（物理电子学专业论文）带dvi接口的fed驱动系统研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的发展，显示技术在人类社会中扮演着越来越重要的角色同时人们对显示器 件的要求也越来越高，各种新型显示器件应运而生场致发射显示，被认为是集高性能、低功耗， 平板显示等优点于一身的新型显示方式之一。驱动电路设计是显示器件中不可或缺的部分。本论 文是东南大学显示技术中心场致发射显示研究的组成部分 本论文首先介绍了场致发射显示器研究概况，分别列举了各种场致发射材料；讨论了目前非 常流行的d v i 接口技术以及它采用的t m d s 传输协议。并重点介绍了场致发射系统的灰度实 现方法和演示系统的实现，特别是本实验室采用的子段灰度实现方法。方法将每行显示时间按照 一定比例划分成若干子段，通过子段组合实现不同灰度等级，达到视频显示的要求该方法主控 时序简单，能够满足场致发射显示要求 论文简单地介绍了各种显示器件驱动方法和碳纳米管场致发射显示器驱动系统设计针对东 南大学自主研制的丝网印刷纳米碳管场致发射显示屏。利用子段灰度实现方法，成功研制了基于 f p g a 的d v i 视频演示系统，在这系统中包括视频信号的获取与存储、数字主控电路与主控程序 设计、高压驱动模块以及接口电路的设计，其中视频信号的获取使用的是s i l i c o ni m a g e 公司的 s i i l 6 1 b 来接收并解码，在行列高压驱动中利用电压悬浮技术，将高压集成芯片应用到系统中来。 按照项目进展，分别实现了分辨率为9 6 * 7 2 ，1 6 级灰度动画显示；分辨率为9 6 * 7 2 、3 2 级灰 度的单色和彩色视频演示系统，和分辨率为9 6 * 7 2 、6 4 级灰度等级的带d v l 信号接收功能的彩色 视频演示系统，并给出了设计电路原理图和显示效果图。 关键字t 场致发射显示纳米碳管d v ! 驱动电路视频 东南人学硕上论文 a b s t r a c t t h er a p i d l ye v o l v i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ye n v i r o n m e n tm a k e sd i s p l a yt e c h n o l o g ya s i g n i f i c a n tr o l eo fh u m a n 戳圮i e 堆t os a t j s t yt h eu s e ri n c r e a s i n gd e m a n d s 1 0 t so fn e wt y p e so f e l e c t r o n i cd i s p l a yd e v i c e sd e v e l o p e d 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 ft h e ma n d c o n s i d e r e da sam u c hp r o m i s i n gt e c h n o l o g yw i t hh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rd i s s i p a t i o na n d s p a c es a v i n g d r i v i n gc i r c u i td e s i g nbo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u e so fe l e c t r o n i cd i s p l a y d e v i c e t h i st h e s i si sap a r to ft h es c r e e n 阳i n l j n gc a r b o nn a n o t u 随f i e l de m i s s i o nd i s p i a y ( c n t - f e d ) f i r s t l y , t h et h e s i sp r o p o s e st h eg e n e r a ls i t u a t i 0 1 1o ff i a i dm i s s i o nd i s p l a yr e s e a r c h a n d i 删u c e sv a r l e u sm a t e r i s io fe m i t t i n ge l e c t r o n t h e n ，t h et e c h n o l o g yo fd i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ( d v i ) a l s oi sd i s c u s s e d a n d 鹣p r o t o c o lo f t r a n s i u o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n gf r m d s ) i s r e c o m m e n d e d a n dt h e 廿 e s i sm a i n l yp r o p o s e san o v e lg r a y s c a l eg e n e r a t i o nm e t h o d 。n a m e d 镐s u b - s e g m e n tt h a t 海u s i n gi nt h el a b i nt h i sm e t h o d 。仇ap e r i o do fe a c hs c a nl i n ei sd i v i d e d i n t os u b - s e g m e n t sa c c o r d i n gt oac e r t a i nr a t i o b yc o m p o u n d i n go n eo rs e v e r a io ft h e s e s u b - s e g m e n t s t h eg r a y s c a l ea r eg e n e r a t e df o rt h ev i d e od i s p l a y t h es u b - s e g m e n tm e t h o d m a k e st h ev i d e os i g n a is a v i n ga n dh i g hv o l t a g ed r i v i n gm o d u l ec o n t r o lm u c he a s i e r t h bt h e s 瞎g m 酷ab n e fi n t r o d u c t i o no nt h ed r i v i n gm e t h o do fp r e s e n td t s p l a yt e c h n o l o g y a n dt h ed r i v i n gs y s t e mo fc n l 乙f e d w r hs u b - s e g m e n tm e t h o d 。w ea c c o m p l i s h e dt ob u i l dt h e v i d e od i s p l a ys y s t e mo nt h e 翻c r e e nd e v e l o p e db ys o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h i sv i d e os y s t e m i n c l u d e st h ev i d e os i g n a lc a p t u r e m a i nc o n t r o lc i r c u i ta n dp r o g r a m 。h i g hv o l t a g ed r i v i n gm o d u l e a n di n t e r f a c ed e s i g n a n dw eu s et h ec h i ps i l l 6 1 bo ft h es i l i c o ni m a g ec o m p a n yt or e c e i v e a n dd e c o d e t h ep a p e rd e t a i l sm o n o c h r o m ev i d e od i s p l a ys y s t e mw i t hd e f i n i t i o no f9 6 3 ( r g b ) 叮2 a n d 6 4g r a y s c a l e s 。a n dt h ep i c t u r e so fc n t f e da r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r - 畸w o r d s , f i e l de m i s s i o nd i s p l a ：y , c a r b o nn a n o t u b e , d v id r i v m gc i r c u i t , v i d e o 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 珥，巧 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。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 显示技术的发展及应用 在人的各种感觉机理中视觉是人类获得外界信息的重要途径，研究表明，人类有近6 0 的 信息是通过视觉获得的。随着信息处理、传输、接收技术的发展，以及国际互联网络的普及，使 得电子显示器件唧1 成为人与机器之间交换信息的纽带。在2 1 世纪，信息显示产业就像2 0 世纪的 微电子产业一样，是又一重要的新兴高新技术产业。信息显示技术代替印刷技术成为知识、信息 传播的途径已有1 0 0 多年的历史。在国际信息技术和互联网迅速普及的今天，信息传播和即时交 流越来越依赖显示技术，尤其是广播电视和计算机终端显示应用最为显著。当前应用最为广泛、 己形成体系的显示技术是阴极射线管、液晶显示和p d p 但是近年来，通信技术的迅速发展，要 求显示器向多功能和数字化方向发展。具体来说，现代显示器件正向平板化、高密度、高分辨率、 节能化、高亮度、彩色化、大屏幕的方向发展1 0 2 1 。在阳极上加上电压，在阴极表面形成高电场， 使电子从阴极材科中发射，叫场致电子发射，又称场发射。场发射显示技术和有机电致发光、发 光二极管等一样，是一种新兴的发展潜力很大的平板显示技术。 2 场致发射显示 1 2 1 概述 场发射显示器( f e d ) 嗍作为平板显示器件家族中的一员主要是利用阵列状的冷阴极产生 电子。加速后轰击荧光屏形成光信号输出。有关场致发射的机理，可以参照文献【0 4 】。场发射显 示器又称为真空微尖平板显示器( m f d ) 从整体上来讲，可以认为场致发射显示是由许多微型 的阴极射线管阵列组成，只不过电子源是由冷阴极产生。如图a 和图1 1 b 所示。场发射显示器 具备有阴极射线管的许多优越的显示性能，比如高亮度，宽视角等。同时场发射显示器又可以傲 到很薄、实现矩阵选址等。因此场致发射显示又有许多液晶显示等平板显示的优点，比如功耗低、 薄、轻等。f e d 受到诸多研究机构和大公司的青睐并大力投入，主要是由于其卓越的性能，总结 有如下几点： 流明效率高，高达1 0 l i i i ，w ，是阴极射线管的两倍，可以实现高亮度显示； 稳定性好，抗高温，耐低温，工作温度范围宽。适用领域广； 低功耗，没有偏转，聚焦等系统，结构简单； 冷阴极发射，无预热延迟，响应速度快； 自主发光，视角大，容易实现全彩色显示； 可以实现瞬间犬电流，峰值亮度高，对比度高， 既支持微加工手段。又可以利用丝网印刷等工艺，可能实现高分辨率和大屏幕显示。 电流电压特性具有非线性，有利于增加图象灰度和动态范围，可以实现高密度集成，发 射电流大，可以实现低压工作。 有关场致发射显示研究的进展这里做一简单介绍。冷阴极发射源是场致发射显示的主要部 件，先后经历了金属锥尖阵列嗍、硅锥尖阵列 o e l 、薄膜阴极 0 7 1 、碳纳米管阵列阴极删等寻找理 东南大学硕 ：论文 想阴极的出发点主要有：发射性能好且稳定，容易制备和实现形状控制，均匀性好成本低等 为实现优质的显示，f e d 结构设计也很重要，主要分为二极结构和三极结构，普遍认为只有三极 结构才可能较容易地实现动态显示和视频输出，目前流行的三极结构的n o r m a l - - g a t e 、u n d e r g a “啊等，n o r m a l - - g a t e 结构如图1 2 所示 1 2 2 场致发射显示研究概况 场致发射显示器，即f e d 作为平板显示器家族中的一员，是显示与真空微电子相结合的产物， 是发光工作原理最接近c r t 的一种平板显示器件。平板显示器的全球市场销售额，1 9 9 9 年为1 8 5 亿美元预计到2 0 l o 年将会达到7 0 0 亿美元。2 0 0 年1 1 叮l c d 显示器的产鬻将会首次超过 c r t ，众多平板显示器件研究的热潮此起彼伏，继l c d 和p d p 之后，未来哪种显示器件可望主 导2 l 世纪的显示器市场呢? 就显示器图像的质_ 瞢及前景来看，场致发射显示器( f e d ) 最适合电 视特性它具有c r t 高画质和l c d 薄型低耗的双重技术优势，称作显示器的“未来之王” 图1 i a 传统阴极射线管结构图1 1 b 场致发射显示 场致发射显示器的基本原理与阴极射线管相同，即从阴极吸引出电子并使其碰撞涂覆于阳极 上的荧光体而发光。所不同的是，场致发射显示器是为数众多的微细电子枪依阵列状排列，每一 个像素对应于一把电子枪，如图1 2 所示。发射体发出的电子径直碰撞所面对的荧光体而发光显 示图像，它与阴极射线管一样具有高亮度、高对比度，且由于图像不是通过扫描来显示，因此不 需要偏转线圈，可以做得很薄 图1 2f e d 的n o r m a l - - g a t e 结构图 2 第一章绪论 场致发射显示采用冷阴极的场发射。在国际上，s a r n s u n g ，i s e ，c a n d e s c e n t ，m o t o r o l a 等都 在场致发射显示器件的研究上投入了大最的人力财力。国内从事这方面研究的则有台湾i ：研院， 福州大学，中山大学，西安交通大学等。各机构都希望自己在该领域有所突破，主导f 一代显示 器件的研究开发和市场空间。东南大学显示技术研究中心，从事场致发射显示器的研究已有多年。 并从阴极制备，结构优化，器件封装，系统构件等方面取得相当进展 1 9 9 0 年法国l e t i 首先制成了6 英寸单色f e d i 。如今p i x t e c h 已小批晕生产此类单色f e d 。 1 9 9 8 年m o t o r 0 4 a 已建成2 7 5 m 2 的新厂房，计划一年后批量生产5 1 英寸i 4 v g a 的全色f e d ， 他们在s i d 会上展出了样机，图像质量很好。1 9 9 8 年5 月，美国c a n d e s c e n t 公司宣集资1 2 5 亿美元建生产线。生产该公司的5 英寸f e d ( 该公司将其定名为t h i nc r t ) 有关人士称f e d 将 是2 1 世纪初的主要的自发光显示技术。 9 1 年纳米碳管1 1 1 l 这一具有优良发射特性的新场发射材料的发现，有关f e d s 的研究开发工作 进入了一个新的领域。第一代f e d s 是基于薄膜技术和半导体工艺技术的，包括硅锥。钼锥阴极 等，尽管在包括色纯度、亮度、寿命和大尺寸( 1 5 英寸) 等方面获得了较大的成功，但f e d s 仍 有很大的技术研究前景f e d s 最大的市场优势在于它的大尺寸、低成本。降低成本、增大尺寸 一般通过两种方法：( 1 ) 是采用新的发射材料；( 2 ) 是设计新型结构，采用无需光刻和薄膜工艺 的制备工艺。由于l c d s 采用光刻和薄膜| 艺可以得到小于3 0 0 p m x 3 0 0 p m 的像素，同尺寸的 f e d s 用同样的的工艺可以达到同样的水平，所以，第二代场致发射显示应该致力于寻找具有更 好发射性能的新型电子发射材料取代目前的硅锥、钼锥发射阴极。这种材料应该能实现低驱动电 压，由此降低驱动电路的生产成本。第二代对角线尺寸大于4 0 英寸的场致发射显示器的主要竞 争对手是等离子体显示嚣( p d p ) p 习和背投式c r t 显示器，而p d p 和背投式c r t 显示器都不 需要精细光刻技术和薄膜工艺，所以f e d s 要在市场上具有竞争力就必须摒弃生产成本高昂的薄 膜工艺，而采取成本较低的厚膜工艺，在产量和尺寸上提高市场竞争力。所以，适合大尺寸( 4 0 英寸) f e d s 和传统小尺寸( 1 0 ) 有更大的场增强因子，因此，纳米碳管的开启电场很低，可采用厚膜工艺集成到 场致发射显示中。当前。世界上大多数研究小组均采用纳米碳管作为第二代场发射显示器件的阴 极发射材料在选择f e d s 新型场发射材料时需要考虑以下几个问题：发射材料耐热必须在玻 璃软化温度( 0 左右) 以下才能应用到f e d s 中；为了能用低压驱动电路获得较高的亮度 及实现视频显示，必须采用三极结构的f e d s 。 下一代f e d s 发展方向是显示尺寸在1 5 ”4 5 ”的大屏幕平板显示器件，它将是现有c r t 的最直接换代产品。如果采用厚膜工艺的f e d 的开启电压能低于1 0 d v ，则在驱动电路成本方面 将明显优于p d p s s p j n d t 型微尖f e d 通过精确控制栅极与发射体的间距获得低于1 0 0 v 的开启 3 东南人学颂i ：论文 电压，而厚膜j 1 ：艺无法做到这一点。研究者一般通过引入采用非光刻r 艺实现微米级电极间隙或 者采用能显著增强发射体尖端场强的发射材科来解决这一问题。近年来，许多研究机构包括东南 大学都提出了各自的采用印刷式纳米碳管阴极的低成本、大面积场致发射显示器。 1 2 3 场致发射材料分类 场致发射显示根据发射材料的不同，可以分为金属场致发射、硅场致发射，金刚石场致发射、 类金刚石场致发射和碳纳米管场致发射几种，下面将简单介绍。 一、金属场致发射 场致发射的研究最早用的是金属材料。目前使用最广的场致发射材料也是金属，主要有钨、钼、 钽等，金属钨应用较早、也最广人们最先想到的是采用钨作为场致发射阴极，根据灯丝的启示随 着超高真空技术的发展，钨场致发射的性能不断得到改善1 9 5 4 年，从钨尖发射2 5pa 直流电流 只能持续5h 左右。到了1 9 6 0 年，发射7 1 5m a 直流电流可持续1 0 0 0h 左右，而且管内存放1 0 0 0 h 后发射电流仍无变化目翦，钨尖场致发射电子枪已在电子显微镜中得到实际应用。钨尖的制 备工艺一般采用电解腐蚀法，将焊在弧形支架上的钨丝插入电解液中作为一个电极，电解液中放入 另一个环形电械在两电极加上几伏到几十伏直流或交流电压，钨丝很快被腐蚀成尖端，然后在超高 真空条件下加热去气，形成非常光滑的表面最后可通过用电子显微镜拍下表面照片测量出表面的 形状为了提高发射电流的稳定性，近年来研制一种敷锫钨单尖阴极。在1 7 5 0 的热致射状态下。 当电场强度达到l o7 v g i l l 时，有l 旷a g i l l 2 的发射电流密度，亮度高达i 0 9 a ( c m 2 s r ) 。在1 0 6 p a 的真空环境下，电流波动不超过i ，工作寿命在5 0 0 0h 以上。 用金属钼制作场致发射阴极，是利用薄膜技术和光刻的办法制造出来的。钼尖锥高l1 5 m ， 尖端曲率半径5m n 。可以作单锥使用，也可以紧凑排成1 0 0 5 0 0 锥的密集阵列利用微细加工 技术和双向薄膜沉积技术。制备出的钼尖场致发射阵列阴极，整个阵列的微尖较为均匀，工艺过程 较为稳定。目前，钼场发射阴极已作为浸渍式热阴极的代用品在电子管中试用i j 4 1 金属场发射材料的发射机理比较清楚，制作技术也比较成熟。但这些金属场致发射器件的制 备步骤都较复杂，且由于金属有较高逸出功发射电场要求较高，需达到3x1 07 v 锄，同时热 稳定性差，发射的可靠性低，这样促使人们寻找其他类型的材料以取代金属。 二，硅场致发射 纯硅微尖场致发射阵列l l ”，若制成很尖的微尖和小的栅极间隔可以在很低的电压下产生很大 的发射电流。因此其工艺主要集中在硅发射阵列的物理结构上。传统的方法是采用热氧化法来制 作微尖而采用等离子体氧化法制作硅阴极，可获得舳n l l n 的硅发射体，其发射电压从6 3v 降 为4 0v 硅场致发射体亦存在热稳定性差，发射的可靠性低的缺点，因此采取补救措施，在硅尖 表面上敷上t 州或c - b n 膜，来改善其特性t i n 是高温的良导体，熔点为2 9 5 0 逸出功为 2 1 9e v 。制作过程主要是：用硅( 1 0 0 ) 面晶片结合低温氧化膜进行光刻制作出硅尖，并用s f 6 气 体后用聃r 和c 1 2 气体进行作用增加尖高，接着镀上一层1 5 2 0n m 的t i 膜，最后分别在温度 4 0 0 和7 0 0 的氨气中进行退火处理。这样可在硅尖上获得1 0 2 0n m 的t i n 膜。这种敷t i n 膜 的硅场致发射材科比同等条件下的一般硅发射材料具有更高的发射稳定性和低的发射电压多孔 硅也是一种较理想、有前途的场致发射材料，无论是平面结构还是尖锥结构发射都很好。在微尖 上制作平面多孔硅场致发射阴极的工艺过程为：先在硅( 1 0 0 ) 面晶片上淀积0 1 5 o 1 8 5i t1 1 1 厚的 $ i 0 2 ，再溅0 1 1 5 p m 的铬，然后在4 9 的h f 中用3 0 m a c m 2 的电流密度电解1 0 s ，这样就可 以形成高密度超尖硅组织的多孔硅场致阴极材料，这种阴极的突出优点是重复性好，效率可达7 4 三，金刚石场致发射 1 9 7 9 年，h i m p s e l 等人发现金刚石具有负电子亲和势。由于负电子亲和势会导致一个较低的 4 第一章绪论 逸出功，使金刚石薄膜的阈值场远小于金属阈值场。同时，还具有发射效率高、导热率高、表面 稳定性好等优点。采用金刚石薄膜作为发射体，既可以采用微尖结构也可采用平面结构，这就 使得制造： 艺丈为简化。因此，以金刚石材料作为冷阴极场致发射器件受到了人们的关注。w a n g g 等人相继发现在小于3 l o ，v 电场f ，可观察到1 0m a c m 2 的电流密度。他们认为这是 由于金刚石具有负电子亲和势，有利于电子的发射。如n 型杂质能级在导带下l1 7 e v 处，如果进 行o - c s 处理形成o c s 结构，则可将亲和势降低约ie v ，这样金刚年i 中的电子就可无势垒阻 挡地进入真空。成为发射电子，从而产生大电流。由此，他们推测出这是金刚石中石墨给电子提 供了通道这种解释引起了很多争议，人们又做了很多实验来研究金刚石的发射机理。ia 山提 出了击穿模型，在以金属为村底的金刚石膜结构中，金属与金刚石界面的不平滑处产生很强的电 场( 高达1 0 7 v 硼) ，从而引起该处被击穿，使得电子能在金刚石中通过隧道效应进入真空这里， 假设金属与金刚石间无耗尽层，且真空能级位于金刚石导带以下。按照此模型。电子首先从金属 通过隧道效应进入金刚石导带。然后再从金刚石导带射出。进入真空成为发射电子，从而产生大电 流i 这种模型符合f - n 理论，具有一定的正确性 四，类金刚石场致发射 类金刚石与金刚石的键价结构类似，亦具有负电子亲和势，所以类金刚石也能在低电场下发 射电子而作为很好的冷阴极发射材料。金刚石膜一般需要在较高温度。f ( 9 0 0 c ) 制备且难于大 面积均匀成膜。而类金刚石薄膜可在室温制备，这对衬底材料就没有太多的限制，如玻璃、塑料 等都可作为衬底材料类金刚石膜的制备成本低，比较容易获得较大面积的类金刚石薄膜，同时 类金刚石薄膜发射电流更稳定。这就使得人们近几年来对类金剐石薄膜的场发射研究倾注了极大 的热情【l - q 近年来人们研究了大量类金刚石场发射材料。c h u a n gf y l 卅等人用脉冲激光制备的类 金刚石薄膜，在电场强度达到2 l o ，v c m 时，总的发射电流达到4 0 p a ，此时的电流密度1 6 0 pa c m 2 ，阈值场强i1 3 2 1 0 5 v 伽，h ok w a nk a n g ! ”j 等人制备的类金刚石薄膜，制作工艺主 要分为两步：第一步，在硅基片上用电子束蒸发出大小约1 1 5 pm ，间隔l o i tm 的钼微尖阵列， 包括淀积绝热层s i 0 2 和a l 电极；第二步。在室温和压强为3 p a 用等粒子体化学气相淀积法一层 层地淀积类金钢石薄膜达2 0 r i m 厚。用这种方法制作的场致发射阴极与钼材料发射阴极进行同等 条件下的发射测试，门极电压从7 5 v 下降到5 5 v ，且具有良好的发射稳定性t a l i n aa i l 等人 研究了类金刚石薄膜的场发射阴极和阳极之间的放电现象，认为阴极和阳极之间气体电离正离 子会加速轰击阴极样品，从而导致雪崩击穿。产生哑微突出物成粗糙的火山口形，认为击穿后形成 的许多尖端结构充当场强增强点，从而降低了阈值场强。 目前流行使用碳纳米管作为发射材料，在下一节将着重加以介绍。 1 2 4 纳米碳管场发射显示 1 9 9 1 年n e c 公司的s 1 i j i m a 在高分辨率电子显微镜下观察采用电弧法制备的富勒烯中发现 了一种管状结构网经过研究表明它们是同轴多层富勒管，被成为多壁纳米碳管( m w c i c f ) 随 后n e c 公司的t w e 妯嘲瞎n 和p ma j a y a n 找到了大量制备m w c n t 方法i z l i 。虽然在7 0 年代， 研究气相热解碳的过程中，已经观察到这种纳米结构的碳。但是没有引起足够的重视，并加以深 入研究。1 9 9 3 年s 1 日i m a 固和i b m 公司的研究小组网同时报道了观察到了单肇纳米碳管 ( s w c n t ) 在早期的实验中，制备的s w c n t 产率很低。s w c n t 的物理性质研究开始与1 9 9 5 年，r i c e 大学的r i c h a r ds m a l l e y 研究小组发现激光蒸发方法可以得到极高产率的s w c n 圳 此后，法国的m o n t p e l l i e r 大学的b e r n i e r 研究小组忙”采用电弧法也可以得到高产率的s w c n t 图1 3 给出了单壁、多壁纳米碳管的结构示意图。 东南人学硕f ：论文 图1 3 单壁( s w n t ) 、多壁纳米碳管( m w n t ) 结构示意图 有关纳米碳管的制备方法刚主要有：电弧法、热解法、激光蒸发法 z “。电弧法与w o , f g a n g - - k r m s c h m e f 法制备富勒烯类似，在惰性气体中，两根石墨电极直流放电。阴极上产生纳米碳管 热解法则是采用过渡金属作为催化剂，在7 0 0 - 1 6 0 0 k 的条件下，通过碳氢化合物的分解得到碳纳 米管激光刻蚀法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶，碳纳米管就存在与惰性气体夹带的石墨蒸发 产物中。纳米碳管的直径和直径分布取决于制备方法、所用的催化剂、生长温度等反应条件 纳米碳管的导电性质和其结构密切相关，根据纳米碳管的结构参数不同，可以是金属性的， 半导体性的豳例。这个结果已经通过扫描隧道电子显微镜( s 删) 的观察证实1 2 7 1 1 3 0 l 。纳米碳管具 有特别的场发射性能，可以看作为电子枪阴极材料，具有尺寸小、发射电压低、发射密度大，稳 定性高、需要加热和高真空等优点，可以应用平板显示器中。在一定的温度范围内，用透射电子 显徽镜( t i e m ) 测量纳米碳管自由尖端热振动，得到它的振动频率来大致估计它们的杨氏模量即】， 结果纳米碳管的杨氏模量要大于1 t p a 。超过石墨基平面的值。通过对s w c t q r 的吸氢过程研究发 现，氢可能逸固体形式填充到s g c n t 的管体内部以及s w m 丌束之间的空隙，因此s w c i q r 具有极 佳的储氢能力。氢吸附在纯s w c n t 、m w c n t 和碱金属掺杂s w n t ，极大地刺激了对纳米碳管 材料储氢性能的理论和实验研究，经济、安全储氢介质是氢燃料交通系统关键部分。 而纳米碳管场发射显示器，就是指利用纳米碳管阵列作为发射阴极的场发射显示器 ( c n t - f e d ) 。以往的f e d 主要是由金属尖锥，硅尖锥阵列等作为场发射电子源。它们遇到的主 要问题是，制作大面积的显示板时工艺过程复杂，同时均匀性难以控制，而且尖锥极易受感染或 者受电子或者离子轰击。所以在制作成本，工作寿命，工艺控制等方面受到极大限制。而纳米碳 管的发现给场发射显示器无疑注入了新的活力。纳米碳管的纳米尺寸造就了天生的尖端通过尖 端效应极易得到很强的表面场强，以得到较明显的场发射。同时纳米碳管的化学稳定性对工艺实 现提供了更大的发展空间。所以纳米碳管无疑是优秀的场发射电子源。不过对于场发射显示而言， 还有许多问题有待解决，如何实现大面积显示、如何保证均匀性、如何实现牢固附着等 目前用纳米碳管制作场致发射阴极的主要方法有丝网印刷和喷涂。丝网印刷中。首先将用电 弧法或激光蒸发法等制备的碳粉进行纯化处理，然后加入有机溶剂，利用丝网印刷在导电板上， 比如附有i t o 膜的玻璃等，最后进行烘烤或者其他后处理这种方法比较容易控制阴极的形状等。 图1 4 给出了丝网印刷的c n t 阴极的s e m 照片和发光显示实验的结果。喷涂的方法基本思想与 丝网印刷差不多。不过是利用喷枪将c n t 溶液喷涂在导电板上。喷涂的附着力相对较差些。同时 考虑阴极制备方法与传统的f e d 有所不同。所以在结构设计方面的考虑也要有相应的改进 6 第一章绪论 图i 4 丝网印刷的c n t 阴极的s e mj | l 【片和发光显示实验的结果 韩国三星日本i s e 等公司目前在c n t - - f e d 方面有较大进展。s a m s u n g 的研究人员将将含有 单壁纳米碳管、银粉和有机粘结剂浆料采用丝网印刷的方式在玻璃基板上做出2 0 微米宽的纳米碳 管发射层，热处理除去有机黏合剂，经过表面处理使得纳米碳管垂直排列在表面上，以此为阴极 他们制作了对角线尺寸为4 5 英寸二极结构的f e d 同时也成功地制造了n o r m a l - g a t e 结构的场 致发射显示和u n d e r - g a t e 结构场致发射显示嘲，图1 5 所示 图1 _ 5s a m s u n g 的f e d 样品，两图分别为n o r m a l - - g a t e 和u n d e r - - g a t e 结构 日本i s e 公司利用其在制作v f d 器件的技术和经验，用低成本的丝网印刷的方式将纳米碳管 制作在阴极上作为发射体，成功地制作了f e d 发光显示单元和f e d 显示屏1 a 卸3 3 1 。 一个基本的显示系统必须包括驱动电路，才可能实现其信息显示的功能，实际上，显示器件 中驱动电路在设计过程和制作成本中占据了相当重要的位置，对于在平扳显示。特别对于高分 辨率平板显示，尤为突出。在p d p 中驱动电路占据了整个期间成本的6 0 以上所以对于一个显 示器件而言，寻求一个合适的显示驱动方法和系统实现方案，至关重要。 早期的场致发射显示器件，利用微电子加工工艺，驱动电压较低，驱动电路相对容易实现 但是这种锥尖阵列场致发射显示器件制作成本昂贵，阴极稳定性、寿命等存在较大问题，虽有几 十年历史，至今没有推向市场目前普遍看好的是利用纳米碳管( c a r b o nn a n o t u b e ，c n t ) 作为 阴极的场致发射显示器( c n t - f e d ) 。既可以利用c v d 等物理化学手段，实现精细控制生长；又 能利用丝网印刷等适合大面积显示的成熟手段制各阴极。丝网印刷c n t - f e d ，因其工艺简单，成 本低廉，适合大面积和精细显示等优点倍受亲睐。目前已有比较成熟的工艺流程实现二极结构的 f e d ，三极结构也处在研究之中 7 东南人学硕论文 1 3 课题目的与主要工作 目前东南大学在丝网印刷c n t - f e d 上做了很多研究工作。就丝网印刷纳米碳管场致发射而 言，目前还没有十分合适的驱动方案和系统。一方面在工艺上做改进，降低驱动电压：另一方面 更主要的，应该借鉴目前其他显示驱动的实现方法，结合c n t - f e d 自身的特点，研究寻求合适的 驱动系统还有就是选择适应数字平板显示器色速发展的数字显示接口标准这正是本论文的主 要工作。 在深刻把握场致发射显示器件工作原理和基本特点的基础上，结合当前各类显示器件的驱动 方法，本论文提出了一种新型的、适合场致发射显示器件的带d v i 接受器的驱动系统。 需要的声明的是，本课题作为国家项目的一个重要部分，所取得的进展都是项目组包括导师 和同学在内所有研究人员共同努力的结果作者的主要1 = 作包括： 首先，根据实验室的f e d 显示屏的驱动电压，驱动电流、响应速度和灰度实现方式等，选择 现有的、可以利用的高压驱动模块： 第二，根据显示屏的特性采用合适灰度实现方法，搭建合适的显示系统，完成系统的演示； 第三，将数字显示接口( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ，1 ) v i ) 技术应用到显示驱动系统中，借以 提高图像显示效果； 最后。对驱动系统的必要改进与完善，包括电路自身的，比如如何通过改进电路系统来减少 短路打火和显示屏的不均匀性等，另外可以分析显示屏的内部参数，优化外加电阻、电容来提高 显示性能。 1 4 论文结构安排 论文一共分为六章： 第一章，作为绪论，主要介绍了场致发射显示，根据发射材料的不同，介绍了金属场致发射、 硅场致发射等发射材料，特别是纳米碳管场致发射显示的基本原理和研究现状； 第二章，介绍了目前显示技术中比较常用的v g a 和d v i 接口技术；重点介绍了d v i 接口原 理和它的t m d s 传送协议，以及协议的接收和解码部分。 第三章，作为论文的第一部分，介绍了各种显示器的驱动方法和灰度实现方法，重点介绍了 实验室目前采用的子段灰度实现方法，并分析了它的优缺点结合本实验室开发的碳纳米管场致 发射显示器的特点。分析了驱动电路设计的要求。 第四章，本章介绍本实验室开发的从d v d 接收视频信号的电路驱动系统的概况，重点介绍 了主控电路的设计和系统程序设计 第五章。着重介绍了d v i 接口接收信号的场致发射显示器驱动电路系统，包括显卡d v i 数 据的获取与存储、主控电路和主控程序，高压驱动和接口电路的设计。并给出了设计原理图和鲜 花似效果 第六章，总结概括论文的主要工作并对场致发射显示，特别是场致发射显示驱动系统的研 究与发展作憧憬与展望 8 第一二章d v i 接u 技术 第二章d v i 接口技术 2 1 计算机视频接口简介 目前，大多数计算机与外部显示设备之问都是通过模拟的v g a 接口或数字的d v i 视频接 口来连接的下面就分别对这两种接口作简要介绍 2 1 1v g a 接口 v g a 接口是i b m 公司在1 9 8 7 年首先开发的 j 4 l ，可以支持分辨率为6 4 0 x 4 8 0 像素的1 6 位色 彩显示。此后不久，在v g a 的基础上产生了能支持8 0 0x6 0 0 分辨率的超v g a ( s v g a ) 。然后又 产生了具有1 0 2 4 x 7 6 8 像素的x g a 0 5 1 视频电子学标准化协会( v e s a ) 最终将这些模式标准化。 使之成为计算机显示接口的基本标准然而，v g a 是为模拟显示设备而设计的计算机内部以 数字方式生成的图像信息要先被显卡中的d a 转换器转变为模拟视频信号然后再通过电缆传输 到显示设备中。对于c r t 等模拟显示设备，这些信号可以被直接送到相应的驱动处理电路控制显 像管生成图像，而对于l c d 这样的数字显示设备。则必须先对输入信号进行a d 转换。然后将 模拟视频信号还原成数字信号，同时还要对输入数据进行校正。这样才能得到适合l c d 像素特性 的灰度信号。经过这一系列中间环节的转换，加上在模拟传输中不可避免的噪声干扰，会造成一 些图像细节的丢失所以，传统的模拟视频接口难以提供高分辨率的图像信息，从而在一定程度 上制约了高清晰度数字显示设备的发展。 2 1 2d v i 接口 平板显示技术的蓬勃发展，对数字视频接口技术提出了迫切要求。随着制造成本的降低，l c d 等平板显示技术正逐步取代传统的c r t 显示器成为桌面显示器的主流。但是由于要向传统的v g a 模拟接口兼容，以l c d 显示器为例，其内部不得不内置一级a d c ( 数模转换) 及p l l ( 锁相环) 电路， 将模拟的视频信号重新转化成数字信号再进行显示，还要进一步进行针对于c r t 显示的y 值校 正和色度空间转换。最后得到适合于l c d 像素特性的灰度信号这样一系列中间环节的转换，加 上模拟传输环节中难以抑制的噪声干扰问题，使得此类平板显示的图像信息丢失，并随着分辨率 和场频的提高而加重 d v l ( d i g i t a i v i s u a l i i l i 删煽准由d d w g 于1 9 9 4 年4 月正式推出，它的基础是s i l i c o n i m a g e 公司的p a n a l l i n k 接口技术m l ，采用的是最小化传输差分信号( t r a n s i t i o n m i n i m i z e d d i f f e r e n t i a l s i g n 面。t m d s 胙为基本电气连接方式，很好的解决了上述的图像信息丢失问题，而且还兼容了传 统的v g a 接口，是目前极具发展前途的一种p c 机视频接口标准。计算机中生成的图像信息传送 到图形控制器中，经处理并编码成数据信号，数据信号中包含了一些像素信息、同步信息以及一 些控制信息，信息通过三组通道输出。同时还有一个通道用来传送使发送和接收端同步的时钟信 号每一个通道中数据以差分信号方式传输，因此每一组通道需要两根传输线。由于采用差分信 号传输，数据发送和接收中识别的都是压差信号，因此传输线缆长度对信号影响相对较小，可以 实现较远距离的数据传输。在接收端对接收到的数据进行解码，并处理生成图像信息供数字显示 设备显示在d v l 标准中对接口的物理方式、电气指标、时钟方式、编码方式、传输方式、数据 格式等进行了严格的定义和规范。对于数字显示设备，由于没有d a 和a d 转换过程，避免了图 9 东南人学颈j ：论文 像细节的丢失，从而保证了计算机生成图像的完整再现。同时在d v l 接口标准中还增加了一个热 插拔监测信号，从而真正实现了即插即用 2 1 3d v i 接口工作原理 d v i 技术的核心是p a n e l l i n k 协议，即使用转换最小化差分信号将数据高速地传送到显示设 备中t m d s 采用布尔异或的编码算法，将长度为8 b i t 的像点灰度信息转换成1 0 b i t 的跃变最小化 信号进行传输，这样可以削弱在传输过程中的交叉电磁干扰另外，它还可以为接收端提供时钟 恢复信号，并允许信号在传输时产生一定限度的抖动误差。d v i 接口可提供高达1 6 5g b i t ，s 的传 输数据率，这也保证了它有能力为目前任何一种数字显示器提供高分辨率的视频信号因此，d v i 逐渐成为了业界最具前途的接口规范 d v i 接口的逻辑结构如图2 1 所示i m i ，d v i 连接器工作时，首先通过d d c 通道获取显示器 的相关支持信息。并根据用户提出的显示要求，如屏幕的分辨率、色度，刷新率等，确定t m d s 的工作模式。随后，位于发送端的图形控制器将像素信息和控制信号交给t m d s 信号发送器。在 每个d v i 连接器中都提供了两条t m d s 链，其中每条链路都含有三组差分数据通道，分别用于 传送红、绿、蓝三种基色的灰度信息。每个链路在工作时都可以提供1 6 5 m h z 的最大带宽。同时。 d v l 还使用专门的时钟通道为接收端提供准确的时钟恢复信号。接收端的t m d s 接收器负责对接 收到的差分数据进行解码与解调，并将恢复出的数据信号提交给显示控制器 声灾一燮，厂h 厂h 厂卜 h 幢 f - m m m 2 2t m d s 协议 图2 1d v i 接e l 的逻辑链接结构p q 阳 o e t e e t f o n h i t m d sft r a n s i t i 彻m i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 最t j 、跳变差分信号州。通过编码使码流中 的跳变最小传输数据的频谱向低端集中，提高了传输可靠性，接收端则根据编码规则解码恢复 原始数据。t m d s 连接的先进性体现在它可以将海量的显示信息高速的传送到显示器中去，t m d s 先进的编码算