場發射顯示器(FED)用熒光粉及其研究新進展

2009-12-02 王曉君華東師范大學納光電集成與先進裝備教育部工程研究中心

　　場發射顯示器（FED）是近幾年新發展起來的一種平板顯示器，屬于低電壓冷陰極發射，這種特殊的發射特點賦予FED 許多不同于其他平板顯示器的優異性能：工作電壓低（200～5000V）、功耗小、亮度高、薄、體積小、重量輕、穩定性好、壽命長、響應速度快、全彩顯示、無視角限制和對環境的兼容性好等。

　　本文首先簡要介紹了FED 的發展歷史、研究現狀和工作原理，然后針對其特殊的低電壓、大電流密度的激特點對其所使用熒光粉提出了一系列性能要求，在此基礎上，對FED 用熒光粉的研究現狀進行了分析，最后對未來新型高性能FED 用熒光粉的研究提出了一些建議和展望。

1. 引言

　　隨著高度信息化社會的不斷發展，具有傳遞通訊、視覺信息功能的顯示器的用途不斷擴大，重要性也越發明顯。在這之中作為新型顯示器之一的場發射顯示器件（FED），由于它具有工作電壓低（200～5000V）、功耗小、亮度高、薄、體積小、重量輕、穩定性好、壽命長、響應速度快、全彩顯示、無視角限制和對環境的兼容性好等優良性能，所以是極具競爭力的新一代顯示器。可以認為FED 是繼承CRT 的優點而又順應新型平板顯示發展趨勢的最可能方案之一。FED 的研究不僅可以使人們獲得一種高質量的顯示手段，而且對當今規模龐大的陰極射線顯示產業的更新換代有重要的意義^[1]。

　　當今平板顯示的種類很多，但各有各的應用范圍。如：液晶顯示（LCD）主要應用于30英寸以下的顯示（監視器和電視），等離子體平板顯示（PDP）主要應用于40～60 英寸的壁掛電視，將來的FED 顯示主要應用在20～40 英寸范圍內，發光二極管（LED）顯示則主要應用于公眾場合的字符顯示和超大屏幕圖像顯示等。顯示手段的多樣性正好可以適應客觀世界的各種需求。

　　FED 這種新發展起來的平板顯示器，其工作原理與傳統的CRT 相似，即通過電子束轟擊顯示屏上的熒光粉而成像。但其在結構和材料上與CRT 技術又存在著不同：FED 是通過場發射陰極陣列（FEA）上的大量微陰極發射的電子束直接轟擊熒光粉產生發光效應，而CRT 陰極發射的電子必須經過偏轉線圈的作用才能在熒光屏上掃描成像，因此，和CRT 的高壓熱電子束發射不同，FED 屬于低電壓冷陰極發射。這種特殊的發射特點賦予FED 許多不同于其他平板顯示器的上述優異性能，因此，FED 是一種非常有前途的大屏幕顯示新技術。

場發射顯示器件的原理圖

　　圖1 給出了場發射顯示器件的原理圖。圖示的是一個顯示單元，它包括陰極、陽極和隔離柱三部分。由于圖中所示的僅僅是一個顯示單元，所以未畫出隔離柱。自1985 年第一臺FED 樣機誕生以來，經過近20幾年的發展，FED 的研制有了很大的進步。制備優良FED性能的關鍵，一是FEA 的設計與制備，另一個是高性能熒光粉的開發。近年來，人們發現碳納米管（CNT）具有電子逸出功低、工作電壓低、發射束流大、發射特性穩定、化學性能穩定、使用壽命長、可靠性高等優良的場發射性能，被認為是最理想的冷陰極場發射體，成為國內外FED 陰極研究的熱點。CNT-FED 模塊的制備工藝相對簡單，不需要復雜的半導體工藝，可采用印刷法制備CNT 陰極（納米碳管材料國內早以實現批量生產），器件沿用真空熒光顯示管（VFD）的工藝，投資和生產成本遠遠降低，因此， CNT-FED 模塊是一種理想的大屏幕拼接元器件。在該技術的研究與產業化進程中，日本處于領先地位。2000年日本ISE 電子首次成功開發了亮度超過10000cd/m²的單色像素管。2003 年日本DiaLight開發成功了一款采用納米碳管的場發射型高亮度背光源，實現了15 萬cd/m² 的超高亮度。

　　除可作為電視機和手機的背光源使用外，還可用作特殊光源。日本Futuba 在2005 也成功開發了16×16 納米碳管單色顯示模塊，像素的尺寸為6mm×6mm，亮度可以達到1800cd/m² 左右，耗電量為3.8W，并已成功用于大屏幕拼接顯示。華東師范大學納光電集成與先進裝備教育部工程中心長期從事納米碳基場致發射材料與器件的研究開發，05 年與國際同步開發了16×16 陣列的CNT-FED 單色顯示模塊，性能接近國際先進水平；06 年對CNT-FED 單色模塊的批量制備技術開展系統研究并已實現基于CNT-FED 單色模塊的40 英寸拼接顯示樣屏，可以實現動態字符圖形顯示。要進一步發揮CNT 大屏幕的優勢必然要求實現全彩顯示。

　　目前實現全彩顯示的關鍵是高性能三基色熒光粉的開發。

2. FED 用熒光粉的性能要求

　　由于FED的原理和CRT類似，是通過電子束轟擊顯示屏上的熒光粉而發光的，所以目前大部分FED用熒光粉是借鑒傳統的CRT 用熒光粉類型，并對其加以改進。但是FED 的工作條件和CRT 又有很大的區別， CRT的工作電壓高，為15-30kV，而FED的工作電壓相對較低，為200V-5kV，所以為了獲得其在亮度、視角、響應時間、工作溫度范圍、能耗等方面的潛在優勢，對熒光粉的亮度、發光顏色、發光亮度飽和性、導電性、穩定性、壽命、發光效率和形貌特征等具有一系列要求。

2.1 發光亮度

　　發光強度是表征光源（物體）發光能力大小的物理量。光源在某一特定方向上單位立體角內（每球面度）輻射的光通量，稱為光源在該方向上的發光強度（又稱光通的空間密度）；其符號為I，單位為坎德拉每平方米（cd/m²）。發光強度是評定熒光粉發光性能好壞的一個重要指標，也是影響FED 器件性能的一個重要因素。FED在室內光照條件下使用時，由紅、藍、綠三種熒光材料發出的光混合而成的白光亮度應大雨室內光照白光亮度，即大于～300cd/m²。原則上，在相同激發條件下，熒光材料的發光強度越高越好。

2.2 發光效率

　　研究表明，當高壓CRT 用熒光粉用于低壓FED 器件時，熒光粉發光效率的降低與電子束在熒光粉中穿透深度的降低有關^[8]。F. Charles 研究表明，當帶電粒子與物質發生作用時，電子穿透深度與作用物質之間存在著如下關系[9]：

　　R = 250(A/ρ)(E / Z^1/2 )n 　(1)

　　n =1.2/(1-0.29lg Z) 　(2)

　　其中ρ為熒光粉的密度，R為電子的穿透深度，A為熒光粉的分子重量，Z為分子的電子數，E為電子的能量。該關系式適用于電子能量為1～10keV 的范圍。從上述式（1）和（2）可以看出，電子束的穿透深度與電子能量的n（n>1.2）次方成正比，與材料的密度ρ和分子電子數Z 的n/2 次方成反比，因此，電子束的能量越大，材料的密度和電子分子數越小，在熒光粉中的穿透越深，發光越強。在設計低壓FED 用熒光粉時，應選擇低密度和電子分子數相對較小的化合物。