷方法更适合大批量制造具有一致发射性能的大面积阴极。印刷方法要求一个活化步骤，但即使这个步骤也针对使用珠光处理（bead-blasting）技术的大面积制造工艺作了优化。

　　2、SED结构

　　SED结构与其它FED技术相比其独特性在于，针对每个像素对阳极提供的电子束流需要用两步产生。

　　a．第1步

　　电子源横向发出电子，穿越两个电极之间形成的非常窄的间隙。电极之间的这个间隙虽然小，只有数个纳米数量级，但仍是真空间隙，需要施加一定的电位才能将电子从一个电极提取出来，并穿过真空隧道屏障到达另外一个电极。穿越电极空隙的电子流遵循Fowler-Nordheim定律，因此具有高度非线性，并允许后文要讨论到的矩阵可寻址方式。表面传导发射器（SCE）正是从这种横向发射器结构而来。图6是SED发射器的结构图。

　　b.第2步

　　穿越间隙并撞击对面电极的电子要么被吸收进对面电极（因此只产生热量，不发光），要么被散射出来，再被阳极电位建立的电场所捕获，并加速撞击某个精确荧光点，从而产生红、绿或蓝光点。这种组合式电子发射加电子束散射过程如图7所示，其中Va代表阳极电位，Vf是跨越间隙的驱动电位。许多散射事件可能发生在电子被阳极电场捕获之前。因此被阳极捕获的电子数量的效率（Ie/If，图7）非常低，大约在3%，但功效比较理想，因为Vf比较低，约在20V。值得注意的是，到达阳极的电子流一致性取决于间隙处的电场发射电流以及像素到像素的散射事件效率。

　　上述发射器是采用多种技术制造的。简单的矩阵连线通过印刷方法沉积而成，这种方法在交叉点处使用银线和绝缘薄膜。铂（Pt）电极采用薄膜光刻制成，这些电极之间的间隙是60nm。纳米碳间隙采用两步工艺创建，最先是在Pt电极上和电极间用喷墨印刷方法沉积PdO薄膜（10nm厚）。这层薄膜由直径约10nm的超细PdO颗粒组成。然后是第一步，在两个Pt电极之间的这种PdO薄膜上施加一串电压脉冲，通过减少氧化层在该薄膜上“形成”一个间隙。由于基底处于真空环境，脉冲热量会减少PdO。随着PdO的减少，薄膜会受到一定的压力，最终在PdO点的直径范围内形成亚微米的间隙。

　　然后，将阴极暴露在有机气体中“激活”间隙，并往间隙上施加更多的脉冲电压。这些脉冲电压将形成局部放电，并导致间隙中形成类似CVD的碳薄膜沉积，最终间隙将缩小至自我限制的5nm数量级距离。当间隙较大时，由于碳氢化合物分子在因放电形成的等离子区内的？？而沉积成碳元素。随着间隙逐渐变小，脉冲生成的局部放电电流会越来越大，材料将逐渐蒸发。当间隙为5nm时，碳元素的沉积和蒸发达到平衡。这种间隙的宽度受有机气体压力和脉冲电压的控制。间隙的横截面图像如图8所示。

　　与FED相似，SED也是逐行驱动的，如图9所示。扫描电路产生扫描信号（Vscan），信号调制电路产生同步于扫描信号的脉宽调制信号（Vsig）。由于表面传导发射器具有高度非线性的Ie-If特性，可以不用有源单元而使用简单的矩阵x-y配置来有选择地驱动每个像素，并在信号电压为18.9V、扫描电压为9.5V时仍能获得100000:1的亮度对比度。相比之下，基于CNT的FED结构的典型信号电压为35“50V，扫描电压为50”100V。SED开关器件的电压低得多，但它们必须针对更高的稳态电流负载进行设计，由于SCE电子散射机制的低效率，最高电流可达30倍。SED的大电流还要求互连线阻抗比FED低，因为即使线上一个很小的压降也会导致边到边的非一致性。