場發(fā)射顯示器(FED)用熒光粉及其研究新進(jìn)展

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

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

　　本文首先簡要介紹了FED 的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)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(diǎn)對其所使用熒光粉提出了一系列性能要求，在此基礎(chǔ)上，對FED 用熒光粉的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(fā)展，具有傳遞通訊、視覺信息功能的顯示器的用途不斷擴(kuò)大，重要性也越發(fā)明顯。在這之中作為新型顯示器之一的場發(fā)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(wěn)定性好、壽命長、響應(yīng)速度快、全彩顯示、無視角限制和對環(huán)境的兼容性好等優(yōu)良性能，所以是極具競爭力的新一代顯示器。可以認(rèn)為FED 是繼承CRT 的優(yōu)點(diǎn)而又順應(yīng)新型平板顯示發(fā)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(zhì)量的顯示手段，而且對當(dāng)今規(guī)模龐大的陰極射線顯示產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代有重要的意義^[1]。

　　當(dāng)今平板顯示的種類很多，但各有各的應(yīng)用范圍。如：液晶顯示（LCD）主要應(yīng)用于30英寸以下的顯示（監(jiān)視器和電視），等離子體平板顯示（PDP）主要應(yīng)用于40～60 英寸的壁掛電視，將來的FED 顯示主要應(yīng)用在20～40 英寸范圍內(nèi)，發(fā)光二極管（LED）顯示則主要應(yīng)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(yīng)客觀世界的各種需求。

　　FED 這種新發(fā)展起來的平板顯示器，其工作原理與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)和材料上與CRT 技術(shù)又存在著不同：FED 是通過場發(fā)射陰極陣列（FEA）上的大量微陰極發(fā)射的電子束直接轟擊熒光粉產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)，而CRT 陰極發(fā)射的電子必須經(jīng)過偏轉(zhuǎn)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(fā)射不同，F(xiàn)ED 屬于低電壓冷陰極發(fā)射。這種特殊的發(fā)射特點(diǎn)賦予FED 許多不同于其他平板顯示器的上述優(yōu)異性能，因此，F(xiàn)ED 是一種非常有前途的大屏幕顯示新技術(shù)。

場發(fā)射顯示器件的原理圖

　　圖1 給出了場發(fā)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(jī)誕生以來，經(jīng)過近20幾年的發(fā)展，F(xiàn)ED 的研制有了很大的進(jìn)步。制備優(yōu)良FED性能的關(guān)鍵，一是FEA 的設(shè)計與制備，另一個是高性能熒光粉的開發(fā)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)碳納米管（CNT）具有電子逸出功低、工作電壓低、發(fā)射束流大、發(fā)射特性穩(wěn)定、化學(xué)性能穩(wěn)定、使用壽命長、可靠性高等優(yōu)良的場發(fā)射性能，被認(rèn)為是最理想的冷陰極場發(fā)射體，成為國內(nèi)外FED 陰極研究的熱點(diǎn)。CNT-FED 模塊的制備工藝相對簡單，不需要復(fù)雜的半導(dǎo)體工藝，可采用印刷法制備CNT 陰極（納米碳管材料國內(nèi)早以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)），器件沿用真空熒光顯示管（VFD）的工藝，投資和生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，日本處于領(lǐng)先地位。2000年日本ISE 電子首次成功開發(fā)了亮度超過10000cd/m²的單色像素管。2003 年日本DiaLight開發(fā)成功了一款采用納米碳管的場發(fā)射型高亮度背光源，實(shí)現(xiàn)了15 萬cd/m² 的超高亮度。

　　除可作為電視機(jī)和手機(jī)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(fā)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(dá)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(xué)納光電集成與先進(jìn)裝備教育部工程中心長期從事納米碳基場致發(fā)射材料與器件的研究開發(fā)，05 年與國際同步開發(fā)了16×16 陣列的CNT-FED 單色顯示模塊，性能接近國際先進(jìn)水平；06 年對CNT-FED 單色模塊的批量制備技術(shù)開展系統(tǒng)研究并已實(shí)現(xiàn)基于CNT-FED 單色模塊的40 英寸拼接顯示樣屏，可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)字符圖形顯示。要進(jìn)一步發(fā)揮CNT 大屏幕的優(yōu)勢必然要求實(shí)現(xiàn)全彩顯示。

　　目前實(shí)現(xiàn)全彩顯示的關(guān)鍵是高性能三基色熒光粉的開發(fā)。

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(fā)光的，所以目前大部分FED用熒光粉是借鑒傳統(tǒng)的CRT 用熒光粉類型，并對其加以改進(jìn)。但是FED 的工作條件和CRT 又有很大的區(qū)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(yīng)時間、工作溫度范圍、能耗等方面的潛在優(yōu)勢，對熒光粉的亮度、發(fā)光顏色、發(fā)光亮度飽和性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、壽命、發(fā)光效率和形貌特征等具有一系列要求。

2.1 發(fā)光亮度

　　發(fā)光強(qiáng)度是表征光源（物體）發(fā)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(nèi)（每球面度）輻射的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)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(fā)光強(qiáng)度是評定熒光粉發(fā)光性能好壞的一個重要指標(biāo)，也是影響FED 器件性能的一個重要因素。FED在室內(nèi)光照條件下使用時，由紅、藍(lán)、綠三種熒光材料發(fā)出的光混合而成的白光亮度應(yīng)大雨室內(nèi)光照白光亮度，即大于～300cd/m²。原則上，在相同激發(fā)條件下，熒光材料的發(fā)光強(qiáng)度越高越好。

2.2 發(fā)光效率

　　研究表明，當(dāng)高壓CRT 用熒光粉用于低壓FED 器件時，熒光粉發(fā)光效率的降低與電子束在熒光粉中穿透深度的降低有關(guān)^[8]。F. Charles 研究表明，當(dāng)帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生作用時，電子穿透深度與作用物質(zhì)之間存在著如下關(guān)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(shù)，E為電子的能量。該關(guān)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(shù)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(shù)越小，在熒光粉中的穿透越深，發(fā)光越強(qiáng)。在設(shè)計低壓FED 用熒光粉時，應(yīng)選擇低密度和電子分子數(shù)相對較小的化合物。