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?zāi)黄桨屣@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(rèn)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?dǎo)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(lán)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(yīng)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(dāng)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?dǎo)的，這是這種器件被命名為表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(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(dǎo)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(rèn)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(yīng)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(yù)放電問題，黑色表現(xiàn)力大大提高；
（3）發(fā)光效率可達(dá)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(dá)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(jì)90年代初做出實用化的樣機(jī)，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(dá)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(yīng)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(yīng)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(yuǎn)沒有到歡呼的時候，其前路可以說是任重而道遠(yuǎn)。

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(jī)，科技大廠已經(jīng)開始針對次世代科技進(jìn)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(dǎo)體制程等幾項次世代高科技的未來演進(jìn)，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(jìn)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(jìn)行預(yù)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(dǎo)體制程等等。雖然這些科技看似非常識性，卻可預(yù)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(yīng)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(dǎo)體制程等幾項次世代高科技的未來演進(jìn)，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(jī)/無機(jī)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(rèn)為2010年以後可實現(xiàn)上述三大目標(biāo)的次世代新技術(shù)將主導(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)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(yán)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(kuò)散。（圖四）是日本湘南工科大學(xué)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(xì)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(biāo)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(jī)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(yù)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(fù)數(shù)小型相機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)的視域為6.5cm非狹窄，因此兩眼只能勉強(qiáng)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(kuò)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)蒯纾瑫r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(yīng)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。