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纳米碳基膜场发射显示技术的研究进展

供稿人:杨薇炯  供稿时间:2004-9-23   关键字:纳米碳基膜  纳米碳纤维膜冷阴极阵列  场发射显示器  场发射FED  
纳米碳基膜场发射平板显示器(Filed Emission Display-FED)被誉为未来理想的平面显示器。因它具有高分辨率、高发光效率、体积薄,重量轻、大面积,大视角、高亮度和色彩鲜艳清晰图像、宽的温度工作范围、低功耗、快速响应时间等良好的性能特点,使其成为液晶显示器最强有力的竞争对手。它可广泛应用于移动电话、计数器显示器、平面电视、大屏幕显示等各种信息通讯显示设备领域,为全球信息化时代的经济发展和社会发展做出重大贡献。
 
显示器作为人机交换的窗口,在信息技术高度发展时期得到了长足的进展,也孕育和培育出一代又一代更新产品。虽然目前平面显示器市场上仍以液晶显示器LCD占主导地位,但随着高新技术不断发展与进步,如等离子显示PDP、真空荧光显示VFD、有机发光显示OLED以及场发射显示FED等已开始挤身和开拓新的市场,向原有的技术市场发出挑战。其中FED显示质量已完全可与目前常用的电视机和计算机显示屏等阴极射线管CRT相媲美,并且比液晶显示器在具有亮度高、响应速度快、视角大和色彩逼真、节能环保等方面更有竞争力。
 
场发射显示器FED是一种固体真空平面显示装置,它是利用点阵排列式冷阴极场发射电子,以保证显示性能的稳定可靠、色彩鲜艳及高分辨率。上世纪70年代,C.A.Spindt首次用半导体工艺研制出门电极尖锥阴极阵列,使场致发射器件可在较低电压下工作,并得到较高的发射电流密度,这一重大进步开创了尖端场致发射在微波和平面显示中应用的先河。1994年法国Pixtech公司就采用Spindt阴极成功研发出第一个标准的6英寸阴极场发射彩色显示器,此后又有多家公司如美国Candecent、韩国三星Sumsung公司相继生产了FED,其产品已由单色到彩色发展到15英寸的大尺寸。
 
自1997年以来,世界各国如美国、日本、瑞士、韩国等研发人员先后利用纳米碳管CNT为阴极成功研制出低功耗、高亮度的场发射光源、像素管和平面显示器原器件,也有一些产品相应问世。除欧美发达国家有相关研究外,目前亚洲也有多家公司在从事纳米碳基膜FED的研究,如日本伊势电子、NEC和韩国三星电子在技术上都具有较强的竞争力。
 
日本伊势电子工业目前成功试制了在发射极使用纳米碳管的三色像素管,其亮度高达1万cd/m2。日本NEC研制出30X30像素的CNT-FED,尽管尺寸不大,但却以实现了100V以下的低电压驱动。三星采用丝网印刷工艺成功试制出单色、低亮度的600cd/m2的15英寸CNT-FED产品。
 
韩国在纳米碳基膜场发射显示技术领域中发展较为迅速,三星公司2001年后相继研发了多项专利技术,并在国外申请了多国专利。如EP1134304公开了采用热化学气相沉积法,在400-500℃低温,NH3预处理条件下,直接在玻璃或硅基底上制备直纳米碳管膜。并采用Ni,Fe,Co,Y,Pd,Pt,Au或其至少两种以上金属元素组成的合金材料为催化剂,来实现纳米碳纤维形成和生长。由该工艺可进行大面积、低成本地制备纳米碳管材料,并可用作冷阴极材料生产场发射显示器FED。该公司另一项发明专利US2002197752A1公开了选用丝网印刷技术以混合浆料形式将碳纳米管制成薄膜阴极的方法,采用金属粉(Ag,Al,Ni,Cu,Zn等)与碳纳米管混合,通过丝网印刷工艺印刷到玻璃基底上,再经200-500℃烧结得到碳纳米管冷阴极阵列,可用来制成大面积,成本低,稳定性强,均匀发射的场发射显示器件。
 
场发射显示器FED的发展很大程度上依赖于材料工业的发展,而随着纳米技术的高速发展,FED技术近年来也呈现出快速发展势头。近几年因日本和韩国等多家公司的加盟,FED加快了民用化发展步伐。2001年日本伊势Noritake公司展出一款15英寸产品的亮度就达到了1万流明,在显示分辨率方面实现重大突破后,凭借其超强高亮度优势,在未来户外大屏幕显示领域大显身手。2002年伊势电子又展出了40英寸FED面板,2002年三星Samsung公司已经研制出了32英寸FED面板,日本Futaba公司已有FED原型器件。此外摩托罗拉、霍尼威尔、松下、佳能、索尼、日立等公司都在投入巨资从事FED研究。
 
虽然我国在纳米碳基膜FED技术领域的研究方面起步较晚,但发展速度较快。现有不少科研单位如西安交通大学、清华大学、东南大学、北京大学、华东师范大学等,还有台湾财团法人工业技术研究院都在进行相关的碳基膜FED技术研究,也取得了不少科研成果。有些也已申请了专利,如清华大学的发明专利CN1448334“一种用于合成碳纳米细管的铁系催化剂的制备方法”、台湾财团法人工研院的发明专利CN1448334 “直接在基材上低温合成纳米碳管的方法”等,与国外技术相比,在制备用于FED的纳米碳管生产工艺上都各有特点和创新。 
 
由于目前国内外有关FED的研究热点主要集中在场发射冷阴极材料上,特别是对各种纳米碳基膜冷阴极材料的生长、控制、表征及机理研究成绩较显著。国际上大部分相关技术的专利正处于公开阶段,少数专利已获授权。而现今全球80%以上的显示器产业集中在亚洲,且近几年亚洲各国相关产业又纷纷涌入中国市场,特别是对于我国在现有的平板显示技术如高端的LCD液晶显示器和PDP等离子显示器相对比较落后的情况下,大力开发新一代尚未形成市场规模的纳米碳基膜场发射FED对我国平面显示器技术的快速发展具有重要的战略意义。

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