奈米碳管場發射顯示器
93/10/06
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楊素華｜
高雄應用科技大學
藍慶忠｜
高雄應用科技大學電子工程系
極具競爭力的平面顯示器技術
一八九七年發明的映像管，在二次世界大戰時，已廣泛使用在軍事的電子裝置和雷達系統上。由於映像管具有畫質優良和價格低廉的特點，長久以來一直被採用為電視和電腦的顯示器，且維持其不可替代的地位。
然而，自一九九○年代後，由於製造技術大幅提升，造就了新世代顯示器的崛起，例如液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）、電漿顯示器（plasma display panel, PDP）、有機電激發光顯示器（organic electroluminescence display, OELD）、場發射顯示器（field emission display, FED）等，這使得傳統映像管顯示器受到相當大的挑戰。
目前在市面上較為廣泛流通的液晶顯示器和電漿顯示器，均受到一般大眾的喜愛，但是價格上卻普遍偏高，所以暫時還未能動搖映像管顯示器在一般家庭裡的地位。根據報導指出，一般人每天會看數十種以上具有顯示器的3C產品，包括電腦螢幕、電子鬧鐘、電子表、數位相機、手機、電視或個人數位助理（personal digital assistant, PDA）等，可見顯示器技術應用在現代日常生活產品中的重要性。
場發射顯示器技術
新世代顯示器相較於傳統映像管顯示器有個很重要的特色，就是它們是平面顯示器（flat panel display, FPD），重量輕、體積小是它們的優點。傳統的映像管顯示器雖有高亮度及大視角等優點，但其厚重的本體非常不便於任意移動，而目前液晶顯示器雖然是市場的主流，但其視角、亮度、功率消耗的特性還需進一步改善。
平面顯示器中結合了映像管顯示器與液晶顯示器優點的當屬場發射顯示器。場發射顯示器的技術自法國LETI組織在第四屆國際真空電子會議發表以來，受到全球顯示器業界的矚目。場發射顯示器的工作原理類似傳統陰極映像管，都是在真空中發射電子撞擊塗布在面板上的螢光體而發光。
然而，在構造上，陰極映像管是由單一電子槍發射電子束，透過偏向板進而控制電子束的方向。場發射顯示器則是由數十萬個尖端所構成的電子發射子，利用尖端放電原理而工作，不須使用偏向板的設計。在工作電壓方面，陰極映像管顯示器所需電壓約在15～30千伏特左右，場發射顯示器的陰極工作電壓則小於一千伏特。因為場發射顯示器結合了映像管顯示器與液晶顯示器的優點，而成為未來極具競爭力的顯示器技術之一。
場發射原理
場發射量子理論：在未外加電場的情形下，金屬內的電子必須具備足夠的能量，才有機會越過位能障到達真空側，但是當我們外加一電場時，會造成能帶彎曲，電子不需要很大的能量便可穿透位能障而到達真空側。當電場越大，電子所需穿透的位能障也會相對變小，而所得到的電流則會增強，這就是場發射顯示器的電子穿透基本原理。簡單來說，場發射就是導體中的電子在高電場作用下，從導體穿透表面能障至真空中的放射過程，一九二八年 R.H.Fowler 和 L. W.Nordheim 根據量子力學的理論推導出了場發射電流與外加電壓的關係。
由於電場的強弱直接影響場發射的電流大小，因此想要獲得足夠電流的話，就要增加金屬與真空接面之間的電場，如此一來勢必要增加元件的操作電壓，這與我們當初所希望的低壓操作背道而馳。
為了解決此一問題，根據電磁理論得知，若一物體呈尖端狀，則在尖端處會有較多電荷累積，亦即尖端處有較高的電場，所以把場發射顯示器的電子發射子設計成尖端結構，這樣一來我們便可在不須外加高電壓的情形下獲得較強的電場。利用發射子所放射的電子撞擊塗布在面板上的螢光體而發光，這就是場發射顯示器的發光原理。
場發射顯示器的基本結構
場發射顯示器的基本結構大致上是由陽極板（螢光板）、陰極板（尖端底板）和隔離器所組成的，兩片平板中間是真空狀態。最早實現的場發射顯示技術是由 C. A. Spindt 所達成，元件的結構是利用半導體薄膜製程，在玻璃基板上製作出二維分布的場發射陣列，為了提高場發射電流的密度，在每個像素中排列數以千計的發射尖端，這些發射尖端的材料一般是以鉬金屬為主，但是它的陣列特性卻限制了顯示器的尺寸，因為它的結構是在每一個陣列單元上包含一個圓孔，圓孔內含一個金屬錐。
這種結構的大小受在基材上製作圓孔所需的微影技術與製作金屬錐的蒸鍍技術的限制，因而嚴重地限制了顯示器成品的大小。此外，Spindt 型場發射子的尖端也容易因為損耗而降低壽命，因此有新材料與新製程技術的產生。目前極為熱門的場發射顯示器是奈米碳管場發射顯示器（carbon nanotube－field emission display, CNT－FED），它是把傳統電子發射子改以奈米碳管製作而成。
奈米碳管是日本飯島澄男教授在一九九一年以穿透式電子顯微鏡觀察碳的團簇時意外發現的。依據不同的成長方式，奈米碳管的型態一般可分為直徑是數個奈米的單層奈米碳管，及直徑是數十個奈米的多層奈米碳管，這兩者的管壁厚度均僅數個奈米。由於碳原子在奈米碳管中的排列結構不同，可得具半導體或導體特性的奈米碳管，這讓它不僅可使用在場發射顯示器，更可應用在儲氫材料、生物醫學、電晶體等方面。
至於奈米碳管的製程則包括了電弧放電、雷射蒸發／剝離、化學氣相沉積、氣相成長、電解及火焰生成法等數種，但大多是以化學氣相沉積法的技術來完成。製造時，先在基材上形成一層用作觸媒的金屬線路薄膜，然後使多層奈米碳管在金屬線路上再形成一層薄膜。
基材的選擇方面大體而言都是以矽或玻璃材料為主，單獨或混合使用鐵、鈷、鎳為觸媒。碳原子來源則採用乙炔，另混合氨氣或氫氣。成長溫度控制在攝氏650 ～950度之間，再加以微波、電場、電漿或熱絲做輔助沉積。
至於成長機制方面，當烴分子持續分解在觸媒顆粒表面較熱的一面，碳原子經由擴散進入觸媒顆粒，導致在觸媒顆粒中的碳濃度產生過飽和而從較冷的表面區域析出，繼而持續抽出成長。由於合成條件的差異，而會有尖端成長或底部成長等不同的成長模式。
對塗布在陽極板的螢光粉的選取則有SrGa2S4:Eu（綠）、Y2SiO5:Tb（綠）、ZnS:（Cu，Al）（綠）、Y2SiO5:Ce（藍）、ZnS:Ag（藍）、Y2O3:Eu（紅）、Y2O2S:Eu（紅）等，皆具有穩定的發光特性。
發展潛力
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三星電子投入較早亦較具技術優勢。日經研究所指出，新力、日立、富士寫真、佳能、松下、東芝、Nikon 以及日本電氣公司等日本大型科技業者都已提出與奈米技術相關的專利申請。其中，又以奈米碳管為其主要的研發項目。足見奈米技術結合顯示器的重要性與發展性。
根據日本經濟產業省的統計與預測，二○一○年大型顯示器市場產值可望達到九千至兩兆七千億日圓，屆時場發射顯示器可望與電漿顯示器一爭長短，競逐顯示器市場的主流地位。
目前，較為成熟的場發射器技術大約是介於5～7英寸的小面板，多用於汽車的顯示儀表板，並有單色與多彩色等種類。至於大面積場發射顯示器顯示面板的實現首推日本伊勢電子，該公司使用化學氣相沉積法成功地製作出14.5英寸的彩色奈米碳管場發射顯示器，其亮度高達一萬燭光／平方公尺，是首次在14.5英寸的大畫面奈米碳管場發射顯示器中達到如此高的亮度。他們並在二○○二年闡述以此14.5英寸的製造技術為基礎，預計在二○○四年試做出40英寸的大面板奈米碳管場發射顯示器。
除了伊勢電子以外，韓國三星和日本電氣公司也發表了奈米碳管場發射顯示器的試製品。三星發表的是單色、六百燭光／平方公尺的低亮度15英寸奈米碳管場發射顯示器，並宣布將在二○○四年投產可用在電視機上的32英寸奈米碳管場發射顯示器。至於日本電氣公司則試製出了30 × 30像素的奈米碳管場發射顯示器，儘管尺寸不大，但卻成功實現了一百伏特以下的低電壓驅動。
場發射顯示器兼具傳統映像管顯示器與液晶顯示器的優點，並可克服強光、高溫等使用環境，且無視角的限制和無需背光源的顯示特性，其發展潛力令人期待。然而對陰極板的尖端發射子材料，目前仍有很大的研究空間。由於奈米碳管售價相當昂貴，且需要控制或調整的製程條件與參數非常多而繁複，大量實驗所耗費的金錢與人力也十分可觀，迫切需要你我、政府研究機構與人員的積極合作與投入，才能創造未來顯示器的理想願景。
