技术突破中的CNT-FED

admin

CNT的直径为几个nm∼几十nm，长度为几个μm∼几十μm ，属于无接缝的圆柱形晶格结构。结构的顶端是由6个五圆环状所形成的闭合式构造。这种仅用碳原子制成的中空型光纤，虽然功率函数为4.8eV左右，但是由于直径比很高，长度／直径比达到了1000左右，所以电场集中系数特别大，在仅有几V/μm的低电场强度下，仍可以得到超过1A/c?高电流密度。除此以外，CNT还具有很多优点，例如，拥有较佳的机械特性，相当高的化学稳定性等等。目前的CNT的制作大多运用雷射蚀刻、电弧放电法、化学气相成长法等等技术来制作，并且根据层数的不同，可以分为单层（SWNT）和多层（MWNT）的CNT结构。最近，由于具有催化作用的金属，其特性和大小都获得不错的进展，因此也陆续被研发出兼具放射特性和活性特性的双重特性的双层CNT（MWNT）的方法。目前CNT的最大问题是如何以高品质化、高纯度化、低价格化、提高良率，生产出低缺陷CNT以及能够量产等等。

一、电场Emission特性与问题

1、电场Emission结构

        一般电场放射型阴极的Emission电流，在施加电压的条件下，可以用包含功率函数和电场集中系数的公式来表示。这里的a和b是常数。因此，上方的局部电子状态密度、气体分子的吸附／脱离、曲率半径等的变化，对CNT的电场放射特性的影响很大。

                                 I/V2＝a exp(-bΦ3/2/βV)
                 I：电流、V：施加电压、Φ：功率函数、β：电场集中系数

2、残留气体对电场Emission造成影响

        面板内的残留气体，对于电场放射的影响，从阴极寿命的方面来看，也是一个相当重要的问题。因为极高的化学稳定性，使得CNT在10（-5）Pa的真空下，可以连续以稳定的状态运作长达100小时，不过，部分研究报告资料显示，在10（-3）Pa的条件下，电场Emission的能力会迅速降低。因此，不同的气体会对Emission能力带来不同的影响，而会使Emission降低的气体包括了CH4，O2，CO，CO2，H2O等等。会造成这样现象的原因，大多都被研究员或学者认为由两个原因所造成，包括由氧引起的Reactant　Ion　Etching （反应性离子蚀刻）以及在碳氢化合物为主体的非晶质层，发生的CNT尖端的放射面被遮盖。针对这些方面的困难，业界期待着在未来，因材料和真空封装技术的改善而降低残留气体对Emission的影响。

3、观察电场Emission的劣化结构

        因为电场Emission的劣化，会严重的影响CNT的寿命。到目前为止，研究人员利用高分解能，所观察出来劣化的原因有焦尔热、离子冲击、静电震动、机械应力、残留气体分子的吸着•反应、放电、剥离等原因。另外，在结构上发现MWNT和DWNT的阴极寿命比SWNT结构更长。因此，包括CNT固有的特性、FED面板的真空度（残留气体分压）、运作条件（阳极电压、放射电流密度）、三极闸电路构造以及阴极使用寿命等等，相关的技术或所衍生出来的问题，都是需要持续进行研发与努力的。

二、现阶段CNT制程技术

1、涂布技术需控制制程温度

        一般情况下，CNT阴极的制作都是使用涂布法。利用电弧放电法等技术所生成的CNT，和有机接合剂混合在一起，形成膏状的材料，之后再在玻璃基板上进行照相印刷（Screen Print）生产出显示面板。在开发FED显示器时，也是CNT在闸极电路内，使用Photo litho Graphic技术来进行选择性涂布。涂布方式目前有三种做法，一、利用照相印刷（Screen Print）、旋转表面涂层法等来进行涂布；二、使用分散剂，在溶剂中让CNT形成分散的悬浮液体，之后再利用喷雾式法进行涂布；三、利用电泳法涂布，在形成CNT薄膜之后，再把CNT薄膜用湿式是干蚀刻的方式制作FED。

2、触媒CVD技术适合大尺寸生产

        因为涂布法的过程相当的繁琐，目前研究单位或业者正在积极的开发利用触媒CVD方式（催化剂CVD法）来代替涂布技术，这个构想是利用触媒CVD方式，使垂直排列的CNT在闸极电路内直接生长。方法是在闸极电路中，用来作为生长触媒关键的（Ni）镀气金属元素，选择性的运用电浆增强化学气相沉积（PE）CVD技术，来生长出CNT结构，再利用照相印刷涂布技术和分散剂，配合触媒CVD技术，就可以形成CNT阴极层。

        目前，就电场Emission特性而言，虽然利用涂布法来生成CNT可获得较佳的特性，但触媒CVD技术也被业界看好，因为对于大尺寸应用而言，具有生产效率较佳的特点，所以，触媒CVD方式所使用的PECVD设备，也正积极的开发中。

3、期待改善CNT FED均匀性及降低电压

        目前CNT FED最重要的问题是如何改善画素内及画素间放射Emission的均匀性和降低驱动所需的电压。采用SWNT和DWNT结构在改善电流的均匀性方面有不错的效果，因为对阀值电压而言，SWNT和DWNT的构造相对是较低的。可以利用活性化处理被涂布面，或者是利用其它生产技术，来有效控制直接生长CNT阴极层放射的密度来达到最合适状态，如雷射照射法等的技术。

        对于减轻驱动电路的负荷来说，有研究人员朝向开发较佳的3极型闸电路结构，来达到降低驱动电压的目标。

三、现阶段实际成品开发情况

        因为CNT的新一代制程技术陆续被开发出来，所以到目前为止，包括三星、NORITAKE、摩托罗拉、LETI以及cDream都已经发表自己所开发的CNT-FED面板。

         三星利用涂布技术生产了15?嫉牟噬?NT-FED显示器。在制程上，三星使用的是电弧放电技术让SWNT形成膏状材料，然后再利用照相印刷（Screen Print）在玻璃基板上涂布材料，进行活性处理。这样所形成的CNT阴极孔径是20μm，在荧光体的部分是使用Y2O2S：Eu（Red），ZnS：Cu.Al（Green），ZnS：Ag.Cl（ Blue）作为三原色的材料，驱动电压分别是阳极电压1KV、闸极电路电压50V。未来，三星将向开发大尺寸双闸极结构的涂布－高电压型FED面板为目标，在6KV、2.5μm/c?的CNT结构下，整体面板辉度可以达到400cd/c?。

         日本NORITAKE发表了一款面积为48×480mm2的彩色FED文字显示器，是利用高温CVD技术来完成的。日本NORITAKE在铁（Fe）合金基板上直接生长MWNT，之后再采用KrF雷射照射完成活性处理。这款显示器的荧光材料使用了Y2O3：Eu（Red），ZnS：Cu.Al（Green），ZnS：Ag（ Blue）作为三色材料，阳极电压为7KV，附上一层铝金属背光，表面覆盖特殊的材料来防止静电，画素尺寸为1×1m?，荧幕整体的辉度高达4000cd/c?。

        摩托罗拉则较早发表了6?嫉牡ド?NT-FED显示器。利用Filament CVD技术，50℃的环境下在玻璃基板上直接生长的MWNT，达到画面具有均匀性的效果。因为是单色显示的原因，所以荧光材料只有绿色，使用的是Y2SiO5：Tb材料，阳极电压为3KV，闸极电压100V，电流密度达到了10mA/c?，荧幕辉度高达1400cd/c?，最出色的是CNT的寿命可达到9000小时以上。最关键的CNT劣化结构已经获得极大的改善。2005年，摩托罗拉利用同样的技术又发表了。