FED顯示技術及其制作工藝探究

王惠

【摘 要】眾所周知，顯示技術是指利用電子技術提供變換靈活的視覺信息的技術。至今，大家已熟知CRT、LCD、PDP、OLED（含AMOLED）、激光、投影顯示等。基于不同的物理原理隨之誕生了不同的顯示器件。有源顯示器件是器件自身發光；無源顯示器件是靠外部光源的照射而實現顯示。FED（Field Emission Display），即場致發射顯示器，屬於自發光顯示器件，它在功耗、對比度、畫質等不同參數對比項目中甚至優于LCD或PDP，本文重點介紹這種顯示技術原理及其制作工藝。

【關鍵詞】FED；工藝流程；陰極；陽極

1 FED的技術原理

場致電子發射又稱為冷電子發射，簡單概括為在陰極表面加一個強電場，此外不需要任何附加能量，陰極內的電子在該強電場作用下具備足夠能量后從表面逸出，形成電子發射。其一個重要應用就是FED（field emission display，場致電子發射顯示器）。其原理是強電場迫使電子從發射陰極（cathode emitter）材料的尖端釋放，電子在陽極電場加速后轟擊屏幕上的熒光粉，激發熒光粉而發光，每一個熒光點后面有成千上萬個極小的電子發射器，FED依靠場發射技術實現電子發射源，不用熱能，取代了CRT顯像管中的熱電子槍，場發射電子束的能量分布范圍比傳統熱電子束更窄而且具有較高的亮度，可用此技術實現設計和制作平面顯示器。

2 FED顯示的優點及發射形式

FED具有高發光效率、動態響應快與彩色良好等優點，無需背光源、濾光膜、偏光片或其他光學薄膜等成像輔助器件，故FED的結構比LCD簡單，響應速度更快，視角更大，對環境溫度要求不像LCD那樣嚴格。其優點如下：1）可減少背光模組之耗能，可達到大於20000：1的高對比度。2）FED利用螢光粉的自發光性，視角寬，在大視角下依然能維持高色彩品質。3）操作溫度范圍大，高耐環境性。4）可表現高色純度與色再現性。5）可節省熱發射的加熱功耗，因此電力消耗低，發光效率高。

FED場致電子發射的形式大體上可分為以下三種：尖端外場致電子發射；介質薄膜（介質涂層）內場電子發射；碳納米管場致電子發射。

3 FED顯示器件制作工藝流程

FED顯示面板基本結構如圖1，在三極型FED中，柵極電壓產生的電場決定了陰極電子發射的強弱，均勻性主要受以下因素影響（直接影響畫質及分辨率）：陰極與柵極之間的間距，柵孔直徑，陰極材料等方面，熒光粉的均勻制作等。

圖1 三極型FED結構示意圖

FED 顯示器件的制作結點在于陰極板和熒光粉板的對合、老練。陰極板的工藝流程為：陰極電極→介質層→柵極電極→旋轉制作過渡層→微錐尖制作（難點）。熒光粉板的工藝流程為：黑條→熒光粉。

理想的場制發射器件具有以下結構：

（1）很細的微錐尖；（2）陰極材料具有低的功函數，有利于電子發射；（3）陰極材料熔點高能經受高溫考驗；（4）小的柵極開口有利于增加電場強度；（5）致密的介質層防止電極之間的漏電或擊穿。

3.1 FED陰極板制作

FED陰極板制作包括了基板玻璃的選擇和清洗工藝、陰極板上的電極制造工藝、鍍膜工藝、陰極制造工藝。

（1）微錐尖（Nano-Spindt），其結構采用了新型的技術來制備（基于薄膜技術與半導體微加工技術制備而成），采用鍍膜、蝕刻法；（2）基板，承載薄膜和漿料及隔絕空氣。故要求光滑且強度一定、并應對熱膨脹、承受一定的壓強，通常選擇高拐點玻璃；（3）隔離子的配置以及在兩個基板上的位置都需要優化，以防顯示屏發生形變；（4）排氣孔，用于抽出屏內的空氣。

其中電極制造工藝為鍍膜、印刷、腐蝕三個過程。鍍膜工藝包括鍍金屬膜和鍍絕緣膜。

3.2 FED陽極板制作

熒光粉板由基板、陽極和熒光粉層組成，能產生可見光。熒光粉板使用的基板與陰極板相同，FED使用的熒光粉是電子激發型，柵極和陽極的距離盡量短以聚焦。由于陽極電壓較高（高達數萬伏特），陽極與柵極的距離要足夠大以免發生擊穿現象。

（1）黑條：蒸鍍黑色材料，利用光刻蝕工藝制成黑色條框，用于提高對比度，限定熒光粉相互混色；（2）R、G和B熒光粉：分別印刷具有感光性的某一種顏色熒光粉漿料，然后曝光（非接觸方式）顯影，去除另外兩種顏色粉位置上的熒光粉；（3）陽極：在熒光粉層上蒸鍍一層金屬Cr，再蒸鍍一層C，最后蒸鍍一層鋁膜形成陽極，該電極使用公共電極的方式引出。

3.3 FED隔離子（支撐柱）制作

隔離子主要保證陰極板和熒光粉板兩板間距均勻，起支撐隔離作用，一般為陶瓷材料，其高度決定柵、陽兩極之間距離。FED這種高真空器件，隔離子支撐基板防止大氣壓使基板變形或破碎，因此，隔離子材料須滿足高真空和耐壓縮的要求。隔離子的寬度只有數十微米，由于隔離子部位不能發光，太寬也會減少發光區域，隔離子的高度也通常小到um級，陽壓越高，隔離子高度就相應增加，顯示器的發光效率也就提高；幾百伏--數萬伏特陽壓需要100um--1000um的隔離子就能滿足柵陽不被擊穿的要求，而高的柵陽間距會造成電子束散開，轟擊到熒光粉的電子斑也相應增大。隔離子必須有很高的高度與寬度比值。一般的制作工藝為絲網印刷和噴砂法。

3.4 FED顯示屏的封接及除氣工藝

主要工藝流程為：除氣→封接框制作→玻璃打孔→對合→封接→抽真空→烤消除氣。在陰極玻璃基片上先接好排氣管，并在陰極發射面上放隔離子，且行列間距必須符合一定放置規則。在即將對合的陰、陽極基板玻璃的四個周邊涂覆滿只具有低熔點的玻璃漿料，并將電極引線留出，將這個兩基板玻璃整體進行干燥工藝后實施對合，再進封接室里加熱封接。下一步抽真空，針對封接屏進行抽氣封離；為保證屏內的陰極電子發射的穩定性，通常封離條件為1×10-4Pa真空，之后再進行烤消除氣，到此完成整個除氣過程。

3.5 FED顯示屏的測試及老練

類似于PDP顯示屏的制作，封接好的FED顯示屏還必須經過測試及老煉工藝，這也是一般制屏工藝的最后一道工序。測試是指將封接好的屏安置在測試工裝上，接通測試電路，看它的整體性能，一般還會輸入幾個測試信號，看該屏是否顯示出理想的圖像，之后根據測試結果對屏的相關工藝進行調整和改進。老煉是將除氣后的FED顯示屏再經必要的電氣處理，使之達標，其作用是充分激活陰極，穩定發射，對屏內電極進一步除氣，提高電極間絕緣強度，以達到穩定FED的電氣和高頻性能。

4 總結

綜上，對FED顯示技術的基本原理和特點以及制作工藝已有一定介紹，在高度信息化和技術突飛猛進的時代變革中，望在顯示技術領域中能更加深入的研究場致電子發射顯示器FED的驅動技術、發射電子源新材料、新工藝，探索FED顯示系統深層結構、開辟相關材料的創新應用，這些將無疑對顯示技術的發展和進步是具有一定貢獻和作用的。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]