纳米碳管在平面显示器中的应用

摘要　显示器是ＰＣ工业上重要的一环，过去几年来业界大量投入了TFT-LCD液晶显示器、等离子显示器(PDP)和OLED有机发光二显示器等平面显示器的研发与生产，且都有具体成效。至于利用场发射电子(Field Emission)做显示器(Field Emission Displays，FED)的构想源自1968年当Spindt发展出场发射阵列开始，在1991年法国LETI公司展示全彩的FED后，Candescent、Motorola、Pixtech、Micron、Canon等公司随即加入FED研发的行列。就业界一般而言，TFT-LCD目前能做到30寸以下，而等离子则著重40寸以上的屏幕；ＴＦＴ-ＬＣＤ有亮度、视角的问题，而等离子则有价位高、耗能的问题，至于OLED则在稳定度与成熟度上尚待研发中。

由上述看来，FED的空间在于30至40寸间，但是因TFT-LED的尺寸正朝向40寸方向发展，而等离子又在向下争夺市场份额，因此这个空间正逐日变窄中。除此之外，FED的最大优点就是它提供最亮、最美、又低耗能的显示器，这也就是为什么医疗器材及飞行仪表上指定要这种高价位的FED的原因。

自从1991年Iijima发表纳米碳管(Carbon Nanotubes)的文章以后，纳米碳管的机械性质、电性、热传导、超导等特性都被证实有其特出之处，尤其是在场发射特性方面最被看好，一般都公认这种新材料可以在传统十分之一的电场下发射出过去千倍以上强度的电子束。举例而言，过去用削尖的钨或钼等可在30~40V/μm的电场下发射nA/cm2的电子，而利用钻石则可达到μA/cm2，如今用纳米碳管可以轻易在3~4V/μm的电场下达到μA/cm2，甚至于高达μA/cm2的电流密度，这是钻石百万倍的强度！所以马上激起新一代纳米碳管FED革命的构想，本文针对本实验室与台大合作的纳米碳管在场发射FED上的研究做一报告。

除了学术界的研究之外，投入纳米碳管CNT-FED的就是韩国的Samsung(三星电子)与美国的Motorola，其中Samsung早在1999年已经展示了4.5寸彩色的CNT-FED，(见图一)Motorola也有60人以上的团队积极研发。但是事过多年一直没有见到产品上市，Motorola甚至于将研发团队裁减到十几人，据说是CNT-FED的稳定度问题一直无法克服所致。所以虽然纳米碳管具有极佳的场发射特性，但是还是无法达到实际应用的功效。

图一：三星在1999年所发表的4.5寸FED显示器

图二：各种纳米碳管的场发射特徵图

从本实验室过去的数据(见图二)看来，虽然纳米碳管有非常好的场发射特性，但是图二的电流电场的关系图极为陡峭，如图二所示，5%的电场强度变化会造成80%以上的电流变化。虽然在实际操作时电压或电场可以控制得非常稳定，但是在一个600×480的显示器中有三十万个光点，每个光点需要三原色，所以需要将近一百万个场发射器，如何控制这些场发射器与阳极的距离一致，让他们在同一电压下得到相同的电场则是一大问题，这也就是为什么图一的Samsung的显示器看起来色彩不自然的原因。

另一个是纳米碳管场发射的稳定度的问题，如图三所示，这种场发射的电流随时间常有20%的大小变化，造成极大困扰。甚者在测量时会有整区碳管剥落的现象，这说明虽然纳米碳管是很好的场发射材料，但在高电流时，碳管与基板之间的导电层产生热而无法承受大电流，所以在导电层材料的选择上也是一个课题。

图三：代表性纳米碳管场发射电流的稳定度

虽然有许多不同的方法可以成长纳米碳管，我们采取CVD法，因为CVD法为目前工业制程上一般常用的方法。首先利用离子溅镀法将70A厚的铁、钴、镍等金属催化剂镀于基板上，再将它放到微波电浆CVD中以氢气的微波电浆处理10分钟，让这些金属催化剂聚集成为纳米级的颗粒，然后通入碳氢化合物来成长纳米碳管，其主要成长条件为：

其中加入相当比例的氮气可以有效提高纳米碳管的成长率，并促进其直立式排列的现象。在上述条件之下成长15分钟就可得到如图四所示，高密度相当平整直立排列的纳米碳管，这种碳管可以在低电压下提供极高的场发射电流（如图二所示），但是有场发射电流稳定度的问题存在。

图四：本实验室成长的平整、直立、高密度纳米碳管

图五：结合TFT与CNT元件结构与特性量测图

图六：无TFT控制与加TFT控制的CNT场发射电流电压关系图

图七：比较无TFT控制与加TFT控制的CNT场发射电流稳定度图

为了要解决碳管场发射电流不稳定的问题，我们将薄膜电晶体TFT与纳米碳管结合起来，如图五所示，在成长薄膜电晶体的过程中加上一道手续将金属催化剂选区镀在TFT的汲极(Drain)，再将样品送到CVD的成长环境下，这样就可以将CNT成长在TFT 的汲极上。如此一来，整个元件的电流由TFT控制，而CNT则负责将电子发射出去，这种分工将两者的专长结合起来，所得到的电流电压特性如图六所示，加了TFT之后，电流可以成定值，不再急遽变化。

如图七所示，在没有TFT控制之下，纳米碳管的稳定度在20%左右，加了TFT以后其稳定度降低到5%以下，原来的电流稳定度问题可因而大获改善。

当然，每一个场发射器需要一个TFT来控制是很麻烦的事，但是不要忘了，现行的TFT-LCD不就是这样吗？我们可以利用现成液晶显示器在玻璃上的TFT加上催化剂与纳米碳管成长的过程就好了！这样就可以省掉LCD的Color Filter及背光等元件。当然，在这种低电压操作之下，必须有适当的萤光粉才能将萤幕点亮，这是另一个材料发展的议题，等待萤光专家去开发。另外就是现行的TFT在玻璃基板上能否与纳米碳管成长匹配的问题。

为了要达到这个目的，我们首先尝试将纳米碳管长在玻璃基板上，这需要将成长温度降到玻璃的熔点以下。这需要重新选择催化剂，调整气体的比例。经实验结果，我们顺利在500℃下将纳米碳管长在Corning Glass 7059上，并可利用ITO做导电层，测量场发射特性，这是实验上的一大步。然而，目前这种方法成长的碳管的场发射电场都偏高，会影响到TFT的工作，将来需要再进一部调整成长参数，方能发挥FED的优点。

纳米碳管在场发射应用上有其先天的优点，所以极被重视。但是其本身不够稳定，所以几年来一直没有CNT FED产品问世，这稳定度的问题是当今实际应用一大门槛。本实验是将TFT与CNT结合起来，有效解决电流稳定度的问题，这开辟了一条新的可能性，与其现行的TFT-LCD，何不考虑发展省电、没视角问题、更漂亮、可以在太阳下观看的TFT-CNT-FED？

此外，纳米碳管优异的场发射特性也可以推展显示器以外的应用，这些应用的要求条件没有显示器来得高，所以应该可以游刃有余。例如利用这种电子源做发光照明用，只要有适当低电子能量的萤光粉，将电子直接打在萤光粉上，可以做高效率的光源，可以与现行的日光灯媲美，而无日光灯水银污染的问题。同时，利用纳米碳管场发射电子源来做X光源、微波源、新一代真空管等都是有潜力的方向，还有更多等待我们去梦想到的。