场发射透射电子显微镜概述

场发射电极理论最早是在1928年由R.H.Eowler与L.W.Nordheim共同提出，不过真正以半导体制程技术研发出场发射电极元件，开启运用场发射电子做为显示器技术，则是在1968年由C.A.Spindt提出，随后吸引后续的研究者投入研发。

不过，场发射电极的应用是到1991年法国LETI CHENG公司在第四届国际真空微电子会议上展出一款运用场发射电极技术制成的显示器成品之后，场发射电极技术才真正被注意，并吸引Candescent、Pixtech 、Micron、Ricoh、Motorola、Samsung、Philips等公司投入，也使得FED加入众多平面显示器技术的行列。

虽然FED被视为可取CRT的技术，不过在发展初期却无法与CRT的成本相比，主要原因是场发射元件的问题。最早被提出的Spindt形式微尺寸阵列虽然是首度实现发射显示的技术，但它的阵列特性却限制显示的尺寸，主要原因是它的结构是在每个阵列单元上包含一个圆孔，圆孔内含一个金属锥，在制作过程中微影与蒸镀技术均会限制尺寸的大小。

解决之道是采用取代Spindt场发射元件的技术。1991年NEC发表一篇有关奈米碳管的文章后，研究人员发现以奈米结构合成的石墨,或是奈米碳管作为场发射元件能够得到更好的场发射效率，因此奈米碳管合成技术成为FED研发的新方向。

目前在奈米碳管场发射显示器领域，以日本伊势电子与韩国Samsung投入较早，而SONY、日立、富士写真、Canon、松下、Toshiba、Nikon与NEC等厂商也以提出与奈米技术相关的专利申请，其中又以奈米碳管为主要的研发项目。

在大尺寸场发射显示面板则首推日本伊势电子，该公司曾使用化学气相沈积法成功制作出14.5寸的彩色奈米碳管场发射显示器，其亮度达10,000cd/m2。另外，韩国Samsung也发表单色、600cd/m2的15寸奈米碳管场发射显示器，并计画发展使用在电视机的32寸奈米碳管场发射显示器，成功实现100伏特以下的低电压驱动结果。

1.Canon 与Toshiba开发SED电视

在场发射显示器技术上，Canon 与Toshiba则是开发表面传导电子发射显示器（Surface-conduction Electron-emitter Display.SED），SED的技术原理主要是利用表面传导发射电子的理论。SED与CNT FED的不同点在于，SED具有较小的驱动电压、不用蒸焦电极，以及较高均匀亮度等优点。不用聚焦电极可以有效降低制程成本，亮度均匀性则是厚膜式FED的问题，因为厚膜不均匀表示每个画素在相同电压下，流遇的电流是不相等的，则导致画面上有亮度不均匀现象。

表1 SED与CNT FED技术差异

技术 SED CNT FED

优点 1发射源效能较均一，亮度较为均匀。

2驱动电压较小

3不需要聚焦电极。 1发射效率较高。

2结构建军构较易。

缺点 1裂缝控制不易，造成良率提升困难。

2电子发射效率较差。 1发射源控制不易，亮度亦不均匀。

2驱动电压高。

3电子束易扩大，需要聚焦电极。

表2 各种显示技术性能比较

技术 FED LCD PDP CRT

消费电力 ◎ ○ △ △

重量 ◎ ◎ ◎ △

尺寸 - ○ ◎ ○

精细度 ◎ ◎ ○ ◎

操作环境 ◎ ○ ○ ◎

亮度 ◎ ○ ○ ◎

协调 ◎ ○ ○ ◎

色纯度 ◎ ◎ ○ ◎

反应速度 ◎ △ ◎ ◎

视角 ◎ △ ◎ ◎

制程 - △ ○ ◎

材料成本 - △ ○ ◎

驱动电路 ◎ ◎ △ ◎

在成本上，根据Canon与Toshiba表示，SED面板的驱动电路材料成本与LCD面板相近，而面板本身的材料成本则与PDP相当，因此整体而言相较LCD与PDP，具有成本上的优势。而在量产初期固定成本较高，不过Canon与Toshiba则计画在2010年以前削减此部分的成本，以与其他技术竞争。

2.奈米碳管场发射在背光模组的发展

近年来由于大尺寸液晶电视的背光模组成本相对较高，阻碍整体成本下降的空间与速度，因此在北光源的开发除了原先的冷阴极灯管之外，发光二极体（LED）、平面光源技术、以及奈米碳管场发射技术等，都开始朝向应用于大尺寸液晶面板来开发。

在奈米碳管场发射背光模组的发展上，目前韩国Samsung Corning、LG Electronics等都有投入开发，而台湾工研院电子所也将原先开发出奈米碳管场发射背光模组样品。而日本日机装株式会社也于2005年1月展示奈米碳管场发射背光模组样品。

日机装与日本Displaytech21公司于2005年1月联合开发出使用奈米碳管的液晶面板背光模组。此次展出的样品画面尺为3寸。技术原理为将涂布有奈米碳管做为阴极的玻璃基板，与涂布萤光材料后形成阳极的玻璃基板，隔开一定的空间重叠起来，将奈米碳管用作电子放射源，将放射出的电子照射击到萤光材料上，就能发出白光。所使用的奈米碳管直径为20NM，为一种在一根奈米碳管中装有外径更小的奈米碳管的多层奈米碳管。开始发光时的电场强度为0.74V/um,比之前一般在1~2V/um左右还低，由于能够降低发光的电场强度，因此就能降低施加在奈米碳管与正电极之间的电压，达到降低耗电量的目的。在作为32寸TFT LCD背光源时，亮度为10.000cd/m2下发光时约为60W，与使用冷阴极灯管（CCFL）与发光二极体（LED）相比，耗电量更低。预计2006年度达到实用水平时，目标是现实亮度30,000cd/m2、寿命50，000小时。在应用上则是以手机和车载终端产品用的中小尺寸液晶面板，将来将计画向大萤幕液晶电视和照明设备等大型产品领域发展。

场发射显示器技术目前的发展虽然在主流的液晶显示器、电浆显示器，以及有机电镭射显示器发展的压力下，似乎显得不是那么地成熟，不过奈米技术在各国政府积极鼓励发展这下，未来的发展预期将有更多的突破。而在技术上呈现多元发展的显示器产业，如何在众多技术的竞争中开拓出属于自己的一片天空，场发射显示器技术的未来仍需相关厂商持续努力。