نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی

نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی

نمایشگرهای نوع انتشار میدان

یک بررسی انتقادی

چکیده

هدف ساخت نمایشگرهای جذاب صفحه مسطح (FPD) بر اساس آرایه های کاتد سرد اینک به واقعیت پیوسته است. پیکستک و فوتابا شروع به تولید تجاری نمایشگرهای انتشار میدان (FED) ولتاژ پائین کرده اند. بعلاوه، استقبال مردم از نمونه های VGA FED ولتاژ بالای تمام رنگی ،که توسط شرکت های کاندسنت و موتورولا در نمایشگاه ها و همایش های فنی به معرض نمایش گذاشته شده‌اند، بسیار مثبت و دلگرم کننده بوده است. اما هنوز آینده FED  در هاله ای از ابهام است. پیشرفتهای شگرف در کیفیت تصویر و کاهش هزینه تولید نمایشگرهای کریستال مایع، به همراه پیشرفت های قابل توجه در فناوری های دیگر FPD، باعث ارتقاء استاندارد برای FED ها شده اند. در این مقاله ابتدا وضعیت FED های مبتنی بر انتشارگر نوک ریز اسپیندت (Spindt microtip emitter) را مرور می‌کنیم. تمرکز ما روی پایداری فرآیند اسپیندت روی زیرلایه های بزرگ، انتخاب فسفر، پایداری ولتاژ بالا، و طول عمر نمایشگر می‌باشد. سپس، پیشرفت های اخیر در زمینه فناوری جایگزین کاتد سرد، شامل نانولوله های کربن و مواد کامپوزیت، و مزایای بالقوه آنها نسبت به FPD را مورد بررسی دقیق قرار می‌دهیم. این فناوری جدید یک فرصت استثنائی را برای سرمایه گذاریهای کوچک ، به منظور کاهش هزینه های تولید و رقابت با صنعت نمایشگرهای صفحه مسطح فعلی فراهم می‌آورد.

نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی

۱- مقدمه

بازار هدف برای نمایشگرهای صفحه مسطح FPD حدود ۱۸٫۵ میلیارد دلار فروش در سال ۱۹۹۹ تخمین زده شد [۱]. پیش بینی میشود که بازار نمایشگرها تا سال ۲۰۱۰ به ۷۰ میلیارد دلار برسد، و اینکه تولید نمایشگرهای ترانزیستورهای لایه نازک (TFT) کریستال مایع (LCD) به تنهائی از تولید نمایشگرهای اشعه کاتدی (CRT) در سال ۲۰۰۷ پیشی بگیرد [۱].  افزایش شگرف محبوبیت FPD عمدتا بدلیل پیشرفت های کیفی و ارزان شدن LCD ها است. LCD ها تقریبا ۷۵% بازار FPD سال ۱۹۹۹ را در دست داشتند، و در حال توسعه قلمرو خود از لپ تاپ به مونیتور کامپیوترهای شخصی  می‌باشند. دیگر انواع FPD نیز در حال افزایش و باز کردن راه خود به بازار مصرف کننده هستند. این موارد شامل هر دو مورد نمایشگرهای پلاسما و پروجکشن ، با هدف گیری سینمای خانگی صفحه بزرگ (بزرگتر از ۴۰ اینچ) و سیستم های نمایشگر تجاری، و همچنین نمایشگرهای انتشار نور ارگانیک ، با کاربردهای در موبایل ها و دوربین های دیجیتال درحجم تولید بالا [۱]، می‌باشد. با توجه به بزرگی و پتانسیل رشد بازار نمایشگرها، ادامه جذب سرمایه توسط فناوریهای FPD جایگزین جای تعجب ندارد، چرا که توان پیشی گرفتن از LCD ها از جهت قیمت، عملکرد، و اندازه را دارند. در این مقاله مروری، تمرکز ما روی یک چنین فناوری ئی، یعنی نمایشگرهای انتشار میدان (FED)، می‌باشد.

FED یک ابزاره الکترون خلا میباشد که بسیاری از قابلیت های نمایشگرهای فلورسنت خلا (VFD) و CRT را دارد (شکل ۱ را ببینید). درست همانند مورد VFD یا CRT، تصویر در FED با پرتاب الکترون ها از کاتد به صفحه نمایش فسفر اندود ساخته میشود. در یک CRT منبع الکترون ساخته شده است از یک تا سه کاتد داغ. یک مجموعه کویل های انحرافگر الکترومغناطیسی اشعه الکترونی را در طول صفحه فسفری، که عموما دارای ولتاژ ۱۵ تا ۳۰ کیلو ولت است، جاروب میکند. در یک FED منبع الکترون متشکل از یک آرایه ماتریسی قابل آدرس دهی شامل میلیونها منتشرکننده سرد است. این آرایه انتشار میدان (FED) در مجاورت حدود ۰٫۲ تا ۲ میلیمتری یک صفحه فسفری قرار دارد و طوری چیده شده است که هر پیکسل فسفر دارای یک مجموعه اختصاصی از منتشرکنندگان میدان میباشد. FED ، علاوه بر آند و کاتد، شامل جداسازهای سرامیکی به منظور جلوگیری از فروریختگی ساختمان آن تحت فشار اتمسفر، یک قاب که از دو طرف توسط لعاب شیشه ذوب پائین اندوده شده است، یک گاززدا برای زدودن گازهای اضافی داخل پکیج، رانشگرهای ردیف و ستون، و یک منبع تغذیه آند می‌باشد.

…

نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی

۲- ساخت کاتدهای انتشار میدان برای نمایشگر

دراین بخش ساخت آرایه میکروکاتد انتشار میدان را مورد بحث قرار میدهیم. در اینجا تمرکز ما روی ساختار “مخروط درون چاهی” (cone-in-a-well)، که همچنین به نام نوک اسپیندت شناخته میشود، میباشد. در سالهای اخیر، خیلی دیگر از ساختارهای انتشار میدان با تکنیک های مختلف ساخت میکرونی نیمه هادی ارائه شده اند. لیکن  نوک اسپیندت به عنوان ساختار منتخب برای کاربردهای نسل حاضر FED به راه خود ادامه می‌دهد. در این فرآیند،  مخروط های فلزی با نوک های به شعاع کمتر از ۳۰۰ آنگستروم توسط تبخیر شعاع الکترون در چاههای انتشارگر رسوب میگردند. این فرآیند،  خود محدودگر و خودتراز است،  و برخلاف بسیاری از روش های دیگری ساخت FEA، نیازمند استفاده از کریستال منفرد نمی‌باشد [۶]. بعلاوه، بسیاری از قابلیت های ابزاره،  همچون شکل هندسی نوک و چاه و ماده نوک را می‌توان با استفاده از تکنیک و ابزار ابتدائی مشابه ساخت.

در موتورولا،  فرآیند ساخت FEA با تمیزکردن پانل شیشه ای و رسوب دادن یک کپه SiO₂/SiN (کلا حدود ۸۰۰۰ آنگستروم)، که به مثابه یک سد ریزش فلزات آلکالی و آب ذخیره شده در زیرلایه شیشه ای بکار میرود،  شروع میگردد. سپس،  لایه بالاست Si غیرمتبلور و فلز ستون (Mo) ، به روش پرتاب،  رسوب و سپس شکل داده میشوند. بعد ازآن، عایق دریچه SiO₂ توسط روش رسوب بخار شیمیائی با تقویت پلاسما رسوب داده میشود،  و پس ازآن رسوب الکترود دریچه Mo انجام میشود. چاههای انتشارگر در چند گام متوالی بعدی تشکیل میگردند،  که طی آنها فلز دریچه ابتدائا، به روش تیزاب خشک، خشک شده  و دراین وضعیت شبکه مقاومتی به مثابه یک لفافه عمل میکند، و سپس این اکسید توسط یک تیزاب خشک متفاوت به Si غیرمتبلور تبدیل میگردد. درآخر، مخروط های انتشارگر ساخته میشوند؛ بدین ترتیب که ابتدائا یک لایه جداساز Al به صورت زاویه ای تبخیر داده میشود، سپس یک تبخیر مستقیم Mo صورت گرفته، و آنگاه یک برداشت لایه توسط اسید فسفریک انجام میشود. تمام فرآیند در شکل ۳ خلاصه شده است. در این شکل همچنین سطح مقطع یک کاتد قبل از برداشت لایه در گام نهائی نمایش داده شده است. 

…

نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی

۳- نمایشگر انتشار میدان ولتاژ پائین

در این بخش طرز تولید FED های طراحی شده برای عمل تحت ولتاژهای پائین حدود چند صد ولت را مورد بررسی قرار می‌دهیم. LVFED ها دارای روش ساخت ساده تری نسبت به ولتاژ بالا می‌باشند چرا که نیاز به قابلیت های اضافی ضروری برای حل مسائل  ولتاژ بالای آند در طول روزنه باریک خلاء نمی‌باشد. این قابلیت ها شامل اصلاحات ساختاری نمایشگر، روش های اندود کردن و رانش های مخصوص می‌باشد، که هرکدام از آنها ساخت نمایشگر را پیچیده تر میسازند. نتیجتا، LVFED ها از اولین نمونه های ظاهر شده در کنفرانس های و سالن های نمایش بودند، و در حال حاضر روی خط تولید تجاری در شرکت های پیکس تک و فوتابا هستند. تصاویر نمایشگرهای فوتابا و پیکس تک  را می‌توان در وب سایت این شرکت ها ملاحظه کرد [۱۰,۱۱]. جدول ۱ پارامترهای عملکرد این نمایشگرهای LVFED را خلاصه کرده است.

…

نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی

۴- نمایشگر انتشار میدان ولتاژ بالا

در این بخش به بحث ساخت FED‌هائی، که تحت ولتاژهای آند بالای ۱ کیلوولت ( نوعا بین ۳ تا ۷ کیلوولت) کار میکنند، می‌پردازیم. پانل های FED تحت این رژیم را به نام ولتاژ بالاها، یا HVFED ها، می‌شناسند؛ اگرجه این ولتاژ هنوز بسیار کمتر از حدود ۳۰ کیلوولت مورد استفاده عمده در نمایشگرهای CRT می‌باشند. درحالیکه فعلا هیچ HVFED ئی در اشل تجاری در بازار موجود نیست، تقریبا هر شرکت FED ، بطور فعال، طراحی یک ولتاژ بالا را دنبال میکند. موتورولا از همان اول تلاشهای خود برای توسعه FED ، یعنی از سالهای اولیه دهه ۱۹۹۰، تصمیم به تمرکز روی طراحی FED‌ ولتاژ بالا گرفت، برخلاف پیکس تک و فوتابا، که ابتدا مصمم به دنبال کردن یک روش ولتاژ پائین بودند [۱۶]. این تصمیم براین فرضیه استوار بود که چالش های ساخت یک FED ولتاژ بالا با فسفرهای موجود تجاری دارای سختی های کمتری است نسبت به این که بخواهیم فسفرهای کاملا جدیدی برای FED‌های ولتاژ پائین بسازیم. علاوه بر دردسترس بودن مواد فسفری مورد نیاز، روش HVFED مزایای مهم دیگری را نسبت به LVFED ، نظیر مصرف برق کمتر و تمرکز اشعه بهتر، فراهم می‌آورد. یک نمایشگر VGA رنگی ۱۵ اینچی شرکت موتورولا در شکل ۷ نشان داده شده است. این نمایشگرهای نمونه به کارکرد پایدار تحت ولتاژ ۵ کیلوولت آند ، جریان انتشار ۲ میکروآمپر برای هر پیکسل رنگی، و روشنائی ۱۶۰ Cd/m² دست یافتند.

…

نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی

۵- نسل بعدی نمایشگرهای انتشار میدان

نسل اول FED‌ ها برپایه  روشهای پردازش نیمه هادی و فناوری ورقه نازک ساخته شده اند. علیرغم موفقیت در رسیدن به اهداف عملکردی شامل خلوص کافی رنگ، درخشندگی،  طول عمر،  و اندازه ۱۵ اینچ، هنوز فرصتهای پیشرفت زیادی برای FED ها وجود دارد. بیشترین پیشرفتهای مهم در زمینه هائی خواهد بود که قابلیت رقابت FED ها را در بازار نمایشگرها ارتقاء دهد، شامل قیمت کل نمایشگر و اندازه بزرگ. در نتیجه، سرمایه گذاریهای قابل توجهی در توسعه نسل دوم FED ها که بزرگتر، یا ارزانتر، و یا هر دو باشند،  انجام شده است.

رویکردهای کاهش قیمت ها و افزایش اندازه در دو طبقه بندی واقع میشوند: (۱) جایگزینی انتشارگر میدان با یک ماده دیگر،  و (۲) تولید طراحی های انتشارگر میدان بطوریکه نیازمند فوتولیتوگرافی ظریف یا فناوری ورق نازک نباشند. انتخاب استراتژی مناسب توسط فناوری موجود در بازار نمایشگرها تعیین می‌شود. برای مثال،  FED‌ هائی که برای کاربردهای با اندازه نمایشگر کمتر از ۱۵ اینچ  طراحی میشوند باید با فناوری جاافتاده LCD رقابت کنند. LCD‌ ها از فتولیتوگرافی و پردازش ورق نازک برای ساخت TFT های کوچکتر از ۳۰۰x300 میکرومترمربع استفاده میکنند. FED های این اندازه و وضوح نیز نیازمند فتولیتوگرافی برای ساختارهای کوچک می‌باشند. اما چون LCD ها از پردازش ورق نازک سود می‌برند،  FED ها باز میتوانند از ساختار نسبتا گران فتولیتوگرافی ضمن حفظ قدرت رقابت استفاده کنند. بنابراین، رویکردهای برای FED های نسل دوم در این محدوده اندازه روی جایگزینی منبع الکترون  با مواد انتشارگر ارزانتر و با عملکرد بهتر تمرکز کرده اند. مواد بهتر میتوانند باعث کاهش ولتاژ رانش و در نتیجه کاهش هزینه های الکترونیکی شوند. این مواد همچنین میتوانند هزینه های سرمایه گذاری در ساخت انتشارگر را کاهش داده و در نتیجه قیمت نمایشگرها را پائین بیاورند.

رویکردهای تولید نسل دوم FED ها با قطر بیش از ۴۰ اینچ باید رقابت در بازار با نمایشگرهای پلاسما و پروجکشن های CRT را در نظر بگیرند. هیچکدام از پانل های نمایش پلاسما و پروجکشن‌های CRT نیازمند پردازش قابل توجه ورقه نازک یا فتولیتوگرافی ظریف نیستند. برای رقابت پذیر بودن در بازار نمایشگرهای بزرگ،  FED ها باید این فناوریهای گرانقیمت را حذف کرده و روی پردازش ورقه کلفت،  بازدهی بالا و اندازه بزرگ تکیه نمایند. از آنجائی که فرآیند اسپیندت برای تولید نوکهای فلزی ذاتا یک فرآیند ورق نازک می‌باشد نمایشگرهای اندازه بزرگ بناچار باید توسط متدهای جدید تولید میدانهای الکتریک محلی بیش  از ۱۰^۹ V/m بدون فتولیتوگرافی ظریف توسعه یابند. بنابراین، طراحی های FED با استفاده از پردازش ورقه کلفت نیازمند جایگزین کردن انتشارگر فلزی مقاوم با مواد کاتد سرد دیگری خواهند بود.  نیاز به ماده جایگزین برای انتشارگر برای نمایشگرهای با اندازه های بیش از ۴۰ اینچ  میتواند کاملا متفاوت از مورد آن برای FED های کوچک (زیر ۱۵ اینچ) باشد.

خلائی در فناوری صفحه مسطح فعلی بین ۱۵ و ۴۰ اینچ وجود دارد که برای آن راه حل اقتصادی ئی موجود نیست. ساختار قیمتی LCD بیش از آن گران است که برای نمایشگرهای بزرگ مورد استفاده قرار گیرد. فناوری PDP با محدودیتهای بنیادی در اندازه های کوچک نمایشگر مواجه است که از فیزیک پایه تولید پلاسما ها ناشی میشود. این وضعیت میتواند یک فرصت ویژه جالب برای FED ها فراهم آورد. ممکن است راه حل اختلاط ساختار ورقه نازک و کلفت برای ساخت نمایشگرهای اندازه متوسط FED در ذهن متبادر شود. بخش بعدی روی کاربردهای نمایشگرهای اندازه کوچک و اندازه بزرگ  تمرکز دارد چرا که کار کمی‌در زمینه نمایشگرهای اندازه متوسط گزارش شده است.

…

نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی

۶- نتیجه گیری

فناوری ساخت FED پیشرفت های شگرفی از زمان به نمایش گذاشتن اولین نمونه های آن در طول ۱۵ سال گذشته داشته است. تاکنون نمونه های VGA تمام رنگی در اندازه ۱۵ اینچ توسط شرکت های زیادی ساخته شده اند، و بسیاری از چالش ها، شامل پایداری ولتاژ بالا، مسئله قابل رویت بودن جداسازها،  و طول عمر نمایشگرها بطور موفقیت آمیزی حل شده اند. در عین حال،  نمایشگرهای LCD پیشرفت های قابل توجهی در کیفیت بصری و کاهش هزینه تولید کرده اند. FED ها برای موفقیت نیازمند ارائه نه تنها یک عملکرد بصری عالی بلکه پیشرفت اساسی در کاهش هزینه تولید می‌باشند. هزینه سرمایه گذاری بالای کارخانه تولید FED ریسک بالائی را برای هر شرکتی که میخواهد وارد بازار نمایشگر شود بدنبال دارد. استهلاک سرمایه عظیم اولیه نیز مشکل بزرگی برای نمایشگرهای FED است که تنها طی مرور زمان و آنهم در صورت موفقیت زدوده میشود. ریسک باخت در بازار تحت این سرمایه گذاری قمارگونه نیز دلسردکننده است. ما معتقدیم که انتشارگرهای پایه کربن و، بطور خاص،  نانولوله های کربن امیدوارکننده ترین مسیر برای رسیدن به هدف و تبدیل ایده تولید FED به یک واقعیت می‌باشند.

نمایشگرهای نوع انتشار میدان: یک بررسی انتقادی