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　　编者按：这是一系列关于LED背光技术发展的技术性文章的第二章，文章对新时代的LED背光元件发展情况以及发展趋势有清晰的描述，对于关注LCD行业技术发展的朋友来说，这是不可多得的一系列好文章。关于LED技术相关文章，请查阅《绝不是危言耸听!LCD即将面临一场革命》。第一章为：《充电学堂:新时代的LED背光元件发展趋势[1]》，本文为第二章。

　　前言：

　　根据Displaysearch表示，30吋的液晶电视的成本结构中，在2004年背光模组大概占了32∼33％。但是这样的比例在这几年都没有明显的下降，由于是使用线光源或点光源的因素，使得背光模组中的结构几乎没有太大的变化，所以除了光源成本外，还包括了：Reflector、DiffuserFilm、PrismSheet、 PlasticParts等等的薄膜元件。

　　而这些薄膜元件却占了整个背光模组约80％左右的比例，因此，若从光源来做考量，在未来持续使用冷阴极灯管、LED等光源，那么还是需要Diffuser等的这些材料，而背光模组的成本便无法获得有效的降低，使得面板模组整体成本降低空间有效（图1）。

▲图1：32吋液晶电视背光模组成本结构（资料来源：Displaysearch2005/04）

　　一、背光模组大量损耗光源

　　由于线光源或点 光源必须使用Reflector、Diffuser等等的光学薄膜，会出现相当程度的光耗损现象，根据工研院的资料，假设从线光源所发射出来的光是100％的话，经过Reflector、Diffuser等等的光学薄膜后，只会有约60％的光通过背光模组进入到偏光膜，最后经过LC、Surface出来只剩下4％的光（图2）。

▲图2：背光模组光耗损分析（资料来源：工研院电子所）

　　如果是平面光源的话，来到偏光膜的光还有95％，同样经过LC、Surface，最后还可以有8.7％，假设面板所使用的材料是一样的话，使用平面光源会除了有较高的光效率外，还会省下一些薄膜材料。如果线光源是1万nits，那么，最后投射出来的光只会有400nits，假设LCD面板规格需要500nits，那么线光源的亮度就必须选择1.2∼1.3万nits。而转换使用平面光源的话，也许只需要选择6000nits的平面光源， 最后的亮度大约为500nits左右，不需要亮度很高的平面光源就可以符合LCD面板规格的需要。

 　　二、场发射作为显示器概念逐渐成型

　　以目前来看，在平面背光源中发展较快速的是利用奈米碳管作为Emitter，利用场发射的概念形成一个发光平均的平面背光源“奈米碳管场发射显示器”（Carbo nNanotubeFieldEmissionCarDisplay）。FieldEmission电极理论最早是在1928年由R.H.Fowler与L .W.Nordheim共同提出。不过，真正以半导体制程技术研发出场发射电极元件， 开启运用场发射电子做为显示器主要技术，却是在1968年由C.A.Spindt提出后，才吸引后续众多研发者的投入。但一直到1991年前，场发射电极的应用却一直没有太大进展。直到法国LETICENG公司在1991年第四届国际真空微电子会议上展出了一款运用场发射电极技术制成的显示器成品后，这种技术才真正被世人注意，并吸引了Candescent、Pixtech、Micron、理光（Ricoh）、摩托罗拉（Motorola）、三星电子（Samsung）、飞利浦（Philips）等公司的投入，也从此让FED加入平面显示器的竞争行列，成为TFT-LCD、PDP等大型化显示技术的竞争对手。

　　三、场发射技术因改用奈米碳管获得突破

　　场发射技术一直无法广泛应用的原因之一， 是由于元件的问题。 最早被提出的Spindttype微尺寸阵列虽然是首度实现场发射显示的技术， 但它的阵列特性却限制了显示器的尺寸， 因为它的结构是在每一个阵列单元上包含一个圆孔，圆孔内含一个金属锥， 在实现产品制作时，微影与蒸镀技术均会受到尺寸上的限制。因此，业界开始积极寻找可取代Spindt场发射元件的替代技术。基本上都以碳元素为基础，其中一种以钻石为场发射元件，可以得到极低的启动电压，不过在1991年，恩益禧（NEC）的Iijima发现表一篇有关奈米碳管的文章后，研究人员发现，以奈米结构合成的石墨，或以奈米碳管做为场发射子，能够得到更好的场发射效率，而且成本比钻石低得多，遂使得奈米碳管合成技术成为开发新一代FED的热门材料。

　　四、利用奈米碳管架构作为新一代技术

　　在奈米碳管的技术开发上，目前有许多种方法可以定义一个奈米碳管（CarbonNanotube； 奈米碳管）的架构，其中一个是利用一层以六角形碳原子做环状卷起，呈现圆筒状的物质。在卷起后，两个最后的结点会互相连接。它的直径在１nm至数10nm间，具有优良的电子、机械、热传导、电流密度与吸着等特性，应用领域极广，从半导体、量测、制造业都包括在内， 已经被开发的应用项目包括有半导体制程微小化、SPM探针、复合材料、锂电池负极， 及FED用之发射子等。奈米碳管的碳管平面大概是4nm，长度大概是15微米。本来早期电极是用Mo-Tip，后来改成利用银作为电极，也就是目前PDP所用的银电极，而在介电层的部分可以用目前PDP所用的一些玻璃材料就可以，所以和PDP的技术很类似，由于是使用现有成熟的PDP材料， 然后再加上CRT的技术，所以奈米碳管成本相对的便宜，已经引起相当多业者的注意。

　　另外，碳管场发射本来就是一个自发光的元件， 由于奈米碳管场发射是自发光的特色使得未来应用在背光模组上，将会节省掉例如扩散膜及导光板等等的光学薄膜，这在背光模组的结构上， 可以降低相当多的成本压力（图3）。 　

▲图3：利用奈米碳管场发射作为背光源（制图： 卢庆儒）

　　五、奈米碳管场发射拥有诸多良好特性

　　目前奈米碳管有相当多的结构， 例如包括单层管、多层管、Graphitic等的制程结构，都可以达到场发射的目地，进而形成光源应用在背光上。由于奈米碳管可以当作场发射的Emitter，是因为它的成长方式很简单，包括了ArcDischarge、CVD等的技术都可将奈米碳管制成Emitter。

　　在台湾，早期有很多学校，例如台大、交大、清大的一些教授，已经开始投入Emitter的研究，因为这些学者早期是做的diameter，而奈米碳管的成长方式跟Diameter很像，所以改变目标转成以奈米碳管来做Emitter不是相当困难，以目前台湾的能力，来发展奈米碳管场发射显示，相对在瓶颈上也会少了许多。奈米碳管场发射除了制作方式很简单外，也具备了一些相当不错的特性， 因为奈米碳管场发射有一个Lowturnonelectricfiled，大约是0.8V/μm，这代表的就是说，驱动电压不用太高，奈米碳管跟现在的PDP一样，大约是200∼300V，而瞬间电压大约是到100V，目前三星更可以做到80V， 以现有的驱动IC就可以完成驱动电路的设计，另外因为EmissionCurrentDensity很大，使得萤光粉的亮度也会比较亮。

　　另外，还有一个重点，奈米碳管场发射的Stability很好，无论在Chemical的环境、在Mechanical、在Emission、甚至在ThermalCycle的状况下，都相当的稳定。例如，高温的环境下，会烧进一些空气、氧气，当温度达到450℃时， 奈米碳管还不至于遭受破坏，而其他像MoTip等等，只要遇到一些氧气、氮气，或真空条件比较不高的环境下，就会出现氧化的情况，然而这些环境下的问题并不会影响到奈米碳管，由于奈米碳管有这样的特色，是得原先发展MoTip、Spindtype技术的业者例如像三星、LG、 Motorola、SONY都转入发展奈米碳管。

　　六、传统架构不易被应用作为背光源

　　虽然，利用奈米碳管的技术来制成背光模组所需的背光源有这么多特色，但是以目前的专利技术来看，如果应用在背光源上面，可能会出现高热， 及光效应不佳的问题。（图4）是传统奈米碳管场发射的结构，这是台湾交通大学一位教授的专利。从图1中可以发现几个问题，由于发光面跟LCD是在同一边，当电子带能量去撞击萤光粉的时候，能量在发光时候同样的会转成热能，热能会存在ANODE上，而当需要更高亮度时，在上面所残留的热会逐渐随着亮度增加而升高，就会出现过热的现象。此外，因为LCD下面，也就是接近背光模组的地方会有一些膜片，例如Polarizer等，当过热的现象持续出现， 这些膜片会因为长期处在高温的情况下，会产生裂化的现象，缩短使用寿命， 再加上这些模片不易更换，都会影响背光模组业者采用奈米碳管场发射做光源的意愿。

　　另外，由于发光源是在上面，往下所发射的光，有一部份会泄漏出来， 而这些跑出来光很难再聚集回去，原因是下面有一个Emitter的结构，这个结构上面有一个电极，电极通常都是银电极，因为电极都是深色， 所以深色会吸走部分光，而利用这样的结构应用在背光模组上，会出现许多先天上的缺失， 而这些困难也是不容易被克服。 　

▲图4：传统奈米碳管场发射结构（资料来源： 工研院电子所）

　　七、利用颠倒奈米碳管结构改善问题

　　面对这些问题， 工研院电子所将奈米碳管场发射的结构做了相当大幅度的更改，并且取得的技术专利。 早期工研院电子所进行传统奈米碳管场发射作为背光发光源实验的时候， 发现往下的亮度实际上比这个还高。 因为这个发现，电子所重新设计奈米碳管场发射的结构， 将Cathode与Anode做倒置，让原先的发光面转成在下方， 并且改变了铝膜的位置（图5）。 　

▲图5：工研院电子所改善后的奈米碳管场发射结构（资料来源： 工研院电子所）

　　原本铝膜的位置是在萤光粉下面，改变结构后的新奈米碳管场发射面板， 铝膜变成在Anode的上方，当电子去撞击萤光粉， 光线会直接跑Anode板玻璃上面的铝膜，铝膜让光产生反射的现象。 　因为反射膜是做在萤光粉下面，也就是说电子会穿过铝的反射膜跟CRT很像， 穿过铝的反射膜时，撞击萤光粉之后发亮，萤光粉下面的铝膜会把这光往上反射， 所以可以将铝膜直接做在玻璃上， 这样就可以减少了冷阴极灯管和背光模组中所使用的一层反射膜。 　因为是下方的Emitter让电子打到萤光粉后，经果铝膜反射，光线是往反射， 使得在背光模组与LCD的接触面不会产生热的现象， 而因为电子去撞击萤光粉所出现的热会在下方， 然后在利用散热的装置将所产生的热导出背光模组。 　另外，因为奈米碳管场发射是真空的结构， 因为真空的结构不会出现传导和对流的现象，而会让所产生的热效一直存在下方， 不会往上扩散。 所以模组上方不仅是温度最低的地方，更是整个模组中光线亮度最高的地方。 　除了这些结构上变化外，工研院电子所还考虑到了每一组电子源距离的问题， 因为如果电子源过近的话， 有可能会出现两组电子源所发射的电子会同时撞击在同一点的萤光粉上面， 如此一来就会出现明暗不均匀的现象，当这样现象出现， 就必须使用扩散膜来完成光点分散的效果。 　不过，正是因为采用平面光源的目的就是期望减少膜片的使用，所以出现这样情况的话， 那就无法达到原先的目标。 　在经过实验验证后，将电子源的距离调整到最完美的状态，可以达到光面亮度的均匀， 不会让太多电子源重复打到同一点萤光粉上， 根据工研院电子所的资料是均匀度大约可以达到79％左右。

　　八、调整萤光粉　以求更适合应用于背光 　

　　因为采用了平面光源的目地是为达到降低成本的目 标，所以在奈米碳管场发射所使用的萤光粉也必须做一个调整， 以期望所发射出来的光特性，并不会和目前冷阴极灯管所发射出来的光有太大的落差。 　由于使用CRT的白色萤光粉，所出现的色温会比较高，也就是会有偏蓝的状况， 所以在萤光粉上必须重新做一个调整， 否则因为发射出来的光特性如果与原先冷阴极灯管所发出的光， 特性相差太大的话将会影响到彩色滤光片，但是，若因改变了背光光源， 期望取代冷阴极灯管而让彩色滤光片必须要随之做更动，或许会出现得不偿失的情况， 因此在萤光粉的选择上是无法沿用原先CRT的萤光粉，而必须要做一些调整或开发。 　目前大约有两个方式来开发奈米碳管场发射用的萤光粉， 第一是利用现有的RGB萤光粉来进行混色，这样获得纯白的色域会比较广， 因为大家都知道CRT里面萤光粉可以达到100％的NTSC， 而至少这样的背光萤光粉，基本上到达100％NTSC一般来说是没问题。 　另外一个方法开发新的白色萤光粉， 这样的萤光粉初期的设定目标就是期望能达到发出与冷阴极灯管相同特性的光， 所以一开始或许就必须把萤光粉的座标达到0.33、0.34左右的条件。

　　九、台湾有相当潜力投入奈米碳管开发 　

　　目前冷阴极灯管及LED技术还无法有效的满足低耗电、低表面温度要求，此外，还有冷阴极灯管的环保及LED权利金的问题， 都是需要去克服的。 但是，台湾很早就开始发展奈米碳管技术，所以专利的部分并不需要从国外去授权， 再加上奈米碳管场发射是一个真空元件， 它不需要像冷阴极灯管参进一些任何像汞蒸气或者铅的含量，及因为跟PDP的制程很像， 在尺寸方面容易大面积制造，现在全世界最大的PDP是102吋， 都可以套用原有的生产设备。

　　目前南韩三星康宁、LG电子，及日本的Dialight公司，都已经投入研发。由于奈米碳管背光模组具有低温、省电、制造成本低的优势，将会极有机会取代目前冷阴极灯管背光模组的技术之一。