場發射顯示器

FED英文全稱是Field Emission Display，即場致發射顯示器。依電子發射源而分，FED又可分為CNT（碳納米管型）、SED（表面傳導型）、Spindt（圓錐發射體型）、BSD（彈道電子放射型）等類型。目前最為看好的應用主要是CNT和SED兩大技術體系。

引 言
過去FED在發展上遭遇頗多瓶頸,但是從奈米碳管技術應用逐漸浮上樓面,而CANON與TOSHIBA兩家公司也合資以SED技術進行開發的種種跡象看來,FED的末來仍有其潛力. 

各種平面顯示器技術在畫質、成本等皆取代CRT為發展的目標,而場發射顯示器(Field emission display,FED)則以CRT技術的延伸來發展,意圖以CRT的優點來搶占此一市場,雖然在概念上雖有與CRT類似之處,但由於在結構,材料上與CRT技術完全不同,因此發展起來的仍遭遇許多瓶頸.不過在使用奈米碳管技術應用在場發射顯示技術上逐漸有較大的突破與發展,再加上Canon與Thoshib利用表面傳導發射電子的理論發SED技術，於2004年月10月合資成立新公司從事SED面板的開發、制造與銷售，預計於2005年8月開始量產，讓人期待FED技術的新轉機。

FED技術原理與發展
場發射電極理論最早是在1928年由R.H.Eowler與L.W.Nordheim共同提出，不過真正以半導體制程技術研發出場發射電極元件，開啟運用場發射電子做為顯示器技術，則是在1968年由C.A.Spindt提出,隨後吸引後續的研究者投入研發. 

不過,場發射電極的應用是到1991年法國LETI CHENG公司在第四屆國際真空微電子會議上展出一款運用場發射電極技術制成的顯示器成品之後,場發射電極技術才真正被注意,并吸引Candescent、Pixtech 、Micron、Ricoh、Motorola、Samsung、Philips等公司投入，也使得FED加入眾多平面顯示器技術的行列。 

在場發射顯示器的應用，發射與接收電極中間為一段真空帶，因此必須在發射與接收電極中導入高電壓以產生電場，使電場刺激電子撞擊接收電極下的螢光粉，而產生發光效應。此種發光原理與陰極射線管（CRT）類似，都是在真空中讓電子撞擊螢光粉發光，其中不同之處在CRT由單一的電子槍發射電子束，透過偏向軌（Deflation Yoke）來控制電子束發射掃瞄的方向，而FED顯示器擁有數十萬個主動冷發射子，因此在構造上FED可以達到比CRT節省空間的效果。其次在於電壓部分，CRT大約需要15~30KV左右的工作電壓，而FED的陰極電壓約小於1KV。 

雖然FED被視為可取CRT的技術，不過在發展初期卻無法與CRT的成本相比，主要原因是場發射元件的問題。最早被提出的Spindt形式微尺寸陣列雖然是首度實現發射顯示的技術，但它的陣列特性卻限制顯示的尺寸，主要原因是它的結構是在每個陣列單元上包含一個圓孔，圓孔內含一個金屬錐，在制作過程中微影與蒸鍍技術均會限制尺寸的大小。 

解決之道是采用取代Spindt場發射元件的技術.1991年NEC發表一篇有關奈米碳管的文章後,研究人員發現以奈米結構合成的石墨,或是奈米碳管作為場發射元件能夠得到更好的場發射效率,因此奈米碳管合成技術成為FED研發的新方向. 

目前在奈米碳管場發射顯示器領域,以日本伊勢電子與韓國Samsung投入較早,而SONY、日立、富士寫真、Canon、松下、Toshiba、Nikon與NEC等廠商也以提出與奈米技術相關的專利申請，其中又以奈米碳管為主要的研發項目.

在大尺寸場發射顯示面板則首推日本伊勢電子，該公司曾使用化學氣相沈積法成功制作出14.5寸的彩色奈米碳管場發射顯示器，其亮度達10,000cd/m2.另外，韓國Samsung也發表單色、600cd/m2的15寸奈米碳管場發射顯示器，并計畫發展使用在電視機的32寸奈米碳管場發射顯示器，成功實現100伏特以下的低電壓驅動結果。 

1.Canon 與Toshiba開發SED電視 
在場發射顯示器技術上，Canon 與Toshiba則是開發表面傳導電子發射顯示器（Surface-conduction Electron-emitter Display.SED）,SED的技術原理主要是利用表面傳導發射電子的理論。SED與CNT FED的不同點在於，SED具有較小的驅動電壓、不用蒸焦電極，以及較高均勻亮度等優點。不用聚焦電極可以有效降低制程成本,亮度均勻性則是厚膜式FED的問題,因為厚膜不均勻表示每個畫素在相同電壓下,流遇的電流是不相等的,則導致畫面上有亮度不均勻現象. 

表1 SED與CNT FED技術差異
技術 SED CNT FED
優
點 1發射源效能較均一，亮度較為均勻。
2驅動電壓較小
3不需要聚焦電極。 1發射效率較高。
2結構建軍構較易。
缺
點 1裂縫控制不易，造成良率提升困難。
2電子發射效率較差。 1發射源控制不易，亮度亦不均勻。
2驅動電壓高。
3電子束易擴大，需要聚焦電極。

表2 各種顯示技術性能比較
技術 FED LCD PDP CRT
消費電力 ◎ ○ △ △
重量 ◎ ◎ ◎ △
尺寸 - ○ ◎ ○
精細度 ◎ ◎ ○ ◎
操作環境 ◎ ○ ○ ◎
亮度 ◎ ○ ○ ◎
協調 ◎ ○ ○ ◎
色純度 ◎ ◎ ○ ◎
反應速度 ◎ △ ◎ ◎
視角 ◎ △ ◎ ◎
制程 - △ ○ ◎
材料成本 - △ ○ ◎
驅動電路 ◎ ◎ △ ◎

在成本上,根據Canon與Toshiba表示,SED面板的驅動電路材料成本與LCD面板相近，而面板本身的材料成本則與PDP相當，因此整體而言相較LCD與PDP，具有成本上的優勢。而在量產初期固定成本較高，不過Canon與Toshiba則計畫在2010年以前削減此部分的成本，以與其他技術競爭。 

2.奈米碳管場發射在背光模組的發展
近年來由於大尺寸液晶電視的背光模組成本相對較高，阻礙整體成本下降的空間與速度，因此在北光源的開發除了原先的冷陰極燈管之外，發光二極體（LED）、平面光源技術、以及奈米碳管場發射技術等，都開始朝向應用於大尺寸液晶面板來開發。 

在奈米碳管場發射背光模組的發展上，目前韓國Samsung Corning、LG Electronics等都有投入開發，而***工研院電子所也將原先開發出奈米碳管場發射背光模組樣品。而日本日機裝株式會社也於2005年1月展示奈米碳管場發射背光模組樣品。 

日機裝與日本Displaytech21公司於2005年1月聯合開發出使用奈米碳管的液晶面板背光模組。此次展出的樣品畫面尺為3寸。技術原理為將涂布有奈米碳管做為陰極的玻璃基板，與涂布螢光材料後形成陽極的玻璃基板，隔開一定的空間重疊起來，將奈米碳管用作電子放射源，將放射出的電子照射擊到螢光材料上，就能發出白光。所使用的奈米碳管直徑為20NM，為一種在一根奈米碳管中裝有外徑更小的奈米碳管的多層奈米碳管。開始發光時的電場強度為0.74V/um,比之前一般在1~2V/um左右還低，由於能夠降低發光的電場強度，因此就能降低施加在奈米碳管與正電極之間的電壓，達到降低耗電量的目的。在做為32寸TFT LCD背光源時，亮度為10.000cd/m2下發光時約為60W，與使用冷陰極燈管（CCFL）與發光二極體（LED）相比，耗電量更低。預計2006年度達到實用水平時，目標是現實亮度30,000cd/m2、壽命50，000小時。在應用上則是以手機和車載終端產品用的中小尺寸液晶面板，將來將計畫向大螢幕液晶電視和照明設備等大型產品領域發展。 

廠商動態 
在場發射顯示器的開發上，以日本伊勢電子與韓國Samsung投入較早，不過在奈米技術逐漸為廠商重視，投入的廠商也逐漸增多，Sony、日立、富士寫真、Canon、松下、Toshiba、Nikon與NEC等廠商也以提出與奈米技術相關的專利申請，其中又以奈米碳管為主要的研發項目。 

1、伊勢電子 
日本伊勢電子早在1998年在SID會議展示一款采用奈米碳管材料的場發射顯示器，發射電流約為200MA。伊勢電子使用化學氣相沈積法成功於2001年底制作出14.5寸的彩色奈米碳管場發射顯示器，其亮度達10，000cd/m2,并於2002年3月舉辦的東京國際論壇中展出使用奈米碳管的的40寸寬螢幕場發射顯示器，使得伊勢電子成為奈米碳管場發射顯示器在開支化腳步最快的廠商。 

2、Canon/Toshiba 
Canon與Toshiba則是利用表面傳導發射電子的理論，開發SED.Canon與Toshiba在1999年6月簽訂契約，共同開發次世代大畫面顯示技術一{表面傳導電子發射擊隊顯示器（Surface-conduction Electron-emitter Display）},主要應用於40寸大尺寸顯示器。Canon主要負責電子發射和微型制造兩項技術，Toshiba則以CRT與LCD等顯示器技術加以延伸發展，并規劃大量生產需要的制程技術。 
Toshiba在CEATECJAPAN2004展示SED試制品，其黑色亮度為0.004cd/m2(Toshiba測量液晶電視為.7cd/m2),白色亮度為260cd/m2(PDP為0.7cd/m2)(PDP為60cd/m2)，強調SED在對比度的超高性能。 
Canon與Toshiba於2004年9月宣布合資理產SED顯示器,新公司SED株式會社,從事SED技術研發,生產與銷售,於2004年10月開始營運,預計投資183億美元興建SED生產線,2007年再投入164億美元進行大量生產,產品主要應用於32寸以上大尺寸電視,預計2005年8月可望開始小規模量產50寸SED面板,月產量約3,000片,預計2007年將產能擴增至月產75,000片,2008年將產能提升到每年180萬片(月產能約15萬片),2010年在提升至每年300萬片,(月產25萬片)的生產規模. 
在銷售目標上,2007年達到每年300億日元,2010年達到每年2,000億日元. 

3、雙葉電子 
日本雙葉電子曾於2002年10月成功開發出寸彩色FED面板,并在同一年CEATEC JAPAN 2002展出8項試制品,其顯示色彩數為1,670萬色,亮度為400cd/m2,耗電量為4W,面板厚度僅為2.8mm.在FED的驅動電路模組,則是與村田制作所合作開發.不過此次展出的FED面板還處於研究開發皆段,尚未決定投產日期. 
在2003年2月的NanoTech 2003雙葉電子又展示奈米碳管場發射顯示器,解析度16x16畫素,每個畫素尺寸為4mm x 3 mm,畫素間隙為2mm,亮度可達1.000cd/m2,陰極電壓為200伏特,耗電量為7W. 
2004年7月展示4寸至11寸各類型號全彩FED產品,其中4寸(解析度為240X64畫素)與4.3寸(解析度240X128畫素)產品,特點是亮度高達1.000cd/m2,其他產品規格,5.9QVGA,亮度為800cd/m2,8.0寸WQVGA(解析度480X234畫素),亮度為500cd/m2,11.3寸VGA,亮度為350cd/m2. 
雙葉電子於2004年11月發表FED生產計畫,預計生產11寸左右的車用面板,計畫投其所好資85億日元在生產設備,2006年生產線開始架設,2007年開始量產,預計營收為60億日元. 

4、Sumsung 
Sumsung SDI自1990年中期開始與Sumsung綜合技術院共同開發FED,1997年7月在德國舉行的第12屆國際真空微電子會議,發表一款4.5寸,厚度僅2.2mm,工作電壓800伏特,亮度為350cd/m2,并於2000年開始發出18寸FED樣品.2001年也發表一款單色15寸奈米碳管場發射顯示器,亮度為600cd/m2. 

表3 Canon與Toshiba合資SED公司
公司名稱 SED株式會社
設立日期 2004年10月
事業內容 SED面板的開發、生產、銷售
公司地點 神奈川縣平塚市田村9-22-5
公司代表 代表取締役社長：鵜澤俊一（現Canon取締役SED開發本部長）
資本額 10億5萬日元
股東結構 Canon占50.002%，Toshiba占49.998%
員工人數 約300名（2005年1月）

Sumsung綜合技術院(Sumsung Advanced Institute of Technology)在2004年的FPD International 2004也強調奈米碳管作為電子源的奈米碳管場發射顯示器的優勢,準備於2~3年後大量生產. 

5、LG Electronics 
LG電子於2001年與LG綜合技術院Display研究所進行5~6寸FED的開發.2002年成功開發20寸場發射顯示器,并有將FED商品化的計畫. 

6、工研院電子所 
工研院電子所於2001年8月宣布研發全臺第一片4寸車用奈米碳管廠發射顯示器(CNT-FED),利於奈米碳管的低導通電場、高發射電流密度，以及高穩定性，同時結合FED技術來實現陰極射線管平面化的可能性，保留CRT影響品質，并具有省電與體積小的優點，成為兼具低驅動電壓、高發光效率的大尺寸平面顯示器。 
奈米碳管場發射技術除應用在顯示器上外,工研院電子所在2004年12月也宣布開發完成20寸奈米碳管場發射背光板(20-inch Carbon Nanotube Field Emission Back Light Unit,CNT-BLU),主要應用於大尺寸TFT LCD的背光源.大尺寸TFT LCD背光模組目前仍以冷陰極燈管(CCFL)作為背光源,然而大尺寸(30寸以上)TFT LCD所采用的CCFL長度需要更長,生產上較先前應用在筆記型電腦與監視器用的燈管更為困難,且在畫面均勻性、含汞，以及光學膜成本昂貴等問題，都使得大尺寸TFT LCD背光模組的成本大幅提高，雖然許多廠商已經朝向LED背光模組來發展，不過奈米碳管場發射技術應用於背光模組的發展，具有光源強度均勻、發光效率高、制程簡單等優點，將使得奈米碳管場發射技術多了一個應用方向。 

7、東元奈米應材  
東元集團於2002年與工程院電子所、材料所與化工所簽訂奈米碳管有關材料、至成及產品的合作案，東元將借重工研院在奈米科技的基礎研究，加上東元的商品化開發，發展應用於電視用的奈米碳管顯示器。 
東元集團旗下的東元奈米應材於2002年獲得經濟部科專計畫3000萬元補助，加上東元集團物投資，發展奈米碳管顯示器及其相關材料。除了借重工研院之外，并與臺大、清大、交大、中央、中原等大學進行個別研究專案。 

8、其他 
其他廠商方面，日本三菱電機研發出奈米碳管場發射顯示器，預計於2006年商品化。Motorola的研發部門Motorola Labs於2003年7月宣布已完成奈米碳管場發射顯示器技術，并展示一款15寸樣品，不過Motorola并打算自行設廠生產FED，而計畫將技術專利開放提供給有意發展的廠商。 

美國CANDESCENT Technologyd 加州San Jose建造面積達34萬平方英尺工廠，但因技術與市場需求的緣故，宣布放棄場發射擊隊顯示器的生產計畫，準備將技術授權給其他公司，將從制造商轉型成以智財權為主的公司。 

家電大廠選擇獨特技術以強化競爭力 
在大尺寸薄型電視技術上，液晶電視、電漿電視、背投影電視，以及新興的SED電視，主要家電廠商逐漸認為擁有屬於自己獨特技術才能在激烈的競爭中在成本、畫質與產能上提供足夠的支援，因此在最近日本顯示器廠商的發展出現{選擇與集中}的風潮，如Sharp在六代廠量產之後宣布七代廠的興建，Samsung與LG.Philips LCD也宣布興建七代廠的計畫,而Hitachi則將電漿顯示器制造公司FHP從Fujitsu集團下轉到自己集團之內,并且與松下展開在電漿顯示器在研發、制程、零元件采購上的合作，SONY雖否認退出電漿電視的經營，不過也強調液晶電視與背投電視是主要發展的技術，因此，從這波{選擇與集中}的風潮下，廠商擁有自身獨特的技術才能建立廠商發展的優勢。 

結 論 
場發射顯示器技術目前的發展雖然在主流的液晶顯示器、電漿顯示器，以及有機電鐳射顯示器發展的壓力下，似乎顯得不是那麼地成熟，不過奈米技術在各國政府積極鼓勵發展這下，未來的發展預期將有更多的突破。而在技術上呈現多元發展的顯示器產業，如何在眾多技術的競爭中開拓出屬於自己的一片天空，場發射顯示器技術的未來仍需相關廠商持續努力。