申请书正文r分解

1、（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）： 1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）进入二十一世纪以来，以液晶显示（LCD）、等离子体显示（PDP）为主的平板显示器已经以其大显示面积、轻薄性和易于实现高清晰度影像显示等特点而逐步取代传统的阴极射线管（CRT）技术，成为了显示器和电视的主流技术。中国在整个平板显示器技术领域起步相对较晚，因此在拥有全球最强的CRT产业的同时却非常缺乏作为升级换代的平板显示器核心技术，整体显示产业面临严峻的生存

2、挑战。场发射显示（field emission display, FED）的概念从二十世纪六十年代提出到目前已经经历了近50年的研究。第一台Spindt阴极矩阵选址32×32像素单色FED的诞生于1986年。1由于场发射显示屏能提供类似于CRT的亮度和颜色，视角宽，对温度变化不敏感，并且具有全运动视频功能，厚度薄，功耗低，因此继LCD和PDP之后成为研究的热点。至二十一世纪初，全球开展FED研制的机构有SRI（美国）、Honeywll（美国）、Micro Display Tech（美国）、Motorola（美国）、TI（美国）、FED（美国）、Silicon Video（美国）、Pi

3、xTech（美国）、LETI（法国）、Futaba（日本）、松下（日本）、ISTOK RSP（俄罗斯）、Orin Electrical（韩国）、Samsung（韩国）、台湾工业技术研究院（中国台湾）、福州大学（中国）、中山大学（中国）、东南大学（中国）、西安交通大学（中国）、中科院长春光学精密机械与物理研究所（中国）等等。目前基于薄膜技术和半导体工艺的FED已经进入量产阶段。Futaba公司的单色Spindt阴极FED已经进入市场，彩色Spindt阴极FED也已投入大规模生产。Futaba公司投产的彩色Spindt阴极14.4英寸SVGA FED阳极电压为3kV，亮度达到400cd/m2。2如

4、果将基于薄膜技术和半导体工艺的FED划分为第一代FED，可以看出第一代FED尽管在色纯、亮度、寿命等方面取得了巨大成功。但与其它平板显示器件相比，成本过高，制作工艺复杂，最重要的就是向大尺寸发展会导致均匀性降低。为了提高FED在显示器件市场的竞争力，调查表明第二代FED的研制将集中在大屏幕和低成本方面。3各家研究机构一般在从两方面进行研究（1）用新型材料替换传统的场发射材料，（2）研究新型结构的FED。对于第一个方面的研究，经过多家研究机构的努力，近年来已经取得了长足的进展。在众多被研究的材料中，碳系列材料显示了最令人鼓舞的场发射的特性。而在碳材料中，碳纳米管显示出良好的电特性和化学特性，悬殊

5、的长径比使其具有很低的开启场强。因此大部分研究者将碳纳米管场发射体作为新一代FED研究的重点。新型场发射材料的使用，使得制造大屏幕场发射显示器件成为可能。同时为了进一步降低成本与其它平板显示技术竞争，还应发展新的厚膜制作工艺来替代昂贵的薄膜技术。例如研究较多的碳纳米管FED的阴极制作大多采用了直接生长4或丝网印刷的方法5，还有一些研究机构采用了喷涂和喷墨的方法制作阴极，为FED的发展提供了新途径6,7 。而在研究不同FED结构时，大部分研究机构不约而同的选择了碳纳米管作为阴极发射材料，这也证明了碳纳米管应用于FED具有广阔的前景。除了使用新型场发射材料和成本较低的制作工艺，对不同FED结构的研

6、制也是一个热点。致力于这方面研究的代表性的项目有：（1）韩国Samsung公司的基于印刷碳纳米管发射体的FED结构，证实了大面积印刷碳纳米管的可行性。2002年的IDW02会议上，Samsung公司报告了其研制的32英寸后栅极FED，亮度达到150cd/m2，实现了全彩色视频显示8。（2）日本ULVAC公司采用网状栅极替代传统栅极，有效地控制了电子束发散的现象，电子束斑由采用普通栅极时的0.5mm减小到0.2mm9。（3）韩国electronics and telecommunication institute 研制了锥形栅极的碳纳米管FED。该结构中的栅极是一个锥形孔，靠近阴极的部分开口大，

7、靠近阳极的部分开口小，可提高电子的汇聚性并能够保护在高阳极电压作用下的碳纳米管阴极不受破坏。该公司成功研制了5英寸QQVGA彩色动态显示的样屏10。（4）Philips Research 和LG-Philips Display 合作研制了一种基于二次电子发射的FED结构，HOPFED11。利用阴极发射的电子打到壁上产生大量二次电子和散射电子来轰击荧光粉产生可见光。这种结构能够改善像素内的光点形状、提高对比度和色纯、降低离子轰击对阴极的损伤。（5）台湾工研院最近研制了3折倍增电极结构的FED，在该结构中栅极和阳极之间增加了三个倍增电极，不仅可以降低阳极高压对阴极的破坏，还提高了像素内的显示均匀性

8、12。另外台湾工研院研制的平面栅极FED13和反射型FED14都是在结构改进方面进行的新尝试。综上所述，目前场发射显示技术要能与LCD和PDP在大屏幕高清晰度显示领域竞争，必须解决以下几个关键技术问题：1、 适用于大尺寸的厚膜阴极制造技术；2、 改善阴极发射的均匀性；3、 提高阳极工作电压，以提高亮度和发光效率；4、 减少离子轰击对阴极的损伤；5、 减小电子束斑以实现高分辨率。针对上述问题，本课题提出了辅助聚焦常开型后栅极场发射显示板的结构及其驱动方法。该显示板的示意图如图1所示。图1 辅助聚焦常开型后栅极场发射显示板结构示意图该显示板由前基板玻璃1、后基板玻璃2对向组装而成，通过支撑体3阵列

9、来保持固定的距离。前基板玻璃1上制作阳极4、荧光粉5，后基板玻璃2上依次为条形栅极6，厚度为0.150微米的局部或全部覆盖条形栅极6的介质层7，在介质层7上间隔制作与条形栅极6垂直的条形阴极8和条形辅助聚焦电极9。其中条形阴极8本身为能产生场致电子发射的材料，或在其上与条形栅极交叉点处或其全部表面制作能产生场致电子发射的材料。将上述前基板1和后基板2的四周用低熔点玻璃进行气密封接，经过抽真空后封离，就形成了带辅助聚焦极的后栅极场发射显示板。与其它结构的场发射显示板相比，辅助聚焦常开型后栅极场发射显示板在结构和驱动方法上都有很大的不同，这种方案的结构特点为：（1）在该场发射显示板中，栅极对阴极的

10、作用是通过限制阴极电子发射来实现控制，而电子发射是直接由阳极高压与阴极作用产生，因此比传统的通过栅极电压使阴极产生场致电子发射的均匀性好。（2） 与现有的后栅极三极管结构相比，该显示板的阴极发射面积大大增加，因此阴极所需电流密度减少，有利于提高器件寿命。（3） 该显示板可采用全厚膜工艺制作，因此工艺简单、成本低、成品率高。（4） 该显示板中辅助聚焦极的作用，减少了后栅极结构中电子束散焦的特性，因此可以增加前后基板之间的距离而不会增大光斑。而增加此距离有利于提高阳极工作电压，从而允许采用发光效率高的高压荧光粉来提高器件的发光效率。主要参考文献1 Meyer R., Ghis A., Rambau

11、d P.C.,et.al. Microchip fluorescence displayC. Proc. of Japan Display, 1986. 512-5152 Shigeo Itoh, Mitsuru Tanaka, Takeshi Tonegwa, et.al. Development of Field-Emission DisplayC. Proc.of SID07, Long Beach, USA, 2007. 1297-13003 Talin A.A., Dean K.A., Jaskie J.E. Field emission displays: a critical r

12、eviewJ. Solid-State Electronics, 2001. 45(1): 963-9674 Lim S.H., Kim H.S., Moon J.H. et.al, Field Emission from Carbon Nanotubes Selectively Grown on Stainless Steel Using a-Si Buffer LayerC. Proc. of SID03. Baltimore, USA. 2003. 798-8015 Takai M., Zhao, W. J., Sawada A. et.al., Surface Modification

13、 of Screen-Printed Carbon Nanotube Emitter for Large Diagonal Field Emission DisplaysC. Proc. of SID03. Baltimore, UAS, 2003. 794-7976 Kuo C.C., Hsiao C.Y., Li,Y.A. et.al, Spray-Coating Process for Preparing CNT-FED CathodeC. Proc. of SID04. Seattle, USA, 2004. 825-8277 Burden A.P. Bishop H.E. Brier

14、ley M. et.al, Incorporating Consumer-Priced Fielding-Emitting Inks into Arrays of Triode DevicesJ. Solid-State Electronics. 2001. 45:987-9968 Lee C.G., Lee S.J., Whang S.Y., et.al, FEDs with CNT on Large Area ApplicationC. Proc. of IDW02. Hiroshima Japan, 2002. 1021-10249 Naoki Tsukahara, Haruhisa N

15、akano and Hirohiko Murakami，et.al, A 4.8 inch GNF-FED with A Mesh Gate StructureC. Proc. of SID06. San Francisco, USA, 2006. 660-66210 Yoon-Ho Song, Jin-Woo Jeong, Dae-Jun Kim, et.al. Active-Matrix Cathodes with Tapered Macro-Gate for High-Performance Field Emission DisplayC. Proc. of SID06. San Fra

16、ncisco, USA, 2006. 1849-185111 Junko Yotani, Sashiro Uemura, Takeshi Nagasako, et.al. Practical CNT-FED Structure for High-Luminance Character-Displays C. Proc.of SID07, Long Beach, USA, 2007. 1301-130412 Visser H. M., Rosink J.J.W.M., Gillies M.F. et.al, Field Emission Display Architecture based on

17、 Hopping ElectronC. Proc. of SID03. Baltimore, USA, 2003. 806-80913 Shy-Wen Lai , Jeng-Maw Chiou, Shu-Hsing Lee, et.al. Application of A Novel Dynode Structure to CNT Field Emission UnitC. Proc.of SID07, Long Beach, USA, 2007. 1421-142414 Chun T.L., Cheng H.C., Chang Y.Y. et.al, Planar Triode Struct

18、ure Carbon Nanotubes Field Emission DisplayC. Proc. of SID03. Baltimore, USA, 2003. 922-92515 Chuang F.Y., g Lee C.C., Lin J.D. et.al, A Reflective-Type Carbon Nanotube Field Emission DisplayC. Proc. of SID00. Long Beach, USA, 2000. 329-3312. 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题（此部分为重点阐述内容）研究内容本项目研究内容的核心是对辅助聚焦

19、常开型后栅极场发射显示板进行完整的理论研究，通过理论分析来优化显示板的结构参数和电参数；研制样屏进行验证，并进一步研究该技术实现所需解决的关键工艺制备技术。研究内容包括多功能软件包的开发；结构优化设计；解决关键制备工艺，研制样屏并测试分析。具体研究内容包括以下几个方面：（1）考虑空间电荷效应的电场分布的有限元计算。（2）结合统计学原理和实际样品测试建立更符合实际应用的阴极场发射物理模型。（3）显示空间内阴极电子发射分布及强度计算、电子轨迹计算、着屏电子束斑的形状及强度分布计算。（4）显示板的结构参数和电参数的优化。（5）显示板样屏的研制与测试，以及厚膜工艺先进性的实验验证。研究目标通过对辅助聚

20、焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板以上五部分内容的研究，建立起一套关于辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板的设计理论和设计方法；然后将研究结果直接指导样屏的设计；并用实验的方法验证所提方案的可行性与先进性；从而为该技术的进一步实用化提供理论依据和设计方法。拟解决的关键科学问题针对研究内容，拟解决的关键问题如下：（1）传统基于单个场发射阴极的物理模型（福勒-诺德海姆公式）不适用于基于厚膜场发射阴极的物理模型，必须在该公式的基础上结合统计学原理和实际样品测试建立更符合实际应用的阴极场发射物理模型。（2）辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射结构的特征之一是利用辅助聚焦极约束电子束斑，从而提高阳极距

21、，获得更高的电子能量来提高亮度和效率。在这种工作条件下必须考虑空间电荷效应，并通过优化聚焦极几何参数和电参数获得更佳的阳极束斑。（3）辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板的实现必须解决的关键技术包括基于厚膜技术的碳纳米管阴极的制备、高宽高比的支撑体的制备、高真空获得等。3. 拟采取的研究方案及可行性分析（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）拟采取的研究方案为了解决辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板的理论研究与样屏制造，本项目拟采取如下的研究方案：（1）充分利用成熟的基于MATLAB的有限元法计算电场软件FEMLAB，建立该显示板的结构模型、定义物理参量、划分网格并计算显

22、示空间的电场分布情况。（2）在福勒-诺德海姆公式的基础上，结合统计学原理和实际测试结果，建立基于厚膜工艺的阴极发射模型；计算阴极电子发射情况，采用龙格-库塔法计算空间电子轨迹并将结果在matlab中实现阴极电子发射、电子轨迹和着屏电子束斑的图形化显示。（3）利用以上计算方法，分别改变该显示板的结构参量和电参量或两者的结合，计算阴极电子发射和着屏电子束斑情况，对结构参量和电参量进行优化设计。（4）采用厚膜工艺制作该显示板的前后基板，改善碳纳米管的垂直取向性。可行性分析本项目所提出的研究方案是辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板的理论研究和试验验证，其可行性表现在如下几个方面：（1）与其它结构

23、的场发射显示板相比，辅助聚焦常开型后栅极场发射显示板在结构和驱动方法上都有明显的技术优势，具有均匀性好、寿命长、工艺简单、成本低、亮度和发光效率高以及分辨率高的特点。因此无论从理论还是技术上都具有较强的可行性。（2）东南大学显示技术研究中心对场发射显示已经开展了多年的研究，在碳纳米管厚膜阴极制备及器件制造等方面取得了一定的进展，并且拥有一条平板显示研制线，为本项目的研制提供了良好的硬件平台；同时在厚膜制造工艺、真空获得、测试等方面有丰富的经验。（3）项目申请者在2005年对常开型后栅极场发射显示板进行了初期的理论研究并研制出样屏，验证了常开型的驱动方式对改善电子束扩散及提高阳极工作电压的作用，

24、但束斑尺寸偏大，不利于高分辨率显示。本项目所提出的方案是在上述结构上的改进，通过增加辅助聚焦极，一方面可以进一步抑制电子束扩散，另一方面可以降低栅极工作电压。4. 本项目的特色与创新之处。 本项目的特色与创新之处有如下几点：（1）本项目所提出的辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板的结构和驱动方法已向国家知识产权局申请发明专利（申请号为：03149669.5），具有自主知识产权。（2）在福勒-诺德海姆公式的基础上，结合统计学原理和实际测试结果，对传统单个阴极场发射模型的理论模型进行改进，建立基于厚膜工艺的阴极发射模型，具有较强的理论价值。（3）通过本项目的实施，针对场发射显示板建立一套全新的

25、模拟、设计软件，并通过实验验证进行反馈修正，不断完善设计理论，优化设计平台，具有一定的实用价值。5. 年度研究计划及预期研究结果（包括拟组织的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等）年度研究计划2009年1月-2009年12月（1）通过理论分析和实验测试结果相结合，建立厚膜碳纳米管阴极发射物理模型；（2）编写计算空间电场分布、阴极电子发射、空间电子轨迹和着屏电子束斑的软件包；（3）建立辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板的结构模型，并完成结构的初步设计。 2010年1月-2010年12月（1）对显示板的结构参数和电参数进行优化设计的研究。（2）研究提高碳纳米管垂直取向的厚膜制备工艺。（3）

26、根据优化设计的结构制造显示板样屏。（4）研究工艺参数对显示质量的影响。 2011年1月-2011年12月（1）对显示板性能进行测试、分析。（2）通过试验研究，验证设计方案的可行性与先进性（3）文献整理，撰写结题报告，结题验收。 预期研究结果针对辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板的研究，预期研究结果如下：（1）辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板的建模和仿真分析。（软件）（2）完成辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板原理性样屏的设计和制造。（实物）（3）在国内外核心刊物上发表论文4-5篇，其中SCI收录至少1-2篇；显示板设计报告1份；实验测试报告1份；培养硕士生2人。（二）研究基

27、础与工作条件1、工作基础（与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）（1）2005年东南大学显示技术研究中心已经针对场发射显示板的结构研究进行资料收集、调研和各种研究方案的论证，并创新性的提出了辅助聚焦常开型后栅极碳纳米管场发射显示板的结构和驱动方案。（2）已经培养博士生1名，硕士生1名，申请发明专利1件（一种场发射显示板及其驱动方法，公开号：CN1481200A）。（3）2005年申请者对无辅助聚焦极的常开型后栅极场发射显示板开展了初步的理论研究，并通过研制原理性样屏证明了常开型驱动方法的可行性，也为本项目的实施在理论和制造上积累了经验。（4）组成研究团队的研究人员明确地分工以及各自

28、在相关领域内所从事的多年的研究经验和研究成果，满足了本项目的要求，为圆满完成本项目的研究工作奠定了基础。2、工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径，包括利用国家实验室、国家重点实验室和部门开放实验室等研究基地的计划与落实情况）本项目的实施在东南大学显示技术研究中心，该中心已经具备了项目研究所需要的基本工作条件，包括平板显示研制线一条，计算机辅助设计实验室。实验所需的设备，包括： 丝网印刷机 红外干燥炉 显影机高温隧道烧成炉 磁控溅射设备 平板清洗机3、申请人简介（包括申请人的学历和研究工作简历，近期已发表与本项目有关的主要论著目录和获得学术奖励情况。论著目录要求详细列出

29、所有作者、论著题目、期刊名或出版社名、年、卷（期）、起止页码等；奖励情况也须详细列出全部受奖人员、奖励名称等级、授奖年等）仲雪飞：女，博士，1975年12月出生。1993.9-1997.6 东南大学电子工程系学习，获工学学士学位。1998.9-2001.3 东南大学电子工程系学习，获工学硕士学位。2001.4-2004.4 东南大学电子工程系工作，助教。2004.5-2006.5 东南大学电子工程系工作，讲师。2005.11 于东南大学电子工程系获工学博士学位。2006.6至今 东南大学电子科学与工程学院工作，副教授。主要研究领域包括场发射显示器件的理论研究、显示系统中的视觉感知研究、人工神经

30、网络在显示系统中的应用研究等。先后参与国家自然科学基金项目一项、国家973计划课题一项以及多项国家九五、十五863计划等研制项目。在本项目中负责项目的总体研究方案制定。申请者近期已发表与本项目有关的主要论著目录1. Xuefei Zhong, Wilbert van der Poel, Daniel den Engelsen, Hanchun Yin. Influence of electrical and structural parameters on the performance of the spacers in HOPFED. Journal of Electronics (Chi

31、na). Vol.23, No.1, 2006. 117-1202. Zhong Xuefei, Yin Hanchun, Wang Baoping. Carbon-Nanotube-Based Normally-on-Driving Under-Gate Field Emission Display Panel. Frontiers of Electrical and Electronic Engineering in China.Vol.1, No.1, 2006. 82-873. Xuefei Zhong, Hanchun Yin, Wei Lei, Xiaobing Zhang. Nu

32、merical Study of the Emission Property of Normally-On Driving Under-Gate FED. Proceeding of INVNC 2005. 129-1304. 仲雪飞 樊兆雯 尹涵春 王保平.常开型后栅极场发射显示板工作特性的研究. 真空科学与技术. Vol.24, No.6, 2004. 404-4075. Xuefei Zhong, Hongping Zhao, Wei Lei, Xiaobing Zhang, Hanchun Yin Wilbert van der Poel, Daniel den Engelsen. N

33、umerical Study of the Electron and Ion Trajectories in HOPFED. Journal of SID. Vol.12 No.4, 2004 (注：该期刊只有光盘版，无页码)6. 仲雪飞，Wilbert van der Poel, Daniel den Engelsen, 尹涵春. 基于二次电子发射的FED 中支撑结构的优化设计. 真空科学与技术. Vol.24, No.4, 2004. 249-2547. Xuefei Zhong, Zhaowen Fan, Yongming Tang, Hanchun Yin, Yan Tu, Baopi

34、ng Wang and Linsu Tong. Concept of a Carbon-Nanotube FED with a Normally on Driving Under-Gate Structure. Proceeding of SID 2004. 932-9358. Xuefei Zhong, Wilbert van der Poel, Daniel den Engelsen, Hanchun Yin. Monte Carlo Calculation of Electron Transport through Hop and Flu Spacers in HOPFED. Proce

35、eding of ASID 2004. 203-206 9. 仲雪飞，尹涵春，王保平. 一种基于纳米碳管的常开型后栅极场发射显示板. 东南大学学报 （自然科学版）. Vol.34, No.1, 2004. 19-24李青：女，博士，1964年10月出生。1983.9-1987.6 南京理工大学光电技术系学习 获工学学士学位。1987.9-1990.3 南京理工大学光电技术系学习 获工学硕士学位。1997.9-2002.9 东南大学电子工程系学习 获工学博士学位。1990.4-1995.12 南京电子部五十五研究所液晶研究室，担任副主任兼党支部书记，承担管理、科研工作。主要从事有源液晶显示器件及

36、彩色液晶显示器件研究。1995.12 至今 南京东南大学电子科学与工程学院显示技术研究中心，从事液晶显示、等离子体显示等平板显示的科研和教学工作。主要研究领域包括液晶显示、等离子体显示、场发射显示等平板显示的工艺研究等。先后主持国家自然科学基金项目一项（名称：扫描式表面放电型等离子体平板背光源的研究，项目号：60571033）、多项国家九五、十五863计划等研制项目。近期已发表的主要论著目录1. Li Qing, Zhang Xiong, Tang Yongming, Tu Yan, et.al. Development of 25-inch SVGA SMPDP. Journal of th

37、e SID Special Section of Selected Extended Papers from IDW/AD'05. Vol. 14, No.8, 2006. 695-7002. 李青，张雄，许晓伟，樊兆雯. SMPDP中荧光粉层制备方法的对比与研究. 液晶与显示. Vol.20, No. 6, 2005. 467-4713. Qing. Li, Z. Fan, Y. Tang, et.al. Study on Properties of Si Doped MgO Layer in SMPDP. Proceeding of IDW 2006. 1173-11764. Qing Li, Zhaowen Fan, Yaosheng Zheng. Research on Characteristics of MgO with Adding Hydrogen in SMPDP. Procceding of ASID 2006. 144-1475. LI Qing, ZHANG Xiong, TANG Yongming, et.al. Fabrication of 25-inch SVGA SMPDP Panel. Proceeding of IDW 2005. 485-1488 6. Qing Li,