场发射显示器(FED)用荧光粉及其研究新进展

2009-12-02 王晓君华东师范大学纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心

　　场发射显示器（FED）是近几年新发展起来的一种平板显示器，属于低电压冷阴极发射，这种特殊的发射特点赋予FED 许多不同于其他平板显示器的优异性能：工作电压低（200～5000V）、功耗小、亮度高、薄、体积小、重量轻、稳定性好、寿命长、响应速度快、全彩显示、无视角限制和对环境的兼容性好等。

　　本文首先简要介绍了FED 的发展历史、研究现状和工作原理，然后针对其特殊的低电压、大电流密度的激特点对其所使用荧光粉提出了一系列性能要求，在此基础上，对FED 用荧光粉的研究现状进行了分析，最后对未来新型高性能FED 用荧光粉的研究提出了一些建议和展望。

1. 引言

　　随着高度信息化社会的不断发展，具有传递通讯、视觉信息功能的显示器的用途不断扩大，重要性也越发明显。在这之中作为新型显示器之一的场发射显示器件（FED），由于它具有工作电压低（200～5000V）、功耗小、亮度高、薄、体积小、重量轻、稳定性好、寿命长、响应速度快、全彩显示、无视角限制和对环境的兼容性好等优良性能，所以是极具竞争力的新一代显示器。可以认为FED 是继承CRT 的优点而又顺应新型平板显示发展趋势的最可能方案之一。FED 的研究不仅可以使人们获得一种高质量的显示手段，而且对当今规模庞大的阴极射线显示产业的更新换代有重要的意义^[1]。

　　当今平板显示的种类很多，但各有各的应用范围。如：液晶显示（LCD）主要应用于30英寸以下的显示（监视器和电视），等离子体平板显示（PDP）主要应用于40～60 英寸的壁挂电视，将来的FED 显示主要应用在20～40 英寸范围内，发光二极管（LED）显示则主要应用于公众场合的字符显示和超大屏幕图像显示等。显示手段的多样性正好可以适应客观世界的各种需求。

　　FED 这种新发展起来的平板显示器，其工作原理与传统的CRT 相似，即通过电子束轰击显示屏上的荧光粉而成像。但其在结构和材料上与CRT 技术又存在着不同：FED 是通过场发射阴极阵列（FEA）上的大量微阴极发射的电子束直接轰击荧光粉产生发光效应，而CRT 阴极发射的电子必须经过偏转线圈的作用才能在荧光屏上扫描成像，因此，和CRT 的高压热电子束发射不同，FED 属于低电压冷阴极发射。这种特殊的发射特点赋予FED 许多不同于其他平板显示器的上述优异性能，因此，FED 是一种非常有前途的大屏幕显示新技术。

场发射显示器件的原理图

　　图1 给出了场发射显示器件的原理图。图示的是一个显示单元，它包括阴极、阳极和隔离柱三部分。由于图中所示的仅仅是一个显示单元，所以未画出隔离柱。自1985 年第一台FED 样机诞生以来，经过近20几年的发展，FED 的研制有了很大的进步。制备优良FED性能的关键，一是FEA 的设计与制备，另一个是高性能荧光粉的开发。近年来，人们发现碳纳米管（CNT）具有电子逸出功低、工作电压低、发射束流大、发射特性稳定、化学性能稳定、使用寿命长、可靠性高等优良的场发射性能，被认为是最理想的冷阴极场发射体，成为国内外FED 阴极研究的热点。CNT-FED 模块的制备工艺相对简单，不需要复杂的半导体工艺，可采用印刷法制备CNT 阴极（纳米碳管材料国内早以实现批量生产），器件沿用真空荧光显示管（VFD）的工艺，投资和生产成本远远降低，因此， CNT-FED 模块是一种理想的大屏幕拼接元器件。在该技术的研究与产业化进程中，日本处于领先地位。2000年日本ISE 电子首次成功开发了亮度超过10000cd/m²的单色像素管。2003 年日本DiaLight开发成功了一款采用纳米碳管的场发射型高亮度背光源，实现了15 万cd/m² 的超高亮度。

　　除可作为电视机和手机的背光源使用外，还可用作特殊光源。日本Futuba 在2005 也成功开发了16×16 纳米碳管单色显示模块，像素的尺寸为6mm×6mm，亮度可以达到1800cd/m² 左右，耗电量为3.8W，并已成功用于大屏幕拼接显示。华东师范大学纳光电集成与先进装备教育部工程中心长期从事纳米碳基场致发射材料与器件的研究开发，05 年与国际同步开发了16×16 阵列的CNT-FED 单色显示模块，性能接近国际先进水平；06 年对CNT-FED 单色模块的批量制备技术开展系统研究并已实现基于CNT-FED 单色模块的40 英寸拼接显示样屏，可以实现动态字符图形显示。要进一步发挥CNT 大屏幕的优势必然要求实现全彩显示。

　　目前实现全彩显示的关键是高性能三基色荧光粉的开发。

2. FED 用荧光粉的性能要求

　　由于FED的原理和CRT类似，是通过电子束轰击显示屏上的荧光粉而发光的，所以目前大部分FED用荧光粉是借鉴传统的CRT 用荧光粉类型，并对其加以改进。但是FED 的工作条件和CRT 又有很大的区别， CRT的工作电压高，为15-30kV，而FED的工作电压相对较低，为200V-5kV，所以为了获得其在亮度、视角、响应时间、工作温度范围、能耗等方面的潜在优势，对荧光粉的亮度、发光颜色、发光亮度饱和性、导电性、稳定性、寿命、发光效率和形貌特征等具有一系列要求。

2.1 发光亮度

　　发光强度是表征光源（物体）发光能力大小的物理量。光源在某一特定方向上单位立体角内（每球面度）辐射的光通量，称为光源在该方向上的发光强度（又称光通的空间密度）；其符号为I，单位为坎德拉每平方米（cd/m²）。发光强度是评定荧光粉发光性能好坏的一个重要指标，也是影响FED 器件性能的一个重要因素。FED在室内光照条件下使用时，由红、蓝、绿三种荧光材料发出的光混合而成的白光亮度应大雨室内光照白光亮度，即大于～300cd/m²。原则上，在相同激发条件下，荧光材料的发光强度越高越好。

2.2 发光效率

　　研究表明，当高压CRT 用荧光粉用于低压FED 器件时，荧光粉发光效率的降低与电子束在荧光粉中穿透深度的降低有关^[8]。F. Charles 研究表明，当带电粒子与物质发生作用时，电子穿透深度与作用物质之间存在着如下关系[9]：

　　R = 250(A/ρ)(E / Z^1/2 )n 　(1)

　　n =1.2/(1-0.29lg Z) 　(2)

　　其中ρ为荧光粉的密度，R为电子的穿透深度，A为荧光粉的分子重量，Z为分子的电子数，E为电子的能量。该关系式适用于电子能量为1～10keV 的范围。从上述式（1）和（2）可以看出，电子束的穿透深度与电子能量的n（n>1.2）次方成正比，与材料的密度ρ和分子电子数Z 的n/2 次方成反比，因此，电子束的能量越大，材料的密度和电子分子数越小，在荧光粉中的穿透越深，发光越强。在设计低压FED 用荧光粉时，应选择低密度和电子分子数相对较小的化合物。