场致发射显示器FED

1、 目录 FED概述及分 类 基本结构及 工作原理 制作工艺及 材料选取 优点及技术难 点分析 国内外发展趋 势 FED FED（Field Emission Display）概述 FED场致发射显示器是利用场致发射冷阴极发射 的电子束轰击荧光粉而发光的显示器。 FED很像阴极射线管CRT ， 有阴极电子枪和阳极 荧光屏，只不过阴极和荧光屏是两片平板玻璃，相互靠 得很近, FED 面板的结构就等于是有多少个像素就具有 多少只电子枪（而每个 CRT 则只有一只或三只）。 FEDFED（Field Emission Display)Field Emission Display)与与CRTCRT的相同

2、点：的相同点： 利用阴极电子经电场加速而轰击荧光材料发光的主动发型显示器利用阴极电子经电场加速而轰击荧光材料发光的主动发型显示器 件。因此，件。因此，FEDFED具有与具有与CRTCRT相似的显示品质，如高亮度、高对比度、全相似的显示品质，如高亮度、高对比度、全 彩色、高显示容量及低功耗等性能。彩色、高显示容量及低功耗等性能。 典型场典型场发射发射显示结构原理显示结构原理 CRT发射发射显示结构原理显示结构原理 FEDFED与与CRTCRT的区别点：的区别点： (1)(1)CRTCRT采用热阴极，通过加热阴极材料使其表面电子获得克服表面势垒采用热阴极，通过加热阴极材料使其表面电子获得克服表面势

3、垒 的能量从而发射出来；而的能量从而发射出来；而FEDFED采用冷阴极，使之在外加电场作用下逸采用冷阴极，使之在外加电场作用下逸 出。出。 (2)(2)CRTCRT的热阴极为点发射源或线发射源；而的热阴极为点发射源或线发射源；而FEDFED的冷阴极为面发射源，可的冷阴极为面发射源，可 以十分方便地实现平板化和矩阵驱动，无论重量还是体积都大大降低以十分方便地实现平板化和矩阵驱动，无论重量还是体积都大大降低 。 (3)(3)CRTCRT的加速电场电压通常在的加速电场电压通常在1313 3030kVkV之间；而采用平板结构的之间；而采用平板结构的FEDFED一般一般 加速电压小于加速电压小于1 10

4、kV0kV。 (4)(4)CRTCRT的阴阳极距离至少在的阴阳极距离至少在1 1cmcm以上，大尺寸以上，大尺寸CRTCRT甚至达到几十厘米；而甚至达到几十厘米；而 FEDFED的阴阳极距离小于的阴阳极距离小于3m3mm m。 FED分类 按整体结构 分类 二极型FED 三极型FED 存在器件发光亮度与驱 动电压之间的矛盾 按栅极位置分 类 前栅型FED 后栅型FED 平行栅型FED 存在电子束散焦 , 栅控特性 差的问题 矩阵寻址困难,图像显示 质量差 可用于检测FEA的 发射特性 FED分类 按阴极结构分类 Spindt型 （圆锥发射体型） 平面薄膜型 按阴极材料分类 金刚石材料型 CNT

5、型 （碳纳米管型） SED型 （表面传导型） BSD型 （弹道电子放射型） 基本结构及工作原理 基本结构： 由阳极基板与阴极基板构成，阳极基 板为红绿蓝三色荧光粉粉条，为了保 证色纯度，之间用黑矩阵隔开；阴极 基板由可以行列寻址的发射阵列和栅 极组成。两基板之间有支撑以抵抗大 气压力，基板之间用低熔点玻璃封接 基本原理： 在栅极和阴极之间有一个电压 差形成电场，使得微尖产生场 致效应释放电子，再经电场加 速电子使其轰击荧光粉而发光 场致发射理论 F-N公式公式 其中为其中为 场致发射电流密度，场致发射电流密度， 为发射表面电场强度，为发射表面电场强度， 为金属为金属 的逸出功，的逸出功，t t

6、（y y）和）和（y y）为）为NordheimNordheim椭圆函数，大多数情况椭圆函数，大多数情况 下可取下可取t t2 2（y y）=1=11 1， （y）0.95-y2 (0)J m 其中其中I为发射电流，为发射面积，为发射电流，为发射面积，U为加速电压，为加速电压，为电场转化为电场转化 因子，与发射形体和极间距离有关，代入电流密度公式得：因子，与发射形体和极间距离有关，代入电流密度公式得： 其中有：其中有： 制作工艺及材料选取 阴极材料的选取 要求：由于 FED采用冷 阴极，所以 应该采用表 面功函数较 低、电子势 能很小甚至 为负值的材 料 要求： （1）隔离柱很薄，尺寸均匀；

7、（2）具有一定的刚度、强度； （3）具有一定的电阻率，同时又不能产生过大 的漏电流； （4）放气量小。 隔离柱材料的选取 为了实现动态显示效果，通常驱动电路 采用矩阵寻址方式，而矩阵寻址又分为 逐点扫描寻址和逐行扫描寻址。 另外，三极管 型FED是通过 控制阴极上脉 冲宽度（PWM） 和数目来逐行、 逐帧循环实现 灰度显示。由 于栅、阴两级 之间间距较小， 故其驱动电压 相对较低。 驱动电路的选取 荧光粉的选取：荧光粉的选取： 由驱动电路知，由驱动电路知，FED中荧中荧 光粉工作于低电压，大光粉工作于低电压，大 电流的情况下。电流的情况下。 低压荧光粉存在的问题： 色饱和度低，可见光转换效率低

8、，亮度低，寿命低 荧光粉的选取 FED优点及技术难点分析 平板显示器性能比较 FED在发光 效率、 亮 度、 视角、 功耗耐严酷 的高低温、 对比度好、 响应速度快 等方面具有 和 LCD 和 PDP相当的 优势。 FED 还具有 分辨率高、 色再现性好 、 抗振动冲 击 , 电磁辐 射极微, 易 于实现数字 化显示等特 点。 由表格看出: 难点1 FEDFED中的发射均匀性和稳定性问题中的发射均匀性和稳定性问题 造成微尖发射不均匀性和不稳定性的原因：造成微尖发射不均匀性和不稳定性的原因： 由于由于SpindtSpindt型工艺生成的阴极微尖是服从型工艺生成的阴极微尖是服从 GaussionG

9、aussion分布分布, ,因此不可能使各发射体完全一样。因此不可能使各发射体完全一样。 微细加工工艺难以达到大面积的均匀性微细加工工艺难以达到大面积的均匀性, ,如阴极如阴极 微尖、栅极孔几何尺寸的离散及相对位置的偏差。微尖、栅极孔几何尺寸的离散及相对位置的偏差。 发射电流决定于表面电场和阴极表面状态。发射发射电流决定于表面电场和阴极表面状态。发射 过程中受表面形态变化、离子轰击、气体吸附等多过程中受表面形态变化、离子轰击、气体吸附等多 种因素影响，造成发射电流起伏不定。种因素影响，造成发射电流起伏不定。 难点2 支撑技术：支撑技术：FED工作于真空条件下，显示屏工作于真空条件下，显示屏 又

10、是平面型，为了抵抗大气压力，又是平面型，为了抵抗大气压力，FED上下基上下基 板之间必须采用支撑结构板之间必须采用支撑结构 FED支撑结构要求：支撑结构要求： （1）支撑单元的支撑面积必须足够小，在显示）支撑单元的支撑面积必须足够小，在显示 图像时不影响图像质量图像时不影响图像质量 （2）支撑单元的体电阻和表面电阻必须很大，）支撑单元的体电阻和表面电阻必须很大， 使得阳极与阴极之间由于支撑单元造成的漏电使得阳极与阴极之间由于支撑单元造成的漏电 流可以忽略不计流可以忽略不计 （3）为了防止电荷积累，支撑单元要具有合适）为了防止电荷积累，支撑单元要具有合适 的电阻率，把电荷导走的电阻率，把电荷导走

11、 （4）具有足够大的支撑强度）具有足够大的支撑强度 支 撑 技 术 难点3 FEDFED屏内残气的来源：屏内残气的来源： （1 1）蒸发和分解）蒸发和分解 蒸发现象是屏内产生气体的主要原因蒸发现象是屏内产生气体的主要原因 （2 2）热解析）热解析 FED FED基板玻璃在制造加工过程中，由于在基板玻璃在制造加工过程中，由于在 大气中存放时间太长，玻璃内部溶解了大量气体，在它表大气中存放时间太长，玻璃内部溶解了大量气体，在它表 面也吸附着大量气体。面也吸附着大量气体。 （3 3）电子诱导解析）电子诱导解析 电子束不断地轰击荧光屏和电极电子束不断地轰击荧光屏和电极 也会引起气体的释放。电子诱导解析

12、主要是电子与固体表也会引起气体的释放。电子诱导解析主要是电子与固体表 面的分子或表面吸附的气体分子产生非弹性碰撞，使这些面的分子或表面吸附的气体分子产生非弹性碰撞，使这些 分子产生激发或离解，再从表面释放出来。分子产生激发或离解，再从表面释放出来。 残气对场发射阴 极、荧光屏、驱 动电路都会产生 损伤和影响 器件内真空度的维持 FED国内外发展趋势 FED两大发展趋势 CNT SED CNT曲率半径极小而 密度极高，能在较低 的电场下维持高发射 电流密度，并且较高 的机械强度和化学稳 定性 表面传导电子发射显 示器画质好， SED 在 暗处对比度、电力消 耗、层次特性的表现 上全面胜出现有的

13、LCD 和 PDP ，而成本 又低于 LCD 和 PDP 显示器 CNT工作原理 可见光 SED的结构和工作原理 一个典型的SED单元由上下两层玻璃基板构成，上 玻璃基板内壁涂有红、绿、蓝三色磷光粉，并且有 透明电极，下玻璃基板内层上就是SED显示的核心 单元电子发射器。两层基板之间抽真空。 SED 只是场致发射显示器（ FED ）的一种。其与 FED的唯一区别就是起牵引电子作用的柵极并不是 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。 日本SED发展的悲剧 1999年，东芝公司与佳能就SED显示技术签署了合作 协议，双方共同将该技术推向实用化。 2004年9月14日，东芝与佳能联合宣布将成立集研发 、生产和销售SED面板及电视设备、显示设备于一体的合资 公司SED Inc.（双方各占50股份）。 2007年，美国Nano-Proprietary公司与佳能公司在SED 面板制造工艺的专利授权方面产生了意