（物理电子学专业论文）cntfed性能的改进与电磁干扰研究.pdf

摘要 场致发射显示器( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y , f e d ) 是一种阴极发射荧光显示装置，属于 薄板平面显示器范畴，近年来以碳纳米管作为场发射冷阴极的c n t - f e d 为目前研究的热 点。由于c n t - f e d 是通过碳管发射电子轰击荧光粉发光进行显示工作的，过程复杂、时间 短、发射单元空间尺寸小，因此想要通过实验测量、观察的方法来研究其工作特性具有相 当的难度。目前常用的方法是借助高速计算机来模拟碳管发射过程，但至今为止，国际上 在该领域的研究仍局限于对发射机理的认识，距实际工程应用仍有一定距离；同时，传统 的理论数值模拟也仅仅考虑显示屏自身的结构对电气性质如发射电流密度、电子束着屏束 斑等的影响。很少将外围驱动电路考虑进来。这样很难从整体上把握c n t - f e d 作为显示整 体的工作特性。因此，本论文建立了一个实用型c n t - f e d 等效电路模型，通过仿真软件模 拟分析f e d 工作原理，利用此等效电路模型对显示屏的电极间耦合噪声、功耗、波形失真 问题进行分析和讨论；并从等效电路的观察角度出发，讨论适合f e d 的g a m m a 校正方法， 以改进显示性能；最后讨论了f e d 显示系统的电磁兼容设计问题。 本论文在分析和比较了传统金属阵列f e d 等效电路模型的基础上，根据碳纳米管场致 发射显示屏( c n t - f e d ) 的特殊结构，提出了面向二极初等结构和三极结构的等效电路模型。 该模型以电容为主体，对= 极结构和前栅极结构分别选择二极管和n 沟道m o s f e t 来表现碳 管发射的非线性过程。本论文采用p s p i c e 商用软件对建立的等效电路模型进行模拟，通过 比较实验电路波形和仿真波形，验证了本论文所提出的等效电路模型的正确性 本论文利用等效电路模型对二极结构和三极结构的c n t - f e i ) 内平行电极间耦合性噪 声、显示屏自身功耗以及对波形的影响分别做了研究和分析，比较了这两种结构的优劣。 提出了改进的方法 日前平板显示器日益繁荣，传统c r t 市场份额日渐缩小，而目前的视频源是面向c r t 设计的，已经经过g a m m a 预校正，无法满足平板显示器光电特性要求，必须重新进行处理。 本论文研究c n t - f e d 在p 删方式下光电特性，以理论推导和实验论证来说明目前面向传统 c r t 的视频源不适合c l f r - f e d 的光电特性，提出对进入显示驱动系统的灰度信号进行6 a m a 反校正的思想。本论文在介绍常用的1 0 b i t 查找表校正法和误差扩散法校正法的同时，从 显示屏自身特性出发，讨论最适合c n t - f e d 的g a m m a 校正思想，达到提高显示质量的目的。 随着f e d 的不断研究发展，电磁兼容问题越来越成为工程设计人员所关心的问题。系 统良好的电磁兼容性能够保证整个系统的正常运转。本论文从改进系统性能，提高显示质 量的角度出发，讨论系统的电磁兼容问题。在系统驱动电路p c b 设计中严格遵守电磁兼容 的要求，从布局，布线、分层、电容器件选择等方面考虑提高系统的电磁兼容特性。同时 讨论系统本身电容特性在电压突变时冲击电流对电磁兼容的影响。最后提出了一种基于高 压浮动技术的保护电路思想。保护高压驱动芯片免于打火电流的冲击。 关键字：碳纳米管场致发射显示屏，等效电路模型，模型应用，g a m m a 校正，电磁 兼容，保护电路 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 yd e v i c e s ，f a l l s i n t ot h ec a t a l o g u eo ff l a tp a n e ld i s p l a y 凹d in o w a d a y s ，f e d su s i n gn a n o - c a r b o nt u b e s ( c n t - f e d la sc a t h o d ee j e c t i n gm a t e r i a l sa 糟t h em o s th o t s p o ti nr e s e a r c hf i e l 正b e c a u s e c n t - f e dd i s p l a y sb yt h ee l e c t r o n se m i t t e db yc a r l o o nn s n o n t b e 幻b o m bp h o s p h o r , w h o s e p r o c e s si sc o m p l e xa n dh a r dt om e a s u r e ，s oi t i s r a t h e rd i f f i c u l tt os t u d yi t sp e r f o r m a n c e m e c h a n i s mb ye x p e r i m e n t a lm e a s m e m e n ta n do b s e r v a t i o n t h em o s tu s u a lm e t h o di st os i m u l a t e t h ee m i s s i o np r o c e s so fc a r b o nn a n o m b eb yh i g h - s p e e dc o m p u t e r , w h i c hs t i l lh a sal o n gw a y f r o me n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n m e a n w h i l e , t r a d i t i o n a lt h e o r e t i c a ls i m u l a t i o no n l yt a k e si n t o a c c o u n tt h ei n f l u e n c eo ne l e c t r i c a lc h a r a c t e f i s t i c ss u c ha se m i s s i o nc u r r e n td e n s i t ya n de l e c t r o n s p o td e t e r m i n e db yd i s p l a yd e v i c es t t u o t u r ew h i l es e l d o mc o n s i d e rt h ep e r i p h e r a ld r i v i n gs y s t e m t h e ni t i sh a r dt oh o l dt h ec n t - f e ds y s t e ma saw h o l e t h u s ，t h i st h e s i st r i e st ob u i l d8 1 1 a p p l i c a b l ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lf o rc n t - f e dt oa n a l y z et h ef e dp e r f o r m a n c em e c h a n i ca n d d i s c u s st h ec o u p l i n ga n i s eb e l w e e np a r a l l e le l e c t r o d e s ，p o w e rc o n s u i e l p 6 0 na n dw a v e f o r m d i s t o r t i o n a f t e rt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt ot h et r a d i t i o n a ls p i n t - a r r a yf e de q u i v a l e n tc i r c u r m o d e l ，e q u i v a l e n tc i r e u i tm o d e l so r i e n t e dt od i o d es t n c t u r ea n dn o r m a l - g a t es t r u c t n r ec n t - f e d r e s p e c t i v e l ya r ep r o p o s e d i nt h i sm o d e l ，c a p a c i t a n c ei sc o n s i d e r e da st h ec o r ec o m p o n e n t , d i o d e a n dn - m o s f e ta r ea d d e dt op r e s e n tt h en o n - i i n e a re m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i cd u r i n gp e r f o r m a n c e p s p i c ei su s e df o rt h es i m u l a t i o n f r o mt h ec o m p a r i s o no ft h ep r a c t i c a ld r i v ew a v e f o r m st ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s t h i sm o d e lh a sb e e np r o v e da sap r e c i s ea n dr e a s o n a b l eo n e c o u p l i n gn o i s eb g t w c c np a r a l l e le l e c u o d e s ，p o w e rc o n s o m p f i o na n dw a v e f o r md i s t o r t i o ni n d i o d es t r u c t u r ea n dn o r m a l - g a t es t r u c t o ma ma l s os t u d i e df o rc o m p a r i n gt h et w od i f f e r e n t s t r u c t u r e ，s os u g g e s t i o na r ea l s op r o p o s e df o ri m p r o v e m e n t b ys t u d y i n gt h ev o l t a g e - l u m i n a n c ec u r v eo f c n t - f e du n d e rt h ep w mm e t h o d , t h i st h e s i s h a sp r o v e dt h er e c e n tv i d e os o u r c ef o rc r ti sn o tf i tf o ro u rc n t - f e ds y s t e m , t h u ss o m ek i n do f g a m m ac o r r e c t i o ns h o u l db ei n t r o d u c e d o r d i n a r yg a m m ac o r r e c t i o nm e t h o ds u c h1 0 b i tl o o k - u p t a b l ea n de r r o rd i f f u s i o nm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d , a n dt h em o s ts u i t a b l eo i l ei sd i s c u s s e dt o i m p r o v et h ed i s p l a yp e r f o r m a n c e a st h ef e dm o 糟a n dm o f ep r o s p e r o n s e m cb e o o m e st h em o r ea n dm o r ec o n s i d e r a t e a s p e c ti nt h ew h o l es y s t e m g o o de m cg u a m n t c e st h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ef e d s y s t e m i nt h ev i e wo f i m p r o v i n gt h ew h o l es y s 把m sp e r f o r m a n c e , d i s c u s s i o ni sm a d ei n c l u d i n g t h e e m c i n p c b b o a r d ，t h e d i s p l a y d e v i c e sc a p a c i t a n c ee f f e c t t o e m c ，f i n a l l ya p r o t e c tc i r c u i t i s p r o p o s e dt oa v o i dt h ef l a s hc u r r e n td a m a g et ot h eh i g hv o l t a g ed r i v e rc h i p s k e y w o r d ：c n t - f e d , e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lm o d e la p p l i c a t i o n , g a m m ac o r r e c t i o n , e m c ， p r o t e c tc i r c u i t i i 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： 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。 研究生虢墨垫塾导师虢趁日期：碰粥j 第一章绪论 第一章绪论 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二十世纪电子显示技术的发展，更是推动了信息和知识的传播，推动人类文 明以前所未有的加速度向前发展电子显示器件【0 1 】( e 4 e c t r o n i c d i s p l a y d e v i c e ) ，即人们常说的人机 界面( m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) ，它能将存在于各种电子装置的信息，通过人的视觉传递给人；而 且，通过它能与人交换信息，进行人机对话，具有电子工具的功能。因此，电子显示器件是连接人 与机器的纽带，是人机间传递、交换信息的桥梁。在当今的信息社会中，无论产业领域还是民用领 域，电子显示器件的作用越来越重要。而且在广泛使用、日益普及的同时，仍在日新月异地发展着。 从第一只阴极射线示波管发明至今仅电子显示器件就出现了上千个品种，而且从原理上完全不同 于阴极射线管的新型显示器件也相继出现，许多都已经实用化显示技术的广泛应用又促进了它自 身的发展，特别是半导体集成电路技术、计算机技术、材料科学与显示技术的发展相互促进。并且 都取得了长足的进步。电子显示技术目前已经形成了一个很大的产业，预计到2 0 0 5 年全球电子显 示器市场将达到6 1 7 亿美元岍j 。 近年来平板显示器件已逐步受到越来越多的关注目前研究工作比较集中的平板显示器中，液 晶显示器( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 和等离子体平板显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，p d p ) 占 据了主要地位。同时也有很多新型的平板显示的研究正在热火朝天的进行中，其中更以场致发射显 示器( f i e l de m i s s i o nd 却l a y ，f e d ) 和有机电致发光( o r g a n i cl i g h te m i s s i o nd i s p l a y ，o l e d ) 最 受到许多研究机构和大公司的青睐和大力投入其中f e d 凭借其具备阴极射线管的许多如高亮度， 宽视角等优越的显示性能，又没有c r t 体积大、笨重的缺点；较之液晶显示器又具备稳定性高、反 应速度快、图像不易失真的优点而被认为是未来显示市场可以替代传统c r t 的高性能平板显示器 1 0 3 1 1 场致发射显示器发展概况 1 1 1 场致发射显示研究概况 场发射显示器( f e d ) 0 4 1 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，然后轰击荧光屏形成光信号输出p j 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1 1 所示。所以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做到很薄，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和大力投入，主要是由于其卓越的性能，总结有如下几 流明效率高，高达1 0 l m w ，可以实现高亮度显示； 东南大学硕士论文 稳定性好，抗高温，抗低温，宽工作温度范围，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： 可以实现瞬间大电流，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，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。 图1 1 场致发射显示于传统阴极射线管结构比较 不可否认，阴极射线管具有一系列的优点，如高亮度、高效率、颜色丰富、响应速度快、温度 特性好、视角大、图像质量优异、成本低等，是少数有1 0 0 多年历史而至今仍有很强生命力的电子 器件之一。然而它需要电子枪来加速电子、体积大、无法实现便携式显示。阴极射线管平板化的努 力，早在5 0 年代就开始了，但至今没有突破性进展。从显示技术的发展历史角度看，场致发射显 示可以认为是阴极射线管平板化的一次新的努力，其采用场发射的冷阴极作为阴极发射源。在国际 上，s a m 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量的人力财 力，国内有台湾工研院，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。主导下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，在阴极制备，结构优化，器件封装，系统构件等方面已经取得相当进展。 1 9 9 0 年法国l e t i 首先制成了6 英寸单色f e d 0 4 1 。如今p i x t e c h 已小批量生产此类单色f e d 。 1 9 9 8 年m o t o r o l a 已建成2 7 5 0 0 脚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 9 8 会上展出了其样机，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 公司宣布已集 资1 2 5 亿美元建生产线，生产该公司的5 英寸f e d ( 溯将其定名为t h i nc r t ) 。有关人士看好 f e d 的前景，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 0 6 1 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，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 薄膜工艺可以得到小于3 0 0 p m x 3 0 0 p m 的象素，同尺寸的f e d s 用同样的的工艺可以达到同样的 2 第一章绪论 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器( p d p ) 嗍和背投式 c r t 显示器，而p d p 和背投式c f 玎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，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 0 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：发射材料必须在玻璃软化温度( 5 0 0 左右) 以下能应用到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l o o v 。则在驱动电路成本方面将明显 优于p d p s 。s p i n d t 型微尖f e d 通过精确控制栅极与发射体的问距获得低于1 0 0 v 的开启电压，而厚 膜工艺无法做到这一点。研究者一般通过引入采用非光刻工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料来解决这一问题。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 1 2 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。经过研究表明它们是同轴多层富勒管，被称为多壁纳米碳管( m w c n t ) 。随后 n e c 公司的t w e b b e s e n 和p ma j a y a n 找到了大量制备m w c n t 方法唧j 。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 i j i m a p s i 和i b m 公司的研究小组p g 同时报道了观察到了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 一。此后，法国的m o n t p e l l i e r 大学的b e m i e r 研究小组1 1 ”采用电弧法也可以得到高产率的s w c n t 。图1 - 2 给出了纳米碳管的结构 3 东南大学硕士论文 图1 2 单壁、多壁纳米碳管结构示意图 有关纳米碳管的制备方法1 1 1 】主要有：电弧法一热解法、激光蒸发法【”。电弧法与w o l f g a n g - - k r a t s c h m e r 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，纳米碳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l 例1 1 4 j 。这个结果已经通过扫描隧道电子显微镜( s t m ) 的观察证实【15 】【。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，用透射电子显微镜 ( t 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m ，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 n t 的吸氢过程研究发现，氢 可能逸固体形式填充到s w c n t 的管体内部以及s w m t 束之间的空隙，因此s w c n t 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。 而碳纳米管场发射显示器，就是指利用碳纳米管阵列作为发射阴极的场发射显示器 ( c 肝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，均匀性难以控制，而且尖锥极易受感染或者遭电子 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。而碳纳米管的发现给 场发射显示器无疑注入了新的活力。碳纳米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，可以得到较明显的场发射。同时碳纳米管的化学稳定性对工艺实现提供了更大 的发展空间。所以碳纳米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 法或者激光蒸发法等制备的碳粉进行纯化处理，然后融入有机溶剂，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 3 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 4 第一章绪论 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。同时到考 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 图1 3 丝网印刷的c n t 阴极的s b m 照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1 1 8 1 1 1 9 1 ，如图1 4 所示。 图1 4s a m s u n g 的f e d 样品，两图分别为n o r m l 一g a t e 和u n d e r g a t e 机构 日本 s e 公司利用其在制作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 2 0 1 2 ”。 1 2c n t - f e d 基本工作原理 场致发射显示器件f e d 是一种真空电子器件，与c r t 和真空荧光显示v f d ( v a c u u mf l u o r e c e n t d i s p l a y ) 有许多共同的特点。与c r t 和v f d 一样，f e d 中也是处于真空状态，靠电子轰击荧光粉发 光，并且具有基本相同的荧光屏结构。在f e d 中，电子是由与荧光屏大小相同的场致发射阴极阵列 发出的，每个荧光粉发光点对应一个场致发射阴极。阴极发射电流由行和列电极上的电压控制，发 光逐行进行。图1 5 为f e d 的结构示意图 5 东南大学硕士论文 囤1 5f e d 的结构示意田 阳极板有红、绿、蓝三基色荧光粉条，它们之间由黑矩阵( 或称黑底) 隔开，黑矩阵可以适当 减小环境光的反射，提高对比度。同时降低串色的可能性。阴极板上有行列寻址的微尖场致发射阵 列和栅极。阳极板和阴极板之间有支撑结构( s p a c e r ) ，以抵抗大气压。支撑一般是柱状或墙状结构， 材料多用陶瓷。支撑结构的放置应以不干扰电子束的轨迹为准。两个极板之间用玻璃边框和低熔点 玻璃封接，为了维持真空度，器件中需放置适当量的消气剂。一般情况下，阳极加正电压其电压 值的大小与荧光粉发光效率有关。阴极在栅极与阴极之间的高场强作用下，发射的电子通过栅极孔 近贴聚焦到相应的荧光粉上，激发荧光粉发光。因此，通过控制栅极与阴极之间的电压，就可以决 定哪些象素发光以及发光亮度的大小。 场致发射显示最突出的特点就是它是真空器件，具有与c r t 和v f d 相同的工作原理，因此场 致发射显示在不同的环境下具有良好的稳定性。由于电子在真空中的高速运动，场致发射显示实现 了快速响应，通过静态单元模拟或数字信号的控制实现电影质量的画面最重要的是这些真空器件 的优点已经在c r t 和v f d 中得到了证明【2 2 】。 场致发射显示实际上是一种平板c r t 。它采用发射阵列阴极产生场发射电流激励荧光粉发光， 因而结合了c r t 和其他平板显示器的优点，在亮度、分辨率、响应速度、视角、功耗、工作电压、 颜色再现以及工作温度范围等方面都有优良的性能。场致发射显示与c r t 相比，具有薄、轻、平板 化、无地磁干扰等特点。与液晶显示相比，场致发射显示为直接发光式器件，没有背景光源、滤 波器及偏振片。制备流程简单，功耗低【玎j ，而且不受视角的限制。与p d p 技术相比，f e d 具有发 光效率高，功耗低，无红外辐射等优点。 1 3 场致发射对驱动电路的要求 1 3 1 场致发射的驱动电路系统 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。且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 n 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。 6 第一章绪论 刁 c n t - f e d 屏的驱动电路系统主要包括三个部分：视频采集、逻辑控制、高压驱动，如图1 6 所 i 视频采集 图1 6c n t - f e d 视频驱动系统示意图 图像采集包括常规模拟信号的数字化、存储、针对f e d 显示屏所作的图像处理，其中常规视频 信号包括v i d e o s v i d e o 以及v g a 信号目前市场上能够购买成熟的相应专用的芯片，例如 s a a 7 1 1 0 和s a a 7 1 1 4 系列在图像数字化后，必须将信号存储下来，由于f e d 是时间调制显示方 式，因此必须存储两帧以上的图像，以便对每帧图像进行脉宽调制显示灰度信息 2 控制模块 控制模块是f e d 显示驱动的核心模块，它产生f e d 正常工作所必须的同步信号，图像存取信 号和高压驱动所需要的控制波形这一部分功能的实现通常采用可编程逻辑器件( c p l d 、f p g a ) 3 高压驱动 f e d 工作电压较高，因此其选址工作必须采用专用低压控制高压输出的芯片例如可以采用 s u p e r t e x 公司的h v 5 0 7 和n e c 公司的u p d l 6 3 0 5 芯片，分别可驱动“路和4 0 路，电压可以分别 达到3 0 0 v 和2 0 0 v 。 1 3 2 场致发射显示的驱动方式 c n t - f e d 可以采用多种驱动方式来驱动，但是一般采用时间调制脉宽的方式实现灰度。这是因 为目前东南大学研制的二极结构f e d 的阴极发射均匀性不够高，暂时不能很好地控制单个阴极地发 射电流。控制电流可以比较精确地控制亮度，但是无法控制固定阴极发射电流情况下可能得到的亮 度。所以本论文不采用幅值调制的方式。 7 东南大学硕士论文 眼睛在周期性的光脉冲刺激下，如果频率不高，则会产生一明一暗的闪烁感觉，长期观看容易 疲劳。如果将光脉冲频率提高到某一定值以上，由于视觉惰性，则不会再感觉到闪烁，则刚好不感 觉到闪烁的最低频率称为砰每界闪烁频率嘲( 五) 。它主要与光脉冲的亮度有关。还会受相邻画面的 亮度、颜色的分布及其变化、观察者画面的距离和环境等影响。对于一般的显示器件而言，当光脉 冲的频率大于临界闪烁频率时，人眼感知的亮度是实际亮度的平均值，即 b = ；r 上鼢 式中o ) 为实际亮度的随时间的变化规律。t 为光变化周期。由此可见，对于某一固定的亮度 信号，选择其导通关闭时间比值，从而可以实现不同的灰度显示。这就是所谓的时间调制方法，包 括脉宽调制和子场方式的理论基础。 如图1 7 所示。对应第一行的阳极选通信号。高电平有效。与阳极选通脉宽相同的数据宽度将 对应最高的灰度等级。比如要实现1 6 级灰度，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，例如数据l 和数据2 则分别对应于一级灰度和二级灰度。 阳 数 数 l 图1 7 脉冲宽度调制波形示意图 但是由于目前二极结构的c n t - f e d 存在开启电压高、亮度较低、荧光粉发光效率较低等多种 不足，所以对外围驱动电路的电压有很高的要求。但是目前商用的高压集成芯片耐压较低，数据移 位的速度也不能完全满足电路的要求。因此，张宇宁等人嘲将p w m 方式和子场方式结合起来提 出一种新的子段灰度实现方式，在一定程度上调和了高压驱动芯片在耐压和速度之闻的矛盾。 子段灰度实现方法总的思想是利用荧光粉点亮时间与显示亮度近似成正比的关系，控制每一个 象素点的发光时间来实现不同灰度等级。本系统采用逐行扫描的矩阵选址驱动方式。为方便有效地 实现灰度控制，按照所需的灰度等级，将每行的时间分成若干子段( s u b - s e g m e n t ) 。要实现的2 b 级灰度等级，将每行显示时间按照： 2 。( 2 6 1 ) ：2 ( 2 6 1 ) ：。2 2 ( 2 6 1 ) ：2 “1 ( 2 6 1 ) 的比例划分成子段，各子段的时间总长为每行的显示时间t f ；每子段的时间长度代表一种灰 度等级，通过数据电极在子段作用时间内施加的电压驱动信号，实现该子段对应灰度等级的显示。 对于子段所代表的灰度等级以外的灰度，通过在一行显示时间内不同子段数据电极上所施加的电压 驱动信号，使在不同子段内总的显示时间之和为所要显示灰度级与一级灰度显示时间的乘积，实现 该灰度暂级显示。 8 第一章绪论 要实现全彩色( r 、g 、b 各2 5 6 级灰度) ，则可以将每行分成持续时间比为l ：2 ：4 ：8 ：1 6 ： 3 2 ：“：1 2 8 的八个子段，记子段个数为6 ，b = 8 ，嬲g r a y s c a l e = 2 6 = 2 。= 2 5 6 。通过选 择若干子段组合可以实现o - - 2 5 5 间任何一级灰度。图1 8 给出了b = 4 位1 6 级灰度的子段划分和部 分灰度实现示意图。 r l l i r l i l 矗 m m + l n - 1 nn + l 图1 8 子段灰度基本思想示意图 该方法的数字主控部分接收并存储视频数据，根据子段划分的要求产生控制时序，逐行显示， 在每个子段工作的同时移入下一子段的数据，在每个子段开始的时候锁存数据，并行输出。 该方法的实现就可以直接利用前面介绍的h v 5 0 7 和u p d l 6 3 5 。因为在每一个子段时间内，任意 数据电极的输出为定值。要么为高要么为低。所以该方法既实现了数据电极占空比的调制，又可 以利用现有的高压集成芯片，使丝网印刷纳米碳管场致发射的图像显示成为可能。 可以看出，该驱动方法达到了脉宽调制的效果，但是不需要利用p w m 高压驱动芯片，从而可 以实现更高的电压幅值；另一方面，脉冲宽度的比例由数字主控电路控制，相对灵活，如果采用p w m 驱动芯片，脉宽比例是一定的，对于固定的继承模块，无法人为调制。同时，这种方法与子场的方 式比较类似，但扫描电极在一帧时间内只扫描一次，降低了对阳极的工作频率要求，从而降低了设 计要求和设计成本。 1 4 场致发射显示器工作特性的计算机模拟 场致发射显示器作为最有前景的平板显示器件，受到很多研究机构和大公司的青睐。但是场致 发射显示技术仍有一些问题有待于进一步解决，比如发光效率、均匀性、使用寿命、稳定性、工艺 成本等。为了克服场致发射显示研究中的遇到的这些问题，进一步改善f e d 的性能，必须进行大量 的实验来测试和理解c n t - f e d 的电气工作特性。然而这是一件非常繁琐的过程，因为碳管发射电 子曲线是非线性的；而且现在没有一种有效的方法能够准确测量出碳管发射电子的情况，而这对分 9 东南大学硕士论文 析发射单元的电特性有着重要作用，因此必须寻求一种更为有效的方法来对c n t - f e d 的电工作特 性进行分析。 随着计算机技术的飞速发展。计算机辅助设计c a d 在f e d 显示技术领域已经成为一种十分重 要的设计开发手段。目前f e d 显示屏的计算机辅助设计工作主要集中在对发射单元工作特性的模拟 方面，通过计算机模拟得到单元放电工作特性( 如发射电流、电子轨迹、着屏束斑等) 受发射单元 结构、电极尺寸等因素的影响。现在主流的模拟方法有两大类，分别是数值模拟方法和等效电路方 法。虽然两种方法都能模拟场致发射显示器发射单元的工作情况，但是两者的理论背景不同，所考 察的场致发射显示器发射单元工作特性的层面也有所不同。 1 4 1 数值模拟模型 基于麦克斯韦方程的数值模拟计算方法是研究f e d 放电空间工作特性最为直接的模拟方法，主 要特点就是可以利用模拟计算删求解很多难以用实验进行测试的物理量，包括发射电流密度、空间 电子轨迹、电子着屏束斑等。另外，通过对结构参数的修改，可以直接考察不同尺寸结构或加载电 压对场致发射工作特性的影响。 图1 9 给出了前栅极结构c n t - f e d 发射单元的结构示意图。其数值计算模型的建立如下：以数 据电极阴极为中心线垂直对发射单元进行划分，得到一个剖面。采用细小的矩形或三角形对放电空 间进行适当的分割，再选择合适的几何步长，就可以联立方程组中的微分方程转化为差分方程式进 行数值计算。 图1 9 前栅极c n t - f e d 结构剖面图 但是基于麦氏方程的数值模拟方法在实际模拟过程中复杂度较高，此外目前用于计算阴极发射 性能的f - n 公式原本是用于金属微尖的，能否准确的表征碳纳米管的发射性能还在进一步的研究中， 这样就必定会带来一定的误差。同时数值计算的过程通常为迭代运算，误差容易被积累，因此这样 的模拟计算方法不宜对循环工作状态进行模拟，如逐行扫描的脉冲。数值计算模型也在实际运行中 对操作人员提出很高的要求，相关参数的修改以及运算结果的分析都不是普通工程人员。如电气工 程师可以胜任的，在实际应用方面具有一定的局限性。 i o 第一章绪论 1 4 2 等效电路模型 当f e d 接入驱动电路系统，就相当于是作为电路系统的一个负载运行，换句话说，其本身在工 作过程中就可以看作是一个电路元件或一套电路的子系统，因此可以用等效电路的概念来对f e d 工 作特性进行仿真，即找到一套与实际f e d 具有相同或相近电路工作特性的电路系统( 内含标准的有 源或无缘电路元件) 来代替f e d 这就是f e d 等效电路模型研究方法的基本思想。 c n t - f e d 显示屏发射单元由纵横交错的电极构成，整个屏内抽成真空，放电空间虽然不是相互 隔离的，但是各自的放电电荷具有独立性，工作特性也基本和电容相