場發(fā)射顯示器

FED英文全稱是Field Emission Display，即場致發(fā)射顯示器。依電子發(fā)射源而分，F(xiàn)ED又可分為CNT（碳納米管型）、SED（表面?zhèn)鲗停?、Spindt（圓錐發(fā)射體型）、BSD（彈道電子放射型）等類型。目前最為看好的應用主要是CNT和SED兩大技術(shù)體系。

引 言
過去FED在發(fā)展上遭遇頗多瓶頸,但是從奈米碳管技術(shù)應用逐漸浮上樓面,而CANON與TOSHIBA兩家公司也合資以SED技術(shù)進行開發(fā)的種種跡象看來,FED的末來仍有其潛力. 

各種平面顯示器技術(shù)在畫質(zhì)、成本等皆取代CRT為發(fā)展的目標,而場發(fā)射顯示器(Field emission display,FED)則以CRT技術(shù)的延伸來發(fā)展,意圖以CRT的優(yōu)點來搶占此一市場,雖然在概念上雖有與CRT類似之處,但由於在結(jié)構(gòu),材料上與CRT技術(shù)完全不同,因此發(fā)展起來的仍遭遇許多瓶頸.不過在使用奈米碳管技術(shù)應用在場發(fā)射顯示技術(shù)上逐漸有較大的突破與發(fā)展,再加上Canon與Thoshib利用表面?zhèn)鲗Оl(fā)射電子的理論發(fā)SED技術(shù)，於2004年月10月合資成立新公司從事SED面板的開發(fā)、制造與銷售，預計於2005年8月開始量產(chǎn)，讓人期待FED技術(shù)的新轉(zhuǎn)機。

FED技術(shù)原理與發(fā)展
場發(fā)射電極理論最早是在1928年由R.H.Eowler與L.W.Nordheim共同提出，不過真正以半導體制程技術(shù)研發(fā)出場發(fā)射電極元件，開啟運用場發(fā)射電子做為顯示器技術(shù)，則是在1968年由C.A.Spindt提出,隨後吸引後續(xù)的研究者投入研發(fā). 

不過,場發(fā)射電極的應用是到1991年法國LETI CHENG公司在第四屆國際真空微電子會議上展出一款運用場發(fā)射電極技術(shù)制成的顯示器成品之後,場發(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。 

在場發(fā)射顯示器的應用，發(fā)射與接收電極中間為一段真空帶，因此必須在發(fā)射與接收電極中導入高電壓以產(chǎn)生電場，使電場刺激電子撞擊接收電極下的螢光粉，而產(chǎn)生發(fā)光效應。此種發(fā)光原理與陰極射線管（CRT）類似，都是在真空中讓電子撞擊螢光粉發(fā)光，其中不同之處在CRT由單一的電子槍發(fā)射電子束，透過偏向軌（Deflation Yoke）來控制電子束發(fā)射掃瞄的方向，而FED顯示器擁有數(shù)十萬個主動冷發(fā)射子，因此在構(gòu)造上FED可以達到比CRT節(jié)省空間的效果。其次在於電壓部分，CRT大約需要15~30KV左右的工作電壓，而FED的陰極電壓約小於1KV。 

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)是在每個陣列單元上包含一個圓孔，圓孔內(nèi)含一個金屬錐，在制作過程中微影與蒸鍍技術(shù)均會限制尺寸的大小。 

解決之道是采用取代Spindt場發(fā)射元件的技術(shù).1991年NEC發(fā)表一篇有關(guān)奈米碳管的文章後,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發(fā)射元件能夠得到更好的場發(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. 

目前在奈米碳管場發(fā)射顯示器領(lǐng)域,以日本伊勢電子與韓國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，其中又以奈米碳管為主要的研發(fā)項目.

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

1.Canon 與Toshiba開發(fā)SED電視 
在場發(fā)射顯示器技術(shù)上，Canon 與Toshiba則是開發(fā)表面?zhèn)鲗щ娮影l(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Оl(fā)射電子的理論。SED與CNT FED的不同點在於，SED具有較小的驅(qū)動電壓、不用蒸焦電極，以及較高均勻亮度等優(yōu)點。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,因為厚膜不均勻表示每個畫素在相同電壓下,流遇的電流是不相等的,則導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 1發(fā)射源效能較均一，亮度較為均勻。
2驅(qū)動電壓較小
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 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)動電壓高。
3電子束易擴大，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
消費電力 ◎ ○ △ △
重量 ◎ ◎ ◎ △
尺寸 - ○ ◎ ○
精細度 ◎ ◎ ○ ◎
操作環(huán)境 ◎ ○ ○ ◎
亮度 ◎ ○ ○ ◎
協(xié)調(diào) ◎ ○ ○ ◎
色純度 ◎ ◎ ○ ◎
反應速度 ◎ △ ◎ ◎
視角 ◎ △ ◎ ◎
制程 - △ ○ ◎
材料成本 - △ ○ ◎
驅(qū)動電路 ◎ ◎ △ ◎

在成本上,根據(jù)Canon與Toshiba表示,SED面板的驅(qū)動電路材料成本與LCD面板相近，而面板本身的材料成本則與PDP相當，因此整體而言相較LCD與PDP，具有成本上的優(yōu)勢。而在量產(chǎn)初期固定成本較高，不過Canon與Toshiba則計畫在2010年以前削減此部分的成本，以與其他技術(shù)競爭。 

2.奈米碳管場發(fā)射在背光模組的發(fā)展
近年來由於大尺寸液晶電視的背光模組成本相對較高，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)、以及奈米碳管場發(fā)射技術(shù)等，都開始朝向應用於大尺寸液晶面板來開發(fā)。 

在奈米碳管場發(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***工研院電子所也將原先開發(fā)出奈米碳管場發(fā)射背光模組樣品。而日本日機裝株式會社也於2005年1月展示奈米碳管場發(fā)射背光模組樣品。 

日機裝與日本Displaytech21公司於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，與涂布螢光材料後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)光時的電場強度為0.74V/um,比之前一般在1~2V/um左右還低，由於能夠降低發(fā)光的電場強度，因此就能降低施加在奈米碳管與正電極之間的電壓，達到降低耗電量的目的。在做為32寸TFT LCD背光源時，亮度為10.000cd/m2下發(fā)光時約為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。預計2006年度達到實用水平時，目標是現(xiàn)實亮度30,000cd/m2、壽命50，000小時。在應用上則是以手機和車載終端產(chǎn)品用的中小尺寸液晶面板，將來將計畫向大螢幕液晶電視和照明設備等大型產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展。 

廠商動態(tài) 
在場發(fā)射顯示器的開發(fā)上，以日本伊勢電子與韓國Samsung投入較早，不過在奈米技術(shù)逐漸為廠商重視，投入的廠商也逐漸增多，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，其中又以奈米碳管為主要的研發(fā)項目。 

1、伊勢電子 
日本伊勢電子早在1998年在SID會議展示一款采用奈米碳管材料的場發(fā)射顯示器，發(fā)射電流約為200MA。伊勢電子使用化學氣相沈積法成功於2001年底制作出14.5寸的彩色奈米碳管場發(fā)射顯示器，其亮度達10，000cd/m2,并於2002年3月舉辦的東京國際論壇中展出使用奈米碳管的的40寸寬螢幕場發(fā)射顯示器，使得伊勢電子成為奈米碳管場發(fā)射顯示器在開支化腳步最快的廠商。 

2、Canon/Toshiba 
Canon與Toshiba則是利用表面?zhèn)鲗Оl(fā)射電子的理論，開發(fā)SED.Canon與Toshiba在1999年6月簽訂契約，共同開發(fā)次世代大畫面顯示技術(shù)一{表面?zhèn)鲗щ娮影l(fā)射擊隊顯示器（Surface-conduction Electron-emitter Display）},主要應用於40寸大尺寸顯示器。Canon主要負責電子發(fā)射和微型制造兩項技術(shù)，Toshiba則以CRT與LCD等顯示器技術(shù)加以延伸發(fā)展，并規(guī)劃大量生產(chǎn)需要的制程技術(shù)。 
Toshiba在CEATECJAPAN2004展示SED試制品，其黑色亮度為0.004cd/m2(Toshiba測量液晶電視為.7cd/m2),白色亮度為260cd/m2(PDP為0.7cd/m2)(PDP為60cd/m2)，強調(diào)SED在對比度的超高性能。 
Canon與Toshiba於2004年9月宣布合資理產(chǎn)SED顯示器,新公司SED株式會社,從事SED技術(shù)研發(fā),生產(chǎn)與銷售,於2004年10月開始營運,預計投資183億美元興建SED生產(chǎn)線,2007年再投入164億美元進行大量生產(chǎn),產(chǎn)品主要應用於32寸以上大尺寸電視,預計2005年8月可望開始小規(guī)模量產(chǎn)50寸SED面板,月產(chǎn)量約3,000片,預計2007年將產(chǎn)能擴增至月產(chǎn)75,000片,2008年將產(chǎn)能提升到每年180萬片(月產(chǎn)能約15萬片),2010年在提升至每年300萬片,(月產(chǎn)25萬片)的生產(chǎn)規(guī)模. 
在銷售目標上,2007年達到每年300億日元,2010年達到每年2,000億日元. 

3、雙葉電子 
日本雙葉電子曾於2002年10月成功開發(fā)出寸彩色FED面板,并在同一年CEATEC JAPAN 2002展出8項試制品,其顯示色彩數(shù)為1,670萬色,亮度為400cd/m2,耗電量為4W,面板厚度僅為2.8mm.在FED的驅(qū)動電路模組,則是與村田制作所合作開發(fā).不過此次展出的FED面板還處於研究開發(fā)皆段,尚未決定投產(chǎn)日期. 
在2003年2月的NanoTech 2003雙葉電子又展示奈米碳管場發(fā)射顯示器,解析度16x16畫素,每個畫素尺寸為4mm x 3 mm,畫素間隙為2mm,亮度可達1.000cd/m2,陰極電壓為200伏特,耗電量為7W. 
2004年7月展示4寸至11寸各類型號全彩FED產(chǎn)品,其中4寸(解析度為240X64畫素)與4.3寸(解析度240X128畫素)產(chǎn)品,特點是亮度高達1.000cd/m2,其他產(chǎn)品規(guī)格,5.9QVGA,亮度為800cd/m2,8.0寸WQVGA(解析度480X234畫素),亮度為500cd/m2,11.3寸VGA,亮度為350cd/m2. 
雙葉電子於2004年11月發(fā)表FED生產(chǎn)計畫,預計生產(chǎn)11寸左右的車用面板,計畫投其所好資85億日元在生產(chǎn)設備,2006年生產(chǎn)線開始架設,2007年開始量產(chǎn),預計營收為60億日元. 

4、Sumsung 
Sumsung SDI自1990年中期開始與Sumsung綜合技術(shù)院共同開發(fā)FED,1997年7月在德國舉行的第12屆國際真空微電子會議,發(fā)表一款4.5寸,厚度僅2.2mm,工作電壓800伏特,亮度為350cd/m2,并於2000年開始發(fā)出18寸FED樣品.2001年也發(fā)表一款單色15寸奈米碳管場發(fā)射顯示器,亮度為600cd/m2. 

表3 Canon與Toshiba合資SED公司
公司名稱 SED株式會社
設立日期 2004年10月
事業(yè)內(nèi)容 SED面板的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售
公司地點 神奈川縣平塚市田村9-22-5
公司代表 代表取締役社長：鵜澤俊一（現(xiàn)Canon取締役SED開發(fā)本部長）
資本額 10億5萬日元
股東結(jié)構(gòu) Canon占50.002%，Toshiba占49.998%
員工人數(shù) 約300名（2005年1月）

Sumsung綜合技術(shù)院(Sumsung Advanced Institute of Technology)在2004年的FPD International 2004也強調(diào)奈米碳管作為電子源的奈米碳管場發(fā)射顯示器的優(yōu)勢,準備於2~3年後大量生產(chǎn). 

5、LG Electronics 
LG電子於2001年與LG綜合技術(shù)院Display研究所進行5~6寸FED的開發(fā).2002年成功開發(fā)20寸場發(fā)射顯示器,并有將FED商品化的計畫. 

6、工研院電子所 
工研院電子所於2001年8月宣布研發(fā)全臺第一片4寸車用奈米碳管廠發(fā)射顯示器(CNT-FED),利於奈米碳管的低導通電場、高發(fā)射電流密度，以及高穩(wěn)定性，同時結(jié)合FED技術(shù)來實現(xiàn)陰極射線管平面化的可能性，保留CRT影響品質(zhì)，并具有省電與體積小的優(yōu)點，成為兼具低驅(qū)動電壓、高發(fā)光效率的大尺寸平面顯示器。 
奈米碳管場發(fā)射技術(shù)除應用在顯示器上外,工研院電子所在2004年12月也宣布開發(fā)完成20寸奈米碳管場發(fā)射背光板(20-inch Carbon Nanotube Field Emission Back Light Unit,CNT-BLU),主要應用於大尺寸TFT LCD的背光源.大尺寸TFT LCD背光模組目前仍以冷陰極燈管(CCFL)作為背光源,然而大尺寸(30寸以上)TFT LCD所采用的CCFL長度需要更長,生產(chǎn)上較先前應用在筆記型電腦與監(jiān)視器用的燈管更為困難,且在畫面均勻性、含汞，以及光學膜成本昂貴等問題，都使得大尺寸TFT LCD背光模組的成本大幅提高，雖然許多廠商已經(jīng)朝向LED背光模組來發(fā)展，不過奈米碳管場發(fā)射技術(shù)應用於背光模組的發(fā)展，具有光源強度均勻、發(fā)光效率高、制程簡單等優(yōu)點，將使得奈米碳管場發(fā)射技術(shù)多了一個應用方向。 

7、東元奈米應材  
東元集團於2002年與工程院電子所、材料所與化工所簽訂奈米碳管有關(guān)材料、至成及產(chǎn)品的合作案，東元將借重工研院在奈米科技的基礎研究，加上東元的商品化開發(fā)，發(fā)展應用於電視用的奈米碳管顯示器。 
東元集團旗下的東元奈米應材於2002年獲得經(jīng)濟部科專計畫3000萬元補助，加上東元集團物投資，發(fā)展奈米碳管顯示器及其相關(guān)材料。除了借重工研院之外，并與臺大、清大、交大、中央、中原等大學進行個別研究專案。 

8、其他 
其他廠商方面，日本三菱電機研發(fā)出奈米碳管場發(fā)射顯示器，預計於2006年商品化。Motorola的研發(fā)部門Motorola Labs於2003年7月宣布已完成奈米碳管場發(fā)射顯示器技術(shù)，并展示一款15寸樣品，不過Motorola并打算自行設廠生產(chǎn)FED，而計畫將技術(shù)專利開放提供給有意發(fā)展的廠商。 

美國CANDESCENT Technologyd 加州San Jose建造面積達34萬平方英尺工廠，但因技術(shù)與市場需求的緣故，宣布放棄場發(fā)射擊隊顯示器的生產(chǎn)計畫，準備將技術(shù)授權(quán)給其他公司，將從制造商轉(zhuǎn)型成以智財權(quán)為主的公司。 

家電大廠選擇獨特技術(shù)以強化競爭力 
在大尺寸薄型電視技術(shù)上，液晶電視、電漿電視、背投影電視，以及新興的SED電視，主要家電廠商逐漸認為擁有屬於自己獨特技術(shù)才能在激烈的競爭中在成本、畫質(zhì)與產(chǎn)能上提供足夠的支援，因此在最近日本顯示器廠商的發(fā)展出現(xiàn){選擇與集中}的風潮，如Sharp在六代廠量產(chǎn)之後宣布七代廠的興建，Samsung與LG.Philips LCD也宣布興建七代廠的計畫,而Hitachi則將電漿顯示器制造公司FHP從Fujitsu集團下轉(zhuǎn)到自己集團之內(nèi),并且與松下展開在電漿顯示器在研發(fā)、制程、零元件采購上的合作，SONY雖否認退出電漿電視的經(jīng)營，不過也強調(diào)液晶電視與背投電視是主要發(fā)展的技術(shù)，因此，從這波{選擇與集中}的風潮下，廠商擁有自身獨特的技術(shù)才能建立廠商發(fā)展的優(yōu)勢。 

結(jié) 論 
場發(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，以及有機電鐳射顯示器發(fā)展的壓力下，似乎顯得不是那麼地成熟，不過奈米技術(shù)在各國政府積極鼓勵發(fā)展這下，未來的發(fā)展預期將有更多的突破。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)的競爭中開拓出屬於自己的一片天空，場發(fā)射顯示器技術(shù)的未來仍需相關(guān)廠商持續(xù)努力。