表面传导场发射显示器的研究

摘要：表面传导电子发射显示(SED) 是一种新型平板显示技术,跟现有主流显示技术相比,它在对比度、灰度级、色彩、动态响应及功耗等方面均有优势。在SED的发展历程、研究现状、原理结构以及显示器荧光屏的制备方面，进行了简单的综述。对荧光屏的制备分别进行了详细的说明。

关键词：SED； 原理结构； 荧光屏； 制备

中图分类号：TN91934文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)04013903

Study of surface conduction field emission display

SUN Hao

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

Abstract： Surfaceconduction 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：20110813

基金项目：国家自然科学基金资助项目（60971035）0引言

近年来，平板显示器在亮度、对比度、视角等技术指标上不断提高,同时成本大幅度降低,使得平板显示器在消费市场上逐步取代CRT 显示器,成为电视高清晰化更新换代的主流选择。目前显示器市场上的主流平板显示器为液晶显示器件(LCD) 和等离子显示器件(PDP),其量产化技术比较成熟,除进一步提高显示性能指标外,更多的是通过大规模生产降低成本来提高市场竞争力。作为新型平板显示器件的代表技术,业界普遍认为有机发光显示器件(OLED) 和表面传导电子发射显示(SED) 器件有可能成为下一代的平板显示技术。

在新型平板显示器件方面,SED 越来越引起研究机构和相关企业的关注。SED 属于场致发射显示器件(FED) 的一种,FED 技术多年来一直受到国内外有关研究机构的关注,并进行了大量的研究工作,但从20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,至今没有看到其对显示工业产生多大的影响。SED 由于从结构上摆脱了FED 的缺陷,克服了FED 所存在的稳定性和一致性难题,能够完全采用平面制作工艺,比LCD 和PDP 成本低,加上继承了CRT 的高画质优点,发射出的电子直接轰击荧光粉发光,没有中间环节,效率很高。因此,SED 器件由于其制作工艺简单、成本低、功耗低、画面质量高等一系列优点,具有很好的发展前景。

本文首先介绍了SED的发展历程以及研究现状，然后从器件的结构及显示原理出发讨论了其技术优势。最后，对荧光屏的制备方式进行了简单的介绍。

1SED发展历程以及研究现状

表面传导发射现象是前苏联科学家在20 世纪60年代初发现的，当时采用SnO2薄膜获得了较高的表面传导电子发射效率［1］，技术上属于平面型的薄膜场致发射，但因发射很不稳定而无法应用于显示，因此，70年代以后，很少有人再进行表面传导电子发射方面的研究。佳能公司从1986年启动了对SED 器件的研究，其后美国专门从事纳米材料和场发射技术研究与开发的SI Diamond Technology公司(其后更名为NanoProprietary公司) 于1992年提出了SED器件的完整结构，佳能公司通过数年的研究利用一系列新的工艺手段得到了稳定的表面传导电子发射，并于1996年在欧洲显示会议上介绍了SED技术并首次展示了3.11英寸试制面板，1997年在美国SID会议上则展示了10英寸的SED试制面板，从而引起了显示领域的广泛关注，并使曾经被放弃的表面传导电子发射技术在显示领域重新得到了应用。2004年，佳能公司与东芝公司合资组建了SED公司来研发制造这种新一代的显示器，并组建了相关的面板生产线，借助于两家公司的技术互补性，于2004年开发出36英寸1280 ×768像素高清晰度电视样机，2005年在美国SID会议上展示了36英寸样机并做特邀报告，2006年又开发出55英寸1 920 ×1 080像素全高清晰度电视样机，相关样机频繁亮相于CES2005，SID 2005，CEA TEC Japan 2005，CES 2006，CEA TEC Japan 2006，FPD International 2006等大型展览会，引起了业界和社会的高度关注。SED公司也曾新闻要使SED 显示器尽快产业化并进入平板显示市场，但由于2005年4月美国NPI公司状告佳能与东芝合资开发SED违反了1999年的专利授权协议，2007年5月专利纠纷以佳能公司败诉结束，东芝公司被迫退出SED公司，从而使得SED的上市时间一推再推，以至于目前没有任何关于SED上市的报道，业界甚至于认为佳能已放弃SED显示器件的研发。实际上，佳能公司并没有放弃SED的研发，为了继续SED的研发，佳能公司更多地潜心研究和修改以前的专利，并继续改进显示画面质量，目前已开发出一种非碳制造工艺以避免采用NPI 的专利技术，并于2008年2月重新申请了美国专利(RE40,062)。从表面上看，SED的发展受到专利纠纷无法投放市场，更深层的原因可能是,SED电视一旦投产势必会对液晶和等离子体显示器件制造商带来致命的打击，从而导致国际利益集团设法阻止下一代显示技术的上市，这也说明该技术的潜在推广应用前景。

由于SED显示器件的前景不明，国内外从事SED显示器件研究的单位非常有限，国外主要是佳能公司在继续SED的研究，在数值模拟及实验研究工作方面，我国台湾新竹交通大学的学者针对基于PdO导电薄膜的SED电子发射进行了研究，数值模拟计算了不同纳米级隙缝宽度时的电子发射性能。我国大陆地区开展SED方面研究工作的单位主要有西安交通大学、清华大学和东南大学，其中西安交通大学在导电薄膜材料、结构以及器件制备等方面进行了一系列的研究，基于ZnO,PdO薄膜获得了较好地表面传导电子发射的阵列发光，基于AlAlN颗粒薄膜也实现了表面传导电子发射，采用ZnO和Pd两层导电薄膜结构提高了电子发射性能，利用表面传导电子发射中电子轨迹的特点通过控制器件电极电压极性可以改善SED的动态分辨率。在导电薄膜结构清华大学主要在不同导电薄膜材料、非连续纳米岛以及氧化物和碳的复合薄膜的表面传导电子发射特性方面进行了研究，获得了较高的电子发射效率。东南大学主要研究基于ZnO纳米棒的表面传导电子发射，电子发射阈值电压较高，偏重于平面光源中的应用［2］。

2SED的原理结构

2.1原理

SED 的发光机制与CRT 基本相同\[3\],都是通过高速电子流( 阴极射线束) 轰击荧光粉发光。两者最大的区别在于电子束产生的方式,如图1所示。在CRT 中只有3 条( 或1 条) 电子束,由位于显像管尾部的电子枪加热产生。因此电子束必须以扫描的方式,有规律地逐个轰击屏幕上的荧光粉点来形成一幅完整的画面。由于需要对电子束进行加速偏转扫描控制,所以需要使用偏转线圈,而且电子束的飞行距离长,这正是CRT 显像管无法做到很薄的原因。SED 的屏幕上荧光粉的涂布方式与CRT 大体相同,但是它的每个荧光粉点分别都有一束电子流单独轰击它,不像CRT 只有3束电子轮流扫描。也就是说,每一个荧光粉点都对应一个微型电子枪,有多少个荧光粉点就有多少个电子枪。由于电子产生方式的根本性改变,使得SED 器件厚度相对CRT 大大减小; 而且只要简单增加微型电子枪的数量就可以实现分辨率和显示尺寸的提高,因此SED屏也很容易做大。同时由于采用已经在CRT 上成熟运用多年的荧光粉作为发光媒介,SED 也具有CRT 亮度和对比度高、色彩和动态响应优异等优点。SED 可以看成是CRT 与FPD 的完美结合,所以有人称SED 是CRT 的终极形态\[4\]。

图1CRT与SED原理对比图2.2结构

SED 从结构上摆脱了FED 的缺陷,克服了FED 所存在的稳定性和一致性难题,完全采用平面制作工艺制作,其基本单元结构如图2所示,主要包括制备有电子发射源阵列的阴极玻璃基板和涂敷有荧光粉的阳极玻璃基板\[2\]。

阴极板是电子产生的区域,基本结构是玻璃基板上制作的电极和电子源。玻璃基板被纵横分布的行列电极分割成许多微小矩形区域,每一个矩形中都分布着一个电子发射源。电极一般使用Pt,Ag,Cu,Cr 等金属材料,通过丝网印刷、蒸镀、溅射或光刻等方法制作,电极厚度在几微米到几十微米。本文中采用的即为光刻法制备阴极，采用材料为玻璃基底，Al电极。

图2SED基本单元结构示意图3荧光屏的制备

实验中，大多数采用电泳法来制备荧光屏。荧光屏是显示器件的一个重要组成部分。随着各类显示器件的发展，对荧光屏提出了各种不同的要求，这又促进了各种荧光屏制备工艺的开发。电泳法制备荧光屏由于其特殊的工艺特点及应用范围得到各国的重视。在60年代，各国竞相对此展开研究。进入70年代， 阴极电泳法制备荧光屏的工艺已十分成熟，在示渡管、荧光显示管、阴极射线管等显示器件中得到广泛的应用。

3.1电泳法原理

在荧光粉电泳液中，表面带有电荷的荧光粉颗粒在电场力作用下向着某一电极迁移， 交出(或得到)电荷， 从而沉积在电极上， 这就是电泳法制备荧光屏的基本原理。如果荧光粉颗粒所带的是正电荷， 在电场力作用下， 电泳液中的荧光粉颗粒朝阴极移动， 到达阴极后，吸收阴极上的电子，沉积在阴极表面，形成均匀的荧光粉涂层。沉积首先在一些正电颗粒到达阴极表面某处发生。由于该处荧光粉涂层具有一定程度的绝缘性， 使该局部地区减少了对于更多颗粒继续无限制吸附的可能性，于是在电场力的作用下， 带电颗粒就沿着被涂基片的整个表面附着和覆盖， 选样就得到完整均匀的荧光粉涂层。选种沉积在阴极上的电泳涂覆称之为阳离子阴极电泳。如果荧光粉颗粒吸附阴离子，沉积在阳极上称之为阴离子阳极电泳。

如图3所示， 荧光粉颗粒在电场力作用下向沉积电极迁移，沉积在其上制成荧光屏。一般对阴极电泳而言，沉积电极就是阴极。它可以是蒸有金属导电层或透明导电层的玻璃制品。而对向电极就是阳极。可以是铂、不锈钢、铝，石墨等。实验中，使阴阳极之间保持平衡，间距为2~5 cm，电泳电源为直流电源。电压为50~75 V，电流密度一般为1~3 mA/cm2。电泳时间为1~3 min。

3.2电泳法优缺点

电泳法制备荧光屏与其他方法相比有如下特点：

(1) 设备简单、效率高。电泳法制屏无须特殊的工艺装备。只要一台电泳电源和一只电泳槽就能工作。制作一块荧光屏一般只需几分钟。

(2) 涂层致密、光滑、分辩率好，亮度高。

(3) 任何特殊形状的荧光屏， 用其他制屏方法较难完成， 而用电泳法却能轻而易举地实现。这也是电泳法制屏的最突出的优点。

图3荧光屏电泳示意图当然，电泳法制屏也有其工艺局限性。即必须按照荧光屏形状制备导电层，电泳的机理较复杂，可变因素多等。但随着研究的深入，电泳液的性能得到提高，电泳法制屏已经由实验室进入了工业生产［5］。

4结语

本文从发展历程以及研究现状、结构原理等方面对表面传导场发射显示器（SED）进行了简单的叙述，然后从荧光屏的制备方法方面进行了详细的说明。最后希望SED快速发展，推进显示器的更新换代。

参考文献

［1］ELINSON M I, ZHDAN A G, KUDINT S G A, et al . The emission of hot elect rons and the field emission of electrons from tin oxide \[J\] . Radio Engineering and Electronic Physics, 1965, 10: 12901296.

［2］吴胜利,赵令国,熊斯梁.表面传导电子发射显示技术与器件\[J\].真空电子技术,2009(6):16.

［3］应根裕.平板显示技术［M］.北京:人民邮电出版社,2002.

［4］李征华,徐伟军.表面传导电子发射显示器件概述及研究现状\[J\].真空电子技术,2010(3):3337.

［5］吴长沪.电泳法制备荧光屏\[J\].真空电子技术,1992(2):1517.

［6］李伟，林志贤，郭太良.LVDS技术在彩色FED中的应用\[J\].现代电子技术，2007,30(19)：187189.