（物理电子学专业论文）碳纳米管fed驱动系统的研究.pdf

东南大学硕士论文 摘要 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 场发射显示器( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，简称f e d ) 是一种近年发展起来的阴极射 线荧光显示装置，属于薄板平面显示器，以碳纳米管作为场发射冷阴极的f e d 成为目前研 究的热点。其驱动电路不仅技术含量很高，而且在整机成本中所占的比例也很大。 本论文首先介绍了平板显示器和传统的c r t 显示器在结构上的不同，其像素的构成和 相应的驱动方式都存在着很大的差异。作为平板显示器的一种，碳纳米管f e d 采用矩阵扫 描的方式实现动态显示，并采用电压脉宽调制的方法实现其灰度。整个驱动系统由接口电 路、逻辑主控电路、数据存储电路、行列驱动电路组成。 本论文针对二级结构的七段码f e d ，设计了数字和简单字符动态显示的驱动电路。通 过控制高压场效应管的导通与截止来控制共阳极七段码f e d 的阴极电压，从而实现扫描显 示。高压场效应管的逻辑控制信号由可编程逻辑c p l d 产生。 本论文根据矩阵式f e d 的特点，设计了实现动态字符和图像的显示驱动电路。针对3 2 3 2 线的f e d 显示屏，在单管驱动电路的基础上，修正了充电时间过长的问题，采用双管 驱动电路实现动态字符的跳变。采用阳极浮动技术，提高驱动系统豹驱动电压，增加f e d 显示屏的显示亮度，得到了较好的显示结果。针对6 4 6 4 线和9 6 7 2 线的f e d 显示屏， 采用分离元件和行列驱动芯片，分别实现了字符滚动显示和1 6 级灰度图像的动态显示。在 字符滚动显示实验中，利用f p g a 内服的存储资源存储显示信息：在1 6 级灰度图像的动态 显示实验中，采用外部e p p r o m 存储显示信息。 在论文的最后，进行了视频显示系统的研究。在碳纳米管f e d 驱动系统的基础上，引 入视频解码系统，组成较完整的视频显示系统。视频解码板采用s v l 6 0 0 ，接收d v d 机输出 的r g b 视频信号，在主控电路中进行高4 位灰度信号的截取，在9 6 7 2 线的f e d 上实现 1 6 级灰度图像的显示。 关键词：碳纳米管f e d ，二级结构，驱动电路，动画图像显示，视频显示 东南大学硕士论文 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 a b s t r a c t f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ( f e d ) i so n eo f t h ec a t h o d er a yf l u o r e s c e n td i s p l a y d e v i c e s ，f a l i si n t o t h ec a t a l o g u eo f f l a tp a n e ld i s p l a y ( f p d ) n o w a d a y s ，f e d s u s i n gn a n o c a r b o nt u b e sa sc a t h o d ee j e c t i n gm a t e r i a l sa r et h em o s th o t s p o tf o r r e s e a r c h i t sd r i v e rc i r c u i t ，c o n t a i n i n gh i g ht e c h n o l o g y ，o c c u p i e sab i g p e r c e n ti nt h ew h o l ec o s to fd e v i c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed i f f e r e n c ei ns t r u c t u r eb e t w e e nf l a tp a n e ld i s p l a y a n dt r a d i t i o n a lc r t ，w h o s ep i x e ls t r u c t u r ea n dc o r r e s p o n d i n gd r i v e rc i r c u i ta r e q u i t ed i f f e r e n tf r o m e a c ho t h e r a so n eo f t h ep e d s c n t 一m sa d o p tm a t r i x s c a n n i n ga sd y n a m i cd i s p l a ym e t h o da n dr e a l i z eg r a y s c a l e sb yv o l t a g ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p 吼) t h ew h o l ed r i v e rs y s t e mi n c l u d e sc o n n e c t i o nc i r c u i t ， l o g i cc o n t r o l l i n gc i r c u i t d a t as t o r a g ec i r c u i ta n d1 i n e r o wd r i v e rc i r c u i t t h i sp a p e rd e s i g n sad y n a m i c d i s p l a yd r i v e rc i r c u i tf o rd i o d e7 - s e g m e n t n u m b e rf e d sw i t ha l ia n o d e sc o n n e c t e dt o g e t h e r u s i n gl o g i cc o n t r o ls i g n a l s g e n e r a t e df r o mc p l do fm a i nc o n t r o lc i r c u i tt oc o n t r o lt h eh i g hv o l t a g em o s f e t s s w i t c he i r c u i tf o rc a t h o d et or e a l i z es c a n n i n gd i s p l a y t h i sp a p e rd e s i g n st h ed r i v e rc i r c u i tf o rd y n a m i cc h a r a c t e ra n di m a g e d i s p l a ya c c o r d i n gt om a t r i xf e d a sf o r3 2 3 2f e d s ，o nt h eb a s i so fs i m p l e m o s p e td r i v e re i r c u i t ，u s i n gac o u p l eo fm o s f e t st oo v e r c o m et h ed e f e c to fl o n g c h a r g et i m ea n dr e a l i z et h ed y n a m i cc h a r a c t e rs h i f t i n g a n o d ev o l t a g ef l o a t i n g t e c h a o l o g yi su s e dt oi n c r e a s et h ed r i v e rv o l t a g eo fe i r c u i ta n db r i g h t e nt h e d i s p l a ys c r e e n a sf o r 6 4x6 4 a n d 9 6x7 2p e d s d r i v e nb ys e p a r a t ec o m p o n e n t s a n d1 i n e r o wd r i v e rc h i p s s e p a r a t e l yr e a l i z e st h ec h a r a c t e rs c r o l l i n ga n d d y n a m i ci m a g eo f1 6g r a y s c a l e s u s i n gf p g ai n s i d em e m o r ya n do u t s i d ee p p r o mf o r c a t h o d ed a t as t o r a g er e s p e c t i v e l y i nt h ee n d o f t h ep a p e r m ed i s c u s st h ev i d e ed i s p l a ys y s t e m 0 nt h eb a s i s o fo r i g i n a ld r i v e rs y s t e m ，i n t r o d u c i n gv i d e od e c o d es y s t e mt of o r mar e l a t i v e l y i n t e g r a lv i d e od i s p l a ys y s t e m u s i n gv i d e od e c o d eb o a r ds v l 6 0 0t ot r a n s l a t ev g a s i g n a l sf r o md v dm a c h i n et os e p a r a t er g bs i g n a l sf o rd r i v e rc i r c u i t ，t a k i n gt h e h i g h e r4b i t so f t h e8b i t s d a t ai np r o g r a mt or e a l i z et h e1 6g r a y s c a l e si m a g e d i s p l a yi n9 6 7 2p e d s k e yw o r d s ：c n t - f e d ，d i o d es t r u c t u r e ，d r i v e rc i r c u i t ，d y n a m i ci m a g ed i s p l a y ， v i d e od i s p l a y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 日期： 导师签名： 东南大学硕士论文 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 1 1 平板显示器件综述 第一章绪论 显示技术已经渗透到当今社会民用和军用的各个领域。随着信息技术的发展，对显示 技术和显示器件提出了越来越高的要求。传统的显示器件一阴极射线管( c a t h o d er a y t u b e ) ，它具有高亮度、高分辨率、全视角等优越性，已经被大量用于民用和军用领域， 但是它的体积和辐射问题仍然是其本身的物理特性所不能避免的。近期显示器件的技术发 展重点将集中在全平面化、高亮度和对比度、减小体积、降低功耗及提高分辨率等方面 1 。平板显示器件具有重量轻、功耗小、体积小、大屏面等优点。根据其技术特点和工作 原理，平板显示器件大致可以分成以下几类；非主动发光型的液晶显示器( l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ，简称l c d ) 和投影显示；主动发光型的等离子体显示器( p l a s m a d i s p l a yp a n e l ，简称p d p ) 、电致发光显示屏( e l e c t r 0 1 u m i n e s c e n td e v i c e s ，简称 e l ) 、发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，简称l e d ) 、有机发光二极管( o r g a n i c l i g h te m i z t i n gd i o d e ，简称o l e d ) 、真空荧光显示器( v a c u u mf l u o r s c e n td i s p l a y ，简 称v f d ) 、场发射显示屏( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，简称f e d ) 等。 场发射显示( f e d ) 的工作原理与c r t 最为相似，都是利用高能电子在真空中轰击荧光 屏而发光，可以将f e d 看作是数百万个c r t 拼接而成的整体，其每一个阴极发射体相当于 c r t 的一个阴极射线管。f e d 在亮度、对比度等显示性能方面可以达到c r t 的水平，而在体 积、重量和功耗上则优于c r t 。与其他平板显示器相比，f e d 在视角、功耗、响应时间和工 作温度范围等方面也有优势。表1 1 为f e d 与不同显示器在显示性能上的比较 2 3 。虽然 f e d 在原理上被认为是最好的平板显示器，但是目前仍然存在一些问题没有解决，其商用 化、产业化仍需要投入大量的研究。 表l - 1 不同显示器件性能比较 型 f e d a c p d pa c t f e l a m l c dp m l c do l e d 性能 发光效率 ? 矩阵选址均 ? 匀性 可视性( 室 ? 内) 灰度 ? 多色 ? 大屏幕 ? ( 7 6 c m ) 驱动电路成 ? 本 显示屏 ? ? ? ? ? 成本 注：? 一一目前存在问题；一一可能长期存在问题 东南大学硕士论文 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 1 2 碳纳米管f e d 的应用与发展 1 2 1 场致发射原理 场致发射理论是真空微电子学中的一个重要理论依据，在实际应用中，真空微电子器 件所采用的电子源的发射机理主要有金属场致发射、半导体场致发射和内场致发射。目 前，最广泛使用的是金属场致发射电子源。 金属场致发射是一种靠很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒高度降低，并 使势垒宽度边窄，物体内大量电子穿过表面势垒而逸出的电子发射现象 3 。这种电子发 射的隧道效应可由图1 1 做定性说明。 图1 1 在加速场下金属表面的势能曲线 从图1 1 中可以看出，在加速电场的作用下，金属表面势垒形状和宽度由经典镜像力 和外加电场共同决定，外加电场越强，表面势垒不仅高度降低，而且宽度也变窄。当势垒 宽度窄到可以与电子波长相比拟的程度时，电子就可以穿过势垒逸出，从而在真空中形成 场致电子发射。 金属场致发射的定量方程是由福勒( r h f o w l e r ) 和诺德海姆( l w n o r d h e i m ) 首先 推导出来的 4 。他们假定： ( 1 ) 考虑一个简单能带的电子。其分布按费米能级一狄拉克统计。 ( 2 ) 考虑金属平板的表面是光滑的，忽略其原子尺度的不规则。 ( 3 )考虑经典镜像力。 ( 4 ) 考虑逸出功分布均匀。 在这样的假定条件下，推导出t = o k 时金属场致发射的定量方程由下式给出： 加) ：黑e x p ( 一b 譬u ( _ y ) ) ( a c m 2 ) ( 11 ) 俨。l y j e f 1 1 2 式中：a = 1 5 4 1 0 _ 6 ，b = 6 8 7 1 07 ，y = 3 7 9 1 0 _ 4 l ，j 为场致发射电流密度 口 ( a c m 2 ) ， e 为发射表面电场强度，则是功函数( e v ) ，y 是功函数势垒的肖特基降 低。0 ( y ) 和r ( y ) 是诺德海姆椭圆函数，在大多数情况下，d ( y ) 和t ( y ) 可近似为 2 东南大学硕士论文 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 u ( y ) = o 9 5 一y 。，f ( y ) 1 1 。在这样的近似条件f ，场致发射的足量万栏叫简化为 5 ： 舢如盯6 等e 冲c 等州圳m 埘譬，( a c m 2 ， z ， 当场致发射体温度升高至中等温度范围，场致发射电流密度由下式给出 6 ： m ( o ) 嵩 这里， 七为玻耳兹曼常数，丁是温度“) ，d = 篱。 在高温下( 7 ： 加= 去( 型2 z 一2e 叫k t + 黑2 4 ( k t ) i2 万 l 3 i 如果场致发射体温度不超过1 0 0 0 k ，对功函数4 6 e v 的难熔金属阴极来说，采用零 温度下场致发射公式( 1 3 ) 计算发射电流密度，精度是足够精确的。 1 2 2 场致发射在平板显示中的应用 美国斯坦福大学c a s p i n d t 博士最早认为采用薄膜处理工艺制各钼锥场致发射阵列作 为电子源是实现场致发射平板显示的最佳方案。1 9 6 8 年，s p i n d t 发明了场致发射体阵列并 成功地采用双源旋转镀膜技术置备了大面积钼场致发射体阵列 8 。f u j i t s ul a b o r a t o r i c l t d 采用硅锥阵列作为场发射体，场发射阵列由n 型单晶硅腐蚀而成 9 。俄罗斯物理研究 所研究出一种用石墨材料构成的电子发射阵列 1 0 。美国微电子计算机技术公司的c x i e 等人首次提出了一种非晶态金刚石薄膜作为场致发射体 1 1 。 图i 2 金刚石薄膜尖锥型场发射阴极 s p i n d t 型钼锥场致发射阴极阵列目前仍然是广泛应用于已经商业化或正在商业化的 f e d 中的基本技术。图1 3 为s o n y 的1 3 2 英寸s v g af e d 显示屏；图i 4 为m o t o r o l a l 公 司研制的1 5 英寸彩色f e d 显示屏。但是s p i n d t 结构的f e d 也存在着与硅工艺不兼容、成 本高、难度大等缺点。此外，要降低驱动电压，就必须缩小栅极孔径。在缺乏有效大面积 精密光刻工具的情况下，亚微米的场致发射显示屏只能停留在实验室阶段。与s p i n d t 型阵 列技术相比，硅锥阵列的制备呈现多样化，但目前的困难是硅锥发射能力低，平均单个硅 锥的发射在凡个到几十个纳安水平。对于低压荧光粉结构来说，没有高效的低压荧光粉， 硅锥阵列尚不能进入实用化。而其他的场发射体也同样有这样那样的问题，阻碍了场发射 平板显示技术的快速发展。 3 东南大学硕士论文 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 1 3 2 ”s v g a r e s o l u t i o n = 6 x x o b r i 蜘e s s = 8 0 0 n i t s c o n t r a s tr a t i o - - 8 0 ( y 1 i ) r i v h , sv o l t a s e 3 s v a n o d ev o l t a g e 8k v p o w e rc o n b 锄p t i o n 辟a m l c d u f 矾m e 一3 0 0 0 0 b , 图1 3s o n y 的1 3 2 英寸s v g a f e d 显示屏( 微尖阴极) 图l _ 4m o t o r o l a l 公司研制的1 5 英寸彩色f e d 显示屏( 微尖阴极) 随着场致发射显示技术的不断发展，寻找一种性能优异的阴极发射体成为了许多从事 场发射显示技术的科学家们共同关注的重要任务。碳纳米管凭借其优异的场发射性能理所 当然的成为了场发射显示电子源的最佳选择。 1 2 3 碳纳米管f e d 的历史与优势 自从1 9 9 1 年日本科学家l i j i m a 首先发现碳纳米管以来，在其后的数年时间中人们对 碳纳米管的性能和制各技术进行了大量的研究，碳纳米管成为了学术界研究的热点。作为 石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，碳纳米管韧性很高，导电性能强，兼具金属性和半 导体性，被科学家称为未来的“超级纤维” 1 2 1 3 。 d 东南大学硕士论文碳纳米管f e d 驱动系统的研究 但是在1 9 9 8 年以前，人们对碳纳米管的研究主要集中在生长机理、结构分析和材料特 性研究等方面。r i n z l e re l a 1 首次报道了关于碳纳米管场致发射的研究结果 1 4 。1 9 9 5 年瑞典的w a l ta d eh e e r 研究了碳纳米管的场发射特性，提出了将碳纳米管作为场发射 电子源的设想并在s c i e n c e 上发表了他们的研究成果，在学术晃引起了很大的轰动 1 5 。1 9 9 7 年日本的s u s u m us a i t o 在s c i e n c e 上撰文，认为碳纳米管将是下一时代电子 器件的基础 1 6 。1 9 9 9 年d e n n i sn o r m i l e 也在s c i e n c e 上发表论文，提出了利用碳纳米 管实现全彩色显示的构想 1 7 。 与s p i n d t 微尖结构相比，由于碳纳米管的长径比( i o o o ) 有更大的场增强因子，因 此。碳纳米管的开启电场很低 1 8 - 2 0 。同时由于碳纳米管良好的力学和热学性质，以及低 廉的生产成本，所以目前世界上大多数研究单位和公司都采用碳纳米管作为下一代场致发 射显示器件的阴极发射材料，并投入大量人力物力进行开发 2 1 。在1 9 9 8 年国际信息显示 会议( s i d ) 上，日本的i s e 电子公司展示了碳纳米管作为阴极材料的f e d 显示单元，在长 达5 0 0 0 小时的寿命试验中，其发射电流可以稳定在2 0 0 毫安。1 9 9 9 年7 月在德国 d a r m s t a d t 召开的第十二届国际真空微电子会议( i v m c 9 9 ) 上，将碳纳米管f e d 作为单 独的一个专题进行了交流和讨论。韩国s a m s u n g 公司展示了其研制的4 5 英寸碳纳米管 f e d ，该显示板厚度仅为2 2 毫米，阳极工作电压8 0 0 v ，亮度高达3 5 0 c d m 2 。2 0 0 3 年7 月 摩托罗拉发表了采用利用c v d 技术形成碳纳米管的f e d 面板，其驱动电压仅仅为5 0 v 。 图1 5s a m s u n g5 寸f e d 样机 - 5 东南大学硕士论文碳纳米管f e d 驱动系统的研究 图1 6 日本i s e 公司的4 0 寸f e d 样机 图t 7 台湾工业技术研究院所研究的二极管显示样品 图1 8 韩国k y u n gh e e 大学研制的二极管显示样品 下面简单列出了碳纳米管f e d 在提高显示屏显示性能方面的优势。 i 场致发射阵列( f e a ) 的发射电流密度可达l o l o o a c m 2 的直流发射能力和1 0 0 1 0 0 0 a c m 5 的脉冲发射能力，可以提供显示屏的高亮度。 2 f e a 的每个微电子枪仅具微米尺寸，集成密度可达1 0 s c m 2 ，给显示屏提供了超高 清晰度，图象质量可望达到c r t 的水平。 3 低电压( 几百伏) ，低功耗，超薄( 2 r a m ) 。具有制作步行电视( v i e d o w a l k m a n ) 或 袖珍电视( p o c k e t t v ) 、头盔电视、壁挂电视等的优越条件。 - 6 东南大学硕士论文碳纳米管f e d 驱动系统的研究 4 结构简单，无偏转线圈，无聚焦系统，无加热灯丝等c r t 必需的另部件，可实现低成 本大规模生产。 5 在绝对零度以上的任何温度下都可实现场发射，具有抗低温、抗高温的固有特性。 6 如用有机玻璃或钢化玻璃代替普通玻璃，将具有抗震、抗打击、抗核辐射、抗潮湿 等高可靠性能。可在极恶劣的环境下工作。 7 场发射的电流电压特性具有高度非线性，有利于增加图象的灰度和动态范围。 8 无阴极功耗，无预热延迟，可高密度集成化，发射电流密度大，电子初速分布窄，并且 可以在低电压下工作。 1 3 驱动系统在平板显示技术中的重要作用 任何显示器的发展都离不开驱动电路，它是显示器工业的一大分支，占有极其重要的 地位。从功能上来说，显示器件在没有任何驱动电路的情况下不可能显示任何信息：从成 本上来说，驱动系统所专用的控制、驱动集成电路的成本占了整机系统的很大部分。以部 分产品为例，我们从平均成本的概念来估算一下p d p 、l c d 等平板显示器大致的成本构成。 图1 9 为统计平均后的p d p 、l c d 平扳显示器成本构成图。从统计结果可以看出驱动电路在 总成本中的份量，接近6 0 。可以说整机系统的性价比很大程度上取决于驱动系统这一部 分的性价比 2 2 。 ，口- 平托赢奉椿t c 工c d 平麓赢奉椿恿 图1 9 平扳显示器成本够成图 对于平板显示器的驱动电路来说，它要求有低的驱动电压、低功耗、驱动电路与显示 器件连接为一体、高可靠性、长寿命以及薄而轻。而其中核心的专用控制、驱动芯片叉与 一般的集成电路有着非常不同的特殊要求，它要求器件必须在有限的封装内有较高的耐 压、较大的驱动能力和较多的驱动输出。所以平板显示器驱动系统的研发过程并不比显示 器件的研发过程简单。甚至可以说驱动电路的发展在一定程度上制约着平板显示器的发展 与进步。 碳纳米管f e d 作为新兴的平板显示器，其驱动电路的发展还处于初级阶段。目前虽然 已有p i x t e c h 、f u t a b a 、摩托罗拉、索尼、三星、松下、双叶电子等多家公司推出了f e d 的商业化产品，但毕竟在显示器终端中所占有的比例还是很低，很少有专用的f e d 控制、 驱动芯片的支持。在这样的情况下，如何利用已有的器件或别的平板显示器的驱动芯片来 构造碳纳米管f e d 的驱动系统就显得相当追切和重要。 7 东南大学硕士论文碳纳米管f e d 驱动系统的研究 i 4 本文的研究内容 本文主要的研究内容、研究工作如下 高压驱动技术是碳纳米管f e d 器件获得实际应用必不可少的关键部分，目前对这方面 的研究和介绍都很少。而且f e d 的结构和驱动电压各不相同。其驱动电路需要有很强的针 对性。我们针对本实验室研制的碳纳米管f e d ，自行设计了相应的驱动电路，并为了达到 不同的显示效果设计了不同的控制程序。 1 七段码f e d 驱动电路的设计，并实现数字和简单字符的扫描显示。 在碳纳米管f e d 开发的初期，我们设计了七段码f e d 的驱动电路。由于我们开发的七 段码f e d 是共阳极的，即将七个字段的阳极连在一起，只要在阴极上加不同的驱动电压， 就可以控制其显示不同的数字。主控电路由c p l d 构成。 2 3 2 x 3 2 矩阵式f e d 驱动电路的设计，并实现动态字符显示。 针对3 2 3 2 线的f e d 显示屏，在单管驱动电路的基础上，修正了充电时间过长的问 题，采用双管驱动电路实现动态字符的跳变。采用阳极浮动技术，提高驱动系统的驱动电 压，增加f e d 显示屏的显示亮度，得到了较好的显示结果。 3 6 4 x 6 4 和9 6 x 7 2 矩阵式f e d 驱动电路的设计，并实现动态图画的灰度显示。 针对6 4 x 6 4 线和9 6 7 2 线的f e d 显示屏。采用分离元件和行列驱动芯片，分别实现 了字符滚动显示和1 6 级灰度图像的动态显示。在字符滚动显示实验中，利用f p g a 内服的 存储资源存储显示信息；在灰度图像的动态显示实验中。采用外部e p p r o m 存储显示信息。 我们采用p w m 方式设计了灰度实现模块，进行了1 6 级灰度的动态图画显示。 4 碳纳米管f e d 的视频显示。 在碳纳米管f e d 驱动系统的基础上，引入视频解码系统。组成较完整的视频显示系 统。视频解码板采用s v l 6 0 0 ，接收d v d 机输出的r o b 视频信号，在主控电路中进行高4 位 灰度信号的截取，在9 6 7 2 线的f e d 上实现1 6 级灰度图像的显示。 8 东南大学硕士论文碳纳米管f e d 驱动系统的研究 第二章碳纳米管f e d 驱动原理 2 1 碳纳米管f e d 像素的构成及驱动方式 在平板显示器件家族中，场致发射显示器件是利用阵列状的冷阴极产生电子，然后轰 击到荧光屏上形成光信号输出。图2 1 给出了f e d 平板显示器件和传统c r t 显示器件的工 作过程的比较。所咀f e d 可以看成去除偏转系统的“扁平c r t ” 2 3 。 c a t h o d er a yt u b ef i e l de m i s s i o nd i s p l a y 图2 2c r t 和f e d 的工作结构比较 三极结构的f e d 的基本结构如图2 2 所示，在一片玻璃基板上形成列状的阴极，阴极 由透明电极( i t o ) 膜和许多电场发射型冷电子源( f e ：f i e l de m i t t e r ，电场发射体) 组 成；在另一片玻璃基板上由i t o 膜和荧光粉组成阳极。两玻璃基板相距数百微米，中间还 有一层行状的栅极。一般在阳极的i t o 膜上加数百到上万伏的直流高压( 图2 2 中的 v a ) ，其作用是加速和捕获发射体放出的电子。栅极上的i o o v 左右的调制电压( 图2 2 中 的v g ) 控制阴极电子的发射与截止。另外，翻2 2 ( 8 ) 所示的发射体有几百个单位，图 2 2 ( b ) 表示将其阵列化，以便矩阵驱动。 i - l 麓射傩单体的基枣构造 ( b ) 纬刊仡( e e a ) ( c ) f e d 的基本构造 图2 2f e d 的基本构造和原理 9 东南大学硕士论文 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 发射体单体的构造是由具有锐利尖端的金属( 或硅等) 圆锥以及形成包围圆锥的电极 ( 叫栅极或提取电极) 组成。将上述连接圆锥的电极( 阴极) 与栅极之间加以门限( 一般 几十伏) 以上的电压，从圆锥会向真空发射大量电子。在f e d 的矩阵驱动中，将栅极与阴 极加工成互相垂直的条纹状，在这些电极加上正的行扫描信号v g 与负的图像信号v c 。此 时设定上述两个信号电压均比阴极发射门限电压低，而两个电压绝对值之和比门限电压 高。这时在栅极与阴极交点形成的发射体上v g - - v c 的电压( 因为此时的v c 为负电压，实 际是二者的绝对值之和) 起作用，引起电子发射，使对面的荧光粉( 像素) 发光。 电场发射现象对尖端的表面状态非常敏感，发射电流一般不稳定，所以为了抑制电流 使用图2 1 中的电阻层。在发射体与阴极之间插入这样的串联电阻，当发射电流变大时由 于电阻使电压降增大，使得作用在圆锥与栅极之间的有效电压减少，抑制了发射电流。发 射电流变小时抑制效果则变弱。由于插入了电阻层，突发性的电流增大受到了抑制，电流 变小就可以防止发射体破坏。 因此，f e d 的构造及原理简单。基本是由发射体、间隔及荧光粉三者构成。作为电予 源的发射体是随每一个像素独立形成，由矩阵驱动。不必像现在的c r t 那样将电子束做广 角度扫描。能够实现图2 1 示出的平板c r t 。另外，f e d 发光原理与c r t 相同，电子束照射 到荧光粉就激励发光，而且是高亮度。 二极结构的碳纳米管f e d 由上下玻璃基板和隔离体封接而成。上基板为阳极，将透明 导电玻璃上的i t o 膜光刻制作成阳极电极，并在上面用丝网印刷的方法印上荧光粉；下基 板是阴极，用同样的方法制作导电i t o 膜阴极电极弗在上面引上碳纳米管阴极。如图2 3 所示。这样的结构与传统的微尖f e d 大同小异，其像素的构成以及驱动方式都是相同的。 而且由于没有三极结构的控制极栅极，我们只要控制阴极和阳极上的电压满足阈值电压 时，二极结构的碳纳米管f e d 就可以发光显示了。图2 4 为二极结构静态显示“s e u ”时的 照片。 图2 3 二极结构示意图 酉2 4 二极结构显示圈像照片 碳纳米管f e d 采用的是行、列交叉电极的排列形式，其像素排列图如图2 5 所示。阳 极和阴极相互垂直相交在交叉处形成一个像素，m 行n 列共构成m x n 个显示像素。当然 1 0 - 东南大学硕士论文 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 每个像素都是由许多个碳纳米管组成的，其发光的总和作为一个像素的发光情况，并且受 一个控制信号的驱动控制 2 3 。 i 1 矬 n 期勰霸套 图2 6 三极结构的c n tf e d 东南大学硕士论文碳纳米管f e d 驱动系统的研究 2 2 碳纳米管f e d 驱动系统的构成 就整个碳纳米管f e d 驱动系统来说，分为接口电路、数字主控电路、视频数据存储、 行驱动和列驱动5 大部分。 1 接口电路 由于信号源信号可能是模拟信号也可能是数字信号，因此必须将模拟信号转换为数 字信号，再经过数字接口电路，生成f e d 显示模块所需的信号格式；或将数字信号源的数 字图像进行格式转换，转换成f e d 显示模块所需的图像信号。这些工作都由接1 ：3 电路完 成，最终产生r g b 信号、帧同步信号、行同步信号和时钟信号。 2 数字主控电路 一个数字电路系统中最关键的部分就是其控制逻辑与时序信号的部分。数字主控电路 根据接1 ：3 电路送来的数据信号( r g b 信号) 、行同步信号、场同步信号和时钟信号等，控 制各种行、列驱动电路按要求工作，驱动显示屏正确的显示图形和文字。 3 视频存储电路 由于对一个图像的描述越清楚，所需要的数据信息就越多，而现实生活中人们总是希 望在显示器上观看到更加逼真、清晰的面面，所以需要大量的数据来记录图像的信息。特 别是进行视频现实时，显示器所要处理的数据非常多，必须运用视频存储电路来进行数据 的存储。 4 行驱动电路 通常将扫描电极称为行电极，其驱动模块的功能是按一定的时钟频率对f e d 显示屏的 阳极进行扫描。由于二极管结构的f e d 需要很高的阳极电压才能保证较好的显示效果，所 以对行驱动电路在耐压上的要求较高。 5 列驱动电路 通常将数据电极称为列电极，其驱动模块的功能是将数字主控电路传送来的数据信息 加载到f e d 显示屏上。由于整个显示系统所要处理的数据量很大，对列驱动电路在频率上 的要求较高。 当然驱动系统中还必须要有电源模块来提供整个系统所需要的各种电压。f e d 驱动系 统的方框图如图2 7 所示。 1 2 东南大学硕士论文碳纳米管f e d 驱动系统的研究 图2 7f e d 驱动系统方框图 2 3 碳纳米管f e d 灰度的实现 灰度等级是指黑白图像由黑色到白色之间的亮度层次，灰度等级越多，图像从黑到白 的层次就越丰富，细节也就越清晰 2 4 。灰度等级对于图像显示和彩色化都是一个非常重 要的指标。 除了显示数码、曲线以外，很多场合都需要进行灰度显示。 2 5 6 擐袤度圈蠢 图2 82 5 6 级灰度与2 级灰度的比较 2 媛获度图像 实现灰度显示的方法有很多，必须根据显示器件的特性及其扫描的方式来采用适合的 灰度调制方法。碳纳米管f e d 的驱动电路为矩阵寻址方式，通常阳极为行扫描线，阴极为列 数据线。在行选时间里，像素的灰度由列驱动模块控制。其主要灰度实现的方式有：幅值 灰度调制、空间灰度调制、时间灰度调制等。其中，幅值灰度调制又可以分为电流和电压 1 3 东南大学硕士论文 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 的幅度调制p a m ( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ；v 帧灰度调制、子场调制方式、脉宽调制 p 删( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 。而且，还可以同时使用p a l l 和p w b f 两种方式相结合的方式。 1 幅值灰度调制 在输出数据的阴极驱动中加入控制输出的电压或者电流，来得到大小不同的电平信号， 使碳纳米管f e d 产生灰度的变化，这种灰度的控制方法称之为幅值灰度调制。以电流p 删调制 方式为例，p a m 的实现原理如图2 9 所示，阴极驱动的恒流电路是由一列列输出恒流大小可控 的恒流电路组成，每一路恒流电路的输入端将和表征该像素灰度等级的二进制数相联系。一 般n 位二进制数将对应2 “种状态，从而实现灰度显示 2 5 。 *尊l搬撼盘l llll ”l 熏黟钳静l 舅q l ll 瓠h 攮涮壤1 i l 舢 ill 蠛 i 蝌骧+ 埔粒 l霸f 氘似驴l 图2 9p a m 电流调制原理与具体参数 这种灰度调制方式的驱动电路的逻辑相对简单，可以实现高等级灰度。但是电流调制方 式也有两个缺点：首先电流被限制在一个很小的范围内，如果电流过高的话会导致f e d 屏幕 阳极上的荧光粉被烧掉。其次，发射体的缺陷会使一些像素点漏电，屏幕的均匀性下降，而 这一问题在电压调制方式下可以避免。因为f e d 的显示亮度直接跟加在阴极和阳极上的电压 有关，电压高则发射剧烈，显示亮度较大。可以根据f e d 发射的i v 曲线，划分相应的灰度等 级。但是这种方法对显示屏的均匀性要求非常高，每个像素在同样的发射电压下发射情况必 须相同。图2 1 0 和图2 i i ，分别为电流型和电压型多灰度级数据电极驱动示意图。 图2 i 0p a m 稳流型多灰度级 数据电极驱动示意图 图2 1 1 电压型多灰度级 数据电极驱动示意图 2 空间灰度调制 将显示像素划分为若干可以独立控制的子像素，当显示像素中不同数量的“子像素” 被选中时，在一定距离外观察，像素将显示不同的灰度等级 2 4 。如图2 1 2 所示，采用4 x 4 的显示单元来实现1 6 级灰度。1 6 个子像素中，如果一个都没有被选中则灰度等级为0 级灰 1 4 东南大学硕士论文 碳纳米管f e d 驱动系统的研究 度，有一个被选中则为l 级灰度，以次类推，1 6 个子像素中被选中的数目即为该像素的灰度 等级。 田口回匿 0 级灰度1 级灰度4 级灰度8 级灰度 图2 1 21 6 级空间方式灰度等级调制原理图 实现这种调制方法的优点是驱动电路结构相对简单，但是它也有其自身的缺点。首先 是它不可能将显示像素分割成任意多的“子像素”，因此它就不可能有很高的灰度等级， 况且精细加工的成本本身就很高。其次是他的灰度等级是以降低分辨率为代价的，这在工 艺水平不是很高的情况下是不足取的。 3 时间灰度调制 即在一个时间单位内，控制显示像素的选通和截止的时间长短，从而使显示像素在观 察者眼中形成不同的灰度等级。 1 ) 帧灰度调制 任何点矩阵图形显示，无论是静态图像，还是动态画面，其实都是由逐行扫描驱动的 一帧一帧的画面构成的。假若，我们选取若干帧作为一个单位，在这个单位内某一像素在 一帧内被导通，在另一帧中不被导通，则该像素会呈现出不同的灰度等级。 这种帧灰度调制可以在一个像素点上调制出不同的灰度等级，不过这种灰度调制方法 是把若干帧合并为一个单位帧，如果帧频率不够高，也会引起图像的闪烁。 2 ) 子场方式调制 子场方式灰度调制一般用于p d p 显示器件的灰度实现，其实质也是通过控制每个像素的 选通时间来控制灰度等级的。图2 1 3 是1 6 级灰度的c n t - f e d 像素点维持时间的分布图。在图 2 1 3 中，灰度信息用4 b i t 位二进制数据来表示灰度值的比值为b 4 ：b 3 ：b 2 ：b l = 8 ：4 ：2 ：1 ，四 位二进制数所代表的灰度可虬表示1 6 级灰度。如果b 4 ：b 3 ：b 2 ：b l = 0 ：o ：0 ：l ，则灰度为1 级， c n t f e d 只在第一个时间段发光；如果b 4 ：b 3 ：b 2 ：b l = l ：0 ：0 ：1 ，表示灰度为9 级，c n t f e d 只 在第二个时间段发光；依此类推b 4 ：b 3 ：b 2 ：b l = l ：1 ：1 ：l ，表示灰度为1 6 级，c n t - f e d 在4 个时 间段都发光。如果想让c n t f e d 显示出更高画质的图像来，就必须增加子场的数目。一般， 8 个子场就可以完全满足视觉感知的需要e 2 6 。 1 级灰度 9 级灰度 1 1 级灰度 1 5 级灰度 l - 一 图2 1 31 6 级场方式灰度等级调制的原理图 3 ) 脉宽灰度调制( p v p n i ) 根据人眼视觉残留的特性，人眼对某点灰度的感觉不仅与该点的亮度有关，还与其持续 时间长度有关 2 7 。因此，显示屏的灰度还可通过控制发光点点亮的时间长度来实现，这 就是时分灰度调制的基本原理。这种方法是把扫描脉冲对应的数据脉宽划分成一个个灰度 - l s 东南大学硕士论文碳纳米管f e d 驱动系统的研究 调制脉冲。不同的脉冲宽度代表不同的灰度等级，从而可以使被选通的像素实现不同的灰 度等级。 如图2 1 4 所示，脉冲l 是阳极选通信号，高电平有效。与脉冲1 选通脉宽相同的数据宽 度将对应最高的灰度等级。把最高灰度等级对应的脉宽1 6 等份，每一等份对应一个单位灰 度，例如脉冲2 和脉冲3 分别对应于一级灰度和二级灰度。 脉冲 脉冲 脉冲 图2 1 4p b i 灰度实现方式波形示意图 针对二极管结构的c n t - f e d