表面傳導場發射顯示器的研究

摘要：表面傳導電子發射顯示(SED) 是一種新型平板顯示技術，跟現有主流顯示技術相比，它在對比度、灰度級、色彩、動態響應及功耗等方面均有優勢。在SED的發展歷程、研究現狀、原理結構以及顯示器熒光屏的制備方面，進行了簡單的綜述。對熒光屏的制備分別進行了詳細的說明。

關鍵詞：SED； 原理結構； 熒光屏； 制備

中圖分類號：TN91934文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04013903

Study of surface conduction field emission display

SUN Hao

（National Key Lab of HighPower Microwave Electronic Vacuum Applications and Technology， UESTC， Chengdu 610054， China）

Abstract： Surfaceconduction field emission display (SED) is a new kind of flat panel display technology. Compared with the existing main stream technology， SED has great advantages in many aspects， such as contrast， gray levels， colors， dynamic response and power consumption. The development history， research status， principle， structure and the preparation of the fluorescent screen are generally summarize in this article. The preparation process of fluorescent screens is illustrated.

Keywords： SED; principle and structure; fluorescent screen; preparation

收稿日期：20110813

基金項目：國家自然科學基金資助項目（60971035）0引言

近年來，平板顯示器在亮度、對比度、視角等技術指標上不斷提高，同時成本大幅度降低，使得平板顯示器在消費市場上逐步取代CRT 顯示器，成為電視高清晰化更新換代的主流選擇。目前顯示器市場上的主流平板顯示器為液晶顯示器件(LCD) 和等離子顯示器件(PDP)，其量產化技術比較成熟，除進一步提高顯示性能指標外，更多的是通過大規模生產降低成本來提高市場競爭力。作為新型平板顯示器件的代表技術，業界普遍認為有機發光顯示器件(OLED) 和表面傳導電子發射顯示(SED) 器件有可能成為下一代的平板顯示技術。

在新型平板顯示器件方面，SED 越來越引起研究機構和相關企業的關注。SED 屬于場致發射顯示器件(FED) 的一種，FED 技術多年來一直受到國內外有關研究機構的關注，并進行了大量的研究工作，但從20世紀90 年代初做出實用化的樣機，到90 年代中期實現商業化，已經過去了十幾年，至今沒有看到其對顯示工業產生多大的影響。SED 由于從結構上擺脫了FED 的缺陷，克服了FED 所存在的穩定性和一致性難題，能夠完全采用平面制作工藝，比LCD 和PDP 成本低，加上繼承了CRT 的高畫質優點，發射出的電子直接轟擊熒光粉發光，沒有中間環節，效率很高。因此，SED 器件由于其制作工藝簡單、成本低、功耗低、畫面質量高等一系列優點，具有很好的發展前景。

本文首先介紹了SED的發展歷程以及研究現狀，然后從器件的結構及顯示原理出發討論了其技術優勢。最后，對熒光屏的制備方式進行了簡單的介紹。

1SED發展歷程以及研究現狀

表面傳導發射現象是前蘇聯科學家在20 世紀60年代初發現的，當時采用SnO2薄膜獲得了較高的表面傳導電子發射效率［1］，技術上屬于平面型的薄膜場致發射，但因發射很不穩定而無法應用于顯示，因此，70年代以后，很少有人再進行表面傳導電子發射方面的研究。佳能公司從1986年啟動了對SED 器件的研究，其后美國專門從事納米材料和場發射技術研究與開發的SI Diamond Technology公司(其后更名為NanoProprietary公司) 于1992年提出了SED器件的完整結構，佳能公司通過數年的研究利用一系列新的工藝手段得到了穩定的表面傳導電子發射，并于1996年在歐洲顯示會議上介紹了SED技術并首次展示了3.11英寸試制面板，1997年在美國SID會議上則展示了10英寸的SED試制面板，從而引起了顯示領域的廣泛關注，并使曾經被放棄的表面傳導電子發射技術在顯示領域重新得到了應用。2004年，佳能公司與東芝公司合資組建了SED公司來研發制造這種新一代的顯示器，并組建了相關的面板生產線，借助于兩家公司的技術互補性，于2004年開發出36英寸1280 ×768像素高清晰度電視樣機，2005年在美國SID會議上展示了36英寸樣機并做特邀報告，2006年又開發出55英寸1 920 ×1 080像素全高清晰度電視樣機，相關樣機頻繁亮相于CES2005，SID 2005，CEA TEC Japan 2005，CES 2006，CEA TEC Japan 2006，FPD International 2006等大型展覽會，引起了業界和社會的高度關注。SED公司也曾發布新聞要使SED 顯示器盡快產業化并進入平板顯示市場，但由于2005年4月美國NPI公司狀告佳能與東芝合資開發SED違反了1999年的專利授權協議，2007年5月專利糾紛以佳能公司敗訴結束，東芝公司被迫退出SED公司，從而使得SED的上市時間一推再推，以至于目前沒有任何關于SED上市的報道，業界甚至于認為佳能已放棄SED顯示器件的研發。實際上，佳能公司并沒有放棄SED的研發，為了繼續SED的研發，佳能公司更多地潛心研究和修改以前的專利，并繼續改進顯示畫面質量，目前已開發出一種非碳制造工藝以避免采用NPI 的專利技術，并于2008年2月重新申請了美國專利(RE40，062)。從表面上看，SED的發展受到專利糾紛無法投放市場，更深層的原因可能是，SED電視一旦投產勢必會對液晶和等離子體顯示器件制造商帶來致命的打擊，從而導致國際利益集團設法阻止下一代顯示技術的上市，這也說明該技術的潛在推廣應用前景。

由于SED顯示器件的前景不明，國內外從事SED顯示器件研究的單位非常有限，國外主要是佳能公司在繼續SED的研究，在數值模擬及實驗研究工作方面，我國臺灣新竹交通大學的學者針對基于PdO導電薄膜的SED電子發射進行了研究，數值模擬計算了不同納米級隙縫寬度時的電子發射性能。我國大陸地區開展SED方面研究工作的單位主要有西安交通大學、清華大學和東南大學，其中西安交通大學在導電薄膜材料、結構以及器件制備等方面進行了一系列的研究，基于ZnO，PdO薄膜獲得了較好地表面傳導電子發射的陣列發光，基于AlAlN顆粒薄膜也實現了表面傳導電子發射，采用ZnO和Pd兩層導電薄膜結構提高了電子發射性能，利用表面傳導電子發射中電子軌跡的特點通過控制器件電極電壓極性可以改善SED的動態分辨率。在導電薄膜結構清華大學主要在不同導電薄膜材料、非連續納米島以及氧化物和碳的復合薄膜的表面傳導電子發射特性方面進行了研究，獲得了較高的電子發射效率。東南大學主要研究基于ZnO納米棒的表面傳導電子發射，電子發射閾值電壓較高，偏重于平面光源中的應用［2］。

2SED的原理結構

2.1原理

SED 的發光機制與CRT 基本相同\\[3\\]，都是通過高速電子流( 陰極射線束) 轟擊熒光粉發光。兩者最大的區別在于電子束產生的方式，如圖1所示。在CRT 中只有3 條( 或1 條) 電子束，由位于顯像管尾部的電子槍加熱產生。因此電子束必須以掃描的方式，有規律地逐個轟擊屏幕上的熒光粉點來形成一幅完整的畫面。由于需要對電子束進行加速偏轉掃描控制，所以需要使用偏轉線圈，而且電子束的飛行距離長，這正是CRT 顯像管無法做到很薄的原因。SED 的屏幕上熒光粉的涂布方式與CRT 大體相同，但是它的每個熒光粉點分別都有一束電子流單獨轟擊它，不像CRT 只有3束電子輪流掃描。也就是說，每一個熒光粉點都對應一個微型電子槍，有多少個熒光粉點就有多少個電子槍。由于電子產生方式的根本性改變，使得SED 器件厚度相對CRT 大大減小; 而且只要簡單增加微型電子槍的數量就可以實現分辨率和顯示尺寸的提高，因此SED屏也很容易做大。同時由于采用已經在CRT 上成熟運用多年的熒光粉作為發光媒介，SED 也具有CRT 亮度和對比度高、色彩和動態響應優異等優點。SED 可以看成是CRT 與FPD 的完美結合，所以有人稱SED 是CRT 的終極形態\\[4\\]。

圖1CRT與SED原理對比圖2.2結構

SED 從結構上擺脫了FED 的缺陷，克服了FED 所存在的穩定性和一致性難題，完全采用平面制作工藝制作，其基本單元結構如圖2所示，主要包括制備有電子發射源陣列的陰極玻璃基板和涂敷有熒光粉的陽極玻璃基板\\[2\\]。

陰極板是電子產生的區域，基本結構是玻璃基板上制作的電極和電子源。玻璃基板被縱橫分布的行列電極分割成許多微小矩形區域，每一個矩形中都分布著一個電子發射源。電極一般使用Pt，Ag，Cu，Cr 等金屬材料，通過絲網印刷、蒸鍍、濺射或光刻等方法制作，電極厚度在幾微米到幾十微米。本文中采用的即為光刻法制備陰極，采用材料為玻璃基底，Al電極。

圖2SED基本單元結構示意圖3熒光屏的制備

實驗中，大多數采用電泳法來制備熒光屏。熒光屏是顯示器件的一個重要組成部分。隨著各類顯示器件的發展，對熒光屏提出了各種不同的要求，這又促進了各種熒光屏制備工藝的開發。電泳法制備熒光屏由于其特殊的工藝特點及應用范圍得到各國的重視。在60年代，各國競相對此展開研究。進入70年代， 陰極電泳法制備熒光屏的工藝已十分成熟，在示渡管、熒光顯示管、陰極射線管等顯示器件中得到廣泛的應用。

3.1電泳法原理

在熒光粉電泳液中，表面帶有電荷的熒光粉顆粒在電場力作用下向著某一電極遷移， 交出(或得到)電荷， 從而沉積在電極上， 這就是電泳法制備熒光屏的基本原理。如果熒光粉顆粒所帶的是正電荷， 在電場力作用下， 電泳液中的熒光粉顆粒朝陰極移動， 到達陰極后，吸收陰極上的電子，沉積在陰極表面，形成均勻的熒光粉涂層。沉積首先在一些正電顆粒到達陰極表面某處發生。由于該處熒光粉涂層具有一定程度的絕緣性， 使該局部地區減少了對于更多顆粒繼續無限制吸附的可能性，于是在電場力的作用下， 帶電顆粒就沿著被涂基片的整個表面附著和覆蓋， 選樣就得到完整均勻的熒光粉涂層。選種沉積在陰極上的電泳涂覆稱之為陽離子陰極電泳。如果熒光粉顆粒吸附陰離子，沉積在陽極上稱之為陰離子陽極電泳。

如圖3所示， 熒光粉顆粒在電場力作用下向沉積電極遷移，沉積在其上制成熒光屏。一般對陰極電泳而言，沉積電極就是陰極。它可以是蒸有金屬導電層或透明導電層的玻璃制品。而對向電極就是陽極。可以是鉑、不銹鋼、鋁，石墨等。實驗中，使陰陽極之間保持平衡，間距為2~5 cm，電泳電源為直流電源。電壓為50~75 V，電流密度一般為1~3 mA/cm2。電泳時間為1~3 min。

3.2電泳法優缺點

電泳法制備熒光屏與其他方法相比有如下特點：

(1) 設備簡單、效率高。電泳法制屏無須特殊的工藝裝備。只要一臺電泳電源和一只電泳槽就能工作。制作一塊熒光屏一般只需幾分鐘。

(2) 涂層致密、光滑、分辯率好，亮度高。

(3) 任何特殊形狀的熒光屏， 用其他制屏方法較難完成， 而用電泳法卻能輕而易舉地實現。這也是電泳法制屏的最突出的優點。

圖3熒光屏電泳示意圖當然，電泳法制屏也有其工藝局限性。即必須按照熒光屏形狀制備導電層，電泳的機理較復雜，可變因素多等。但隨著研究的深入，電泳液的性能得到提高，電泳法制屏已經由實驗室進入了工業生產［5］。

4結語

本文從發展歷程以及研究現狀、結構原理等方面對表面傳導場發射顯示器（SED）進行了簡單的敘述，然后從熒光屏的制備方法方面進行了詳細的說明。最后希望SED快速發展，推進顯示器的更新換代。

參考文獻

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