次世代FPD與LSI積體電路技術(shù)發(fā)展分析

新型顯示技術(shù)SED揭密?? 2006-4-19
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關(guān)心大螢幕平板顯示技術(shù)的讀者朋友最近一段時間來可能會經(jīng)常聽說一種新的顯示技術(shù)--SED，并且聽到的都是叫好聲。更有極端一些的看法認為SED的出現(xiàn)將判處PDP和LCD的死刑。SED究竟是怎樣的一種技術(shù)，它真的有那麼神奇，可以獨霸市場嗎？

SED的構(gòu)造及其優(yōu)勢
SED的全稱是"Surface-conduction Electron-emitter Display"，譯成中文就是"表面?zhèn)鲗?a target='_blank' class='arckwlink_none'>電子發(fā)射顯示器"。圖1是SED的結(jié)構(gòu)示意圖：
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圖1? SED顯示器件原理圖。右下部分是單個圖元的結(jié)構(gòu)示意圖。

前玻璃基板上涂有紅、綠、藍三色螢光粉，并作為陽極相對後玻璃基板加有幾千伏的高壓。通過絲網(wǎng)印刷法在後玻璃基板上制作對應每個圖元的金屬電極，并用噴墨印刷的方法在金屬電極間制作氧化鈀薄膜電子發(fā)射陰極。上圖右下角就是單個圖元的示意圖。生成了氧化鈀膜的金屬電極間距只有4-6個納米，當金屬電極間加上10幾伏的電壓後，極間將形成超高電場，氧化鈀膜中的電子會被牽引出來，形成電子發(fā)射。由於金屬電極是沿著同一塊玻璃基板排列，所以剛發(fā)射出來的電子是在玻璃基板表面?zhèn)鲗У?，這是這種器件被命名為表面?zhèn)鲗щ娮影l(fā)射顯示器的原因，這也是SED與其它的場致發(fā)射顯示器（FED）的區(qū)別所在。

發(fā)射出來的電子傳導到另一電極的表面時，會有一部分電子被彈性散射到兩玻璃基板之間的空間中去，這時前玻璃基板上所加的陽極高壓將對這些電子加速，并使之快速撞擊到前玻璃基板所涂敷的螢光粉上以發(fā)出可見光。這樣SED的發(fā)光原理用一句話來說明就是高速電子撞擊螢光粉發(fā)光，這與普通電視顯像管（CRT）的原理是一樣的，只是電子發(fā)射陰極不同而已。我們知道CRT是目前電視用的所有顯示器件中綜合畫質(zhì)最出色的，SED自然也繼承了CRT的優(yōu)良品質(zhì)，再加上東芝和佳能宣稱其制造成本只有PDP和LCD的二分之一到三分之一，也就不難理解有些人會認為SED的出現(xiàn)宣判了PDP和LCD的死刑。

SED的優(yōu)良特性主要表現(xiàn)在：
（1）由電子撞擊螢光粉發(fā)光，屬於自發(fā)光器件，不存在液晶顯示的可視角不夠和回應時間過長的問題；
（2）發(fā)光完全可控，不存在液晶顯示的背光泄漏或等離子顯示的預放電問題，黑色表現(xiàn)力大大提高；
（3）發(fā)光效率可達5lm/W，使其耗電量只有目前同規(guī)格的等離子和液晶顯示器的一半；
（4）由於采用與普通電視顯像管同樣的高壓螢光粉，可以達到優(yōu)於PDP和LCD的色彩飽和度及銳利的圖像；
（5）器件基本上是平面結(jié)構(gòu)，可以完全采用印刷工藝生產(chǎn)，使生產(chǎn)成本可以做到大大低於PDP和LCD。

從FED的命運看SED可能碰到的問題
那麼SED真是完美的顯示器件嗎？可能影響其發(fā)展的因素有哪些？我們知道SED只是場致發(fā)射顯示器（FED）的一種，圖2是薄膜電子發(fā)射陰極型FED的示意圖：

?圖2? 薄膜發(fā)射陰極型FED顯示器件原理圖

可以看到其與SED的唯一區(qū)別就是起牽引電子作用的柵極并不是與電子發(fā)射陰極平行排列在下玻璃基板上，而是制作在電子發(fā)射陰極和陽極（上玻璃基板）之間，因此僅僅是電極制作工藝的區(qū)別。

FED從上世紀90年代初做出實用化的樣機，到90年代中期實現(xiàn)商業(yè)化，已經(jīng)過去了十幾年，至今我們也沒有看到其對顯示工業(yè)產(chǎn)生多大的影響。除了前期受到陰極和柵極的制造工藝的困擾之外，還有如下的問題需要解決：
（1）為了不影響電子的發(fā)射和運行，F(xiàn)ED的內(nèi)部為超高真空狀態(tài)，其表面要承受超過每平方米10噸的壓力，內(nèi)部的支撐問題需要解決。這也決定了FED的尺寸不可能做的太大，由此我們也理解了為什麼CRT會如此笨重，且其極限尺寸只能達到45"；
（2）高速電子打到螢光粉後會把其內(nèi)部吸附的氣體解吸出來，造成真空度降低。因此FED的壽命與真空保持問題緊緊地聯(lián)系在了一起；這些問題同樣也是SED需要解決的。
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雖然SED的制造成本要低於LCD和PDP，但是總成本里面還應該加入研發(fā)成本。從佳能1986年研究陰極發(fā)射開始算起，已經(jīng)連續(xù)投入20年了，這應該是一筆不小的數(shù)字。按照佳能和東芝的計畫，SED真正量產(chǎn)要到2007年，到那時候LCD和PDP廠家可能不但已經(jīng)賺回了研發(fā)費用，連生產(chǎn)線的折舊費都已經(jīng)回來了。所以SED在一開始時價格上可能并不占優(yōu)勢，這也是為什麼FED業(yè)界把自己的產(chǎn)品尺寸定在30"~40"之間，這是因為兩年前這是LCD和PDP間的空檔?，F(xiàn)在的形勢已經(jīng)完全不同，這已經(jīng)成了LCD的主攻戰(zhàn)場。PDP還可以向50"、60"退守，而SED則必須與LCD在這里死拼。考慮到LCD的產(chǎn)品線長度，以及資本投入的密集度，到時候肯定有一場血淋淋的戰(zhàn)斗。所以SED還遠沒有到歡呼的時候，其前路可以說是任重而道遠。

次世代FPD與LSI積體電路技術(shù)發(fā)展趨勢?? 2005-5-16
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為掌握市場先機，科技大廠已經(jīng)開始針對次世代科技進行研發(fā)布局；本文計畫深入探討FPD、LSI積體電路、奈米科技、微型發(fā)電元件、無光罩半導體制程等幾項次世代高科技的未來演進，以提供產(chǎn)業(yè)界參考。礙於篇幅，本期將先介紹次世代FPD與LSI積體電路技術(shù)發(fā)展趨勢。
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進入2005年不久，各大科技廠商紛紛針對次世代高科技的未來革新趨勢進行預測與評估，具體內(nèi)容包括平面顯示器（Flat Panel Display；FPD）、LSI積體電路、奈米科技（nano）、可攜式電子產(chǎn)品的電源，以及無光罩半導體制程等等。雖然這些科技看似非常識性，卻可預期是未來十年各科技廠商主要獲利來源，因此如何在既有基礎(chǔ)上建立獨自的核心技術(shù)，同時開拓新的應用領(lǐng)域，成為全球關(guān)注的焦點。
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本文計畫深入探討FPD、LSI積體電路、奈米科技、微型發(fā)電元件、無光罩半導體制程等幾項次世代高科技的未來演進，以提供產(chǎn)業(yè)界參考。礙於篇幅，本期將先介紹次世代FPD與LSI積體電路技術(shù)發(fā)展趨勢。
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次世代FPD技術(shù)
所謂的平面顯示器包含電子紙在內(nèi)，舉凡液晶顯示器、等離子顯示器、有機/無機顯示器都是其范疇，而融入生活空間、高臨場感、取代紙張則是平面顯示器的終極訴求。一般認為2010年以後可實現(xiàn)上述三大目標的次世代新技術(shù)將主導顯示器產(chǎn)業(yè)，如（圖一）。由於上述新技術(shù)大多仍處於基礎(chǔ)研究階段，距離實用化還有許多問題有待克服，基本上能率先突破技術(shù)障礙，基本上未來在市場上就有機會獲得絕對優(yōu)勢。

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▲圖一：次世代平面顯示器三大主軸
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融入生活空間
有關(guān)第一項融入生活空間，以飛利浦（Philips）的"人工智慧"構(gòu)想最具代表性，亦即平時空間內(nèi)并無任何顯示器形體，欲觀賞影像時空間才會顯示影像；該公司在2003年11月推出的"Mirror Display"就是該構(gòu)想的雛形產(chǎn)品。該顯示器具體結(jié)構(gòu)是一旦停止觀賞影像時，顯示器就變成一片毫不起眼的鏡子，通過此方式淡化顯示器形體的刻板印象。芬蘭FogScreen Inc的"Fog Screen"，與美國IO2 Technology的"Heliodisplay"則是在自然空間顯示影像；如（圖二）、（圖三）。

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▲圖二：利用水粒子銀幕顯示影像

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▲圖三：利用空氣膜層銀幕顯示影像
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Fog Screen是用水粒子在自由空間制作透明的銀幕，再將影像投射至該銀幕。2003年8月推出的實驗機型，可在自由空間制作寬2公尺、高1.5公尺的水粒子透明銀幕，再利用投影機投射影像。如果水粒子單純噴霧，氣流會四處流竄造成影像嚴重晃動，因此必需控制噴霧器的氣流，使水粒子能夠呈平板狀擴散。（圖四）是日本湘南工科大學提出的水粒子銀幕構(gòu)想，該銀幕可以顯示動態(tài)全像（Hologram）影像。2003年8月美國IO2 Technology發(fā)表的"Heliodisplay"雖然未公布詳細結(jié)構(gòu)，不過將影像投射至極薄的空氣層，基本動作原理則與Fog Screen的構(gòu)想完全相同。

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▲圖四：利用水粒子銀幕顯示影像的動作原理
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高臨場感
有關(guān)第二項高臨場感，是指將影像如同肉眼觀察到的景物般的再生，它并不是單純的深淺層次立體感的影像顯示，而是從側(cè)面觀賞物體時也能看到物體側(cè)面，而且視角與視域都非常寬廣，眼睛也不會有疲倦感。實現(xiàn)以上目標的具體方法分別有"視網(wǎng)膜直接掃描方式"與"空間影像再生方式"兩種。
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其中美國Microvision直接將影像寫入視網(wǎng)膜的視網(wǎng)膜掃描方式已在2002年商品化，具體動作原理是根據(jù)影像信號使低功率雷射點滅，接著利用微機電技術(shù)（Electro Mechanical Systems；MEMS）制成的微鏡片將雷射反射至視網(wǎng)膜，由於微鏡片以一定傾角高速在視網(wǎng)膜掃描雷射光，因此觀賞者可以獲得前所未有的高臨場感，該顯示器整體重量約510～765公克，如（圖五），預定2004年推出輕量化次世代產(chǎn)品，同時還計畫增加上下17度、左右23度的畫角，并開發(fā)可隨著眼睛移動改變掃描影像的新技術(shù)，試圖以此建構(gòu)高解析、高臨場感影像掃描系統(tǒng)。
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空間影像再生方式是則利用物體反射的照明光線直接再生，使物體有如矗立在眼前般的高臨場感。光線再生方法則可分為"Integral Photographer"，與利用干涉紋記錄、再生光線資訊的「Holography」等兩種。"Integral Photographer方式"是利用復數(shù)小型相機從各角度拍攝影像，再將上述成影像的光線重合再生。日本NHK曾在99年利用Integral Photographer的影像與進行即時再生測試，影像再生時使用TFT液晶面板，因此只能獲得解析度為160×117的立體影像，與50cm的視域直徑，NHK計畫未來將解析度提高5倍，視域直徑為1m，屆時目前的顯示器與相機必需從4000×2000解析極限再提高10倍以上。
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此外NHK同時在2001年利用Holography方式將雷射光，照射記錄有干涉紋的液晶device，使Holography作電子化再生，徹底解決傳統(tǒng)Holography無法顯示動畫的困擾，該試作機的視域為6.5cm非狹窄，因此兩眼只能勉強觀賞立體影像，液晶device有效畫面尺寸為1.7寸，圖元間距為10μm，解析為3840×2048，根據(jù)NHK表示圖元間距若能微小到1μm，視域可以輕易擴大10倍以上。

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▲圖五：視網(wǎng)膜掃描顯示器的外觀
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電子紙
有關(guān)第三項電子紙，最終目的是兼具易讀性與任意改寫等紙張?zhí)蒯?，同時還可以顯示動畫，雖然已經(jīng)有廠商推出由膽固醇液晶方式與電氣泳動方式構(gòu)成的電子紙，不過這兩種型式的電子紙反應時間都非常慢，只有100ms，因此未來必需設(shè)法提高改寫時間與動畫顯示；相較之下利用著色粉體移動特性，顯示畫面的"粉體移動方式"，與利固體介面濕潤性變化特性，顯示畫面的"Electro wetting方式"高速電子紙技術(shù)則備受囑目。