電界放出ディスプレイ

電界放出ディスプレイ( FED ) は、大面積の電界電子放出源を使用して電子を放出し、その電子が色のついた蛍光体に当たり、カラー画像を生成するフラットパネルディスプレイ技術です。一般的に、FED はブラウン管のマトリックスで構成され、各ブラウン管は 1 つのサブピクセルを生成し、3 つにグループ化されて赤、緑、青 (RGB)ピクセルを形成します。FED は、CRT の利点、つまり高コントラスト レベルと非常に高速な応答時間と、LCDやその他のフラットパネル技術のパッケージの利点を兼ね備えています。また、消費電力も LCD システムの約半分と少なくて済みます。FED は透明にすることもできます。^[1]

ソニーはFED設計の主な提唱者であり、2000年代にこのシステムに多大な研究開発努力を注ぎ、2009年に量産を計画していました。^[2]ソニーのFEDへの取り組みは、LCDがフラットパネル技術の主流となった2009年に終わりに近づきました。^[3] 2010年1月、AUオプトロニクスはソニーから重要なFED資産を買収し、技術開発を継続する意向を発表しました。^[4] 2024年現在^{[アップデート]}、大規模な商用FED生産は行われていません。

FED は、開発中の別のディスプレイ技術である表面伝導型電子放出ディスプレイ(SED) と密接に関連していますが、主に電子放出システムの詳細が異なります。

FED ディスプレイは、高電圧 (10 kV) を使用して電子を加速し、蛍光体を励起する電子銃を備えた従来のブラウン管(CRT)のように動作しますが、単一の電子銃の代わりに、FED ディスプレイには個別のナノスケールの電子銃のグリッドが含まれています。これは、一定の間隔で互いに向かい合う 2 枚のガラスで構成され、1 枚にはエミッター、スペーサー、グリッドが含まれ、もう 1 枚には蛍光体が含まれています。

FED スクリーンは、ガラス板上に一連の金属ストライプを配置して一連の陰極線を形成することによって構築されます。フォトリソグラフィーを使用して、一連のスイッチングゲートの列を陰極線に直角に配置し、アドレス指定可能なグリッドを形成します。各行と列の交差点には、最大 4,500 個のエミッターの小さなパッチ^{[5]が配置されます。これは通常、}インクジェット プリンターから開発された方法を使用します。金属グリッドはスイッチングゲートの上に配置され、銃構造を完成させます。^[6]

エミッターとその上に吊り下げられた金属メッシュの間に高電圧勾配場が生成され、エミッターの先端から電子が引き出されます。これは高度に非線形なプロセスであり、電圧の小さな変化により、放出される電子の数がすぐに飽和します。グリッドは個別にアドレス指定できますが、通電されたカソード、ゲートラインの交差点にあるエミッターのみが、目に見えるスポットを生成するのに十分な電力を持ち、周囲の要素への電力リークは目に見えません。^[6]このプロセスの非線形性により、アクティブマトリックスアドレス指定方式を回避できます。ピクセルが点灯すると、自然に光ります。非線形性は、サブピクセルの明るさがパルス幅変調されて、生成される電子の数を制御することも意味します^[6]プラズマディスプレイの場合と同様です。

グリッド電圧は、ディスプレイの背面にあるエミッターと前面にあるスクリーンの間の空き領域に電子を流し込み、そこで第2の加速電圧がさらに電子をスクリーンに向かって加速し、蛍光体を点灯させるのに十分なエネルギーを与えます。単一のエミッターからの電子は単一のサブピクセルに向かって発射されるため、走査電磁石は必要ありません。^[6]

CNT-FED は、窒素やホウ素をドープしたカーボンナノチューブをエミッターとして使用します。Samsung は以前、この種のディスプレイの開発に取り組んできましたが、この技術を使用した製品をリリースしたことはありません。CNT-FED は、電気絶縁材料を使用して作られたゲートホールと呼ばれる空洞の底部中央にカーボンナノチューブエミッターを配置します。カーボンナノチューブからの電子が通過できるように、ゲートホールを塞がずにこの材料の上に金のフィルムが堆積されます。金のフィルムはゲートまたはグリッドとして機能し、電子を加速します。金はカソードとしても使用され、カーボンナノチューブはその上に構築されます。カソードは、アドレス指定可能なグリッドを作成するためにフォトリソグラフィーを使用して配置されます。スペーサーは、両方のガラスパネルを 300 ミクロン離して一定の間隔で配置されます。スペースによって作成されたスペースは真空です。アノードはアルミニウムまたはインジウムスズ酸化物(ITO) で作られ、蛍光体の下または上に配置できます。^{[7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]}

個別にアドレス指定可能なサブピクセルを備えた他のディスプレイと同様に、FEDディスプレイは製造上の問題によりデッドピクセルが発生する可能性があります。しかし、エミッターは非常に小さいため、多くの「ガン」がサブピクセルに電力を供給できます。^[13]画面上のデッドエミッターを検査し、同じピクセルに電力を供給する他のエミッターからの放射の増加による損失を補うためにパルス幅を増やすことでピクセルの明るさを修正できます。

1. 電界エミッターの効率は先端の半径が非常に小さいことに基づいていますが、この小ささにより、陰極はイオンの衝撃による損傷を受けやすくなります。イオンは、デバイス内の残留ガス分子と相互作用する高電圧によって生成されます。
2. FEDディスプレイは真空状態で動作する必要があるため、表示管は密閉され機械的に堅牢でなければなりません。しかし、エミッターと蛍光体の間の距離は一般に数ミリメートルと非常に小さいため、管の前面と背面の間にスペーサーストリップまたはポストを配置することで、画面を機械的に強化することができます。^[6]
3. FEDには高い真空レベルが必要ですが、これを達成するのは困難です。従来のCRTや真空管に適した真空では、FEDを長期間動作させるには不十分です。蛍光体層への強力な電子衝撃により、使用中にガスも放出されます。^[15]

FED は、電子を生成するための電子銃の加熱フィラメントやビームを誘導するための偏向ヨークの電磁石など、ブラウン管の電気的複雑さの多くを排除し、そのため同サイズの CRT よりもはるかに電力効率に優れています。ただし、FED はマルチスキャンができない点で技術的に CRT より劣っています。^[要出典]

フラットパネル LCD は明るい光源を使用し、偏光子で光の半分をフィルタリングしてから、ほとんどの光をフィルタリングしてサブピクセルの赤、緑、青 (RGB) 光源を生成します。つまり、パネルの背面で生成された光の 1/6 (または実際にはそれ以下) だけが画面に届きます。ほとんどの場合、液晶マトリックス自体が追加の光をフィルタリングしてサブピクセルの明るさを変更し、色域を生成します。したがって、冷陰極蛍光 灯や高出力白色LEDなどの非常に効率的な光源を使用しているにもかかわらず、LCD の全体的な効率はあまり高くありません。FED で使用される照明プロセスの効率は低いですが、点灯したサブピクセルのみが電力を必要とするため、FED は LCD よりも効率的です。ソニーの 36 インチ FED プロトタイプは、明るいシーンを表示するときにわずか 14 W の電力しか消費しませんが、同様のサイズの従来の LCD 画面は通常 100 W をはるかに超える電力を消費します。

バックライトシステムと薄膜トランジスタアクティブマトリックスが不要になることで、セット全体の複雑さが大幅に軽減され、前面から背面までの厚さも薄くなります。FEDにはLCDの1枚ではなく2枚のガラスがありますが、全体の重量は同様のサイズのLCDよりも軽くなる可能性があります。^[16] FEDは、部品数と工程数が少ないため、製造コストが低いとも言われています。しかし、信頼性の高い商用デバイスとして製造するのは簡単ではなく、製造にかなりの困難がありました。このため、テレビでLCDに代わることを目指している他の2つの最先端技術、アクティブマトリックスOLEDと表面伝導型電子放出ディスプレイ（SED）との競争が始まりました。

有機発光ダイオード ( OLED ) セルは直接光を発します。そのため、OLED は別個の光源を必要とせず、光出力の点でも非常に効率的です。OLED は FED と同じ高コントラスト レベルと高速応答時間を提供します。OLED は FED の強力な競合製品ですが、大量生産に至るには FED と同じ種類の問題を抱えています。

SED は FED と非常によく似ていますが、2 つの技術の主な違いは、SED では FED の個々のスポットではなく、各列に 1 つのエミッターが使用されていることです。FED では画面の前面に向かって直接放出される電子が使用されますが、SED ではパネルの平面と平行に敷設された表面伝導トラックの小さな「ギャップ」付近から放出され、元の移動方向とは横方向に抽出される電子が使用されます。SED では、インクジェットまたはシルクスクリーン プロセスで敷設された酸化パラジウムに基づくエミッター アレイが使用されます。^[17] SED は、大量生産が可能な FED の変種であると考えられてきましたが、2009 年後半の時点で、業界から市販の SED ディスプレイ製品は提供されていません。

FED システムの開発に向けた最初の集中的な取り組みは、1991 年に Silicon Video Corporation (後の Candescent Technologies) によって開始されました。同社の「ThinCRT」ディスプレイは、もともとSpindt チップと呼ばれる小さなモリブデンコーンで作られた金属エミッターを使用していました。このディスプレイは、高い加速電圧による侵食に悩まされていました。加速電圧を下げ、より低い電力レベルで動作する適切な蛍光体を見つけ、より良い材料で侵食の問題に対処する試みは、失敗に終わりました。

キャンデセントは問題を抱えながらも開​​発を進め、 1998年にソニーと提携してシリコンバレーに新生産施設を建設した。しかし、技術がまだ整っておらず、同社は1999年初頭に「汚染問題」を理由に機器の購入を中止した。^[18]工場は完成せず、開発に6億ドルを費やした後、 2004年6月に連邦破産法11条の適用を申請し、同年8月に全資産をキヤノンに売却した。^[19]

浸食問題に対処するための別の試みは、テキサス州オースティンのSIダイヤモンドテクノロジーの子会社であるアドバンスナノテックによって行われました。アドバンスナノテックは、鋭い角が理想的なエミッターであると思われるドープダイヤモンドダストを開発しました。しかし、開発はうまくいかず、2003年に中止されました。アドバンスナノテックはその後、同様のSEDディスプレイに取り組み、その技術をキヤノンにライセンス供与しました。キヤノンがディスプレイの開発に東芝を協力させたとき、アドバンスナノテックは訴訟を起こしましたが、キヤノンが技術を東芝に譲渡したという主張に基づいて契約の再交渉を試みたが、最終的には敗訴しました。

2000 年以降の FED 研究は、エミッターとしてのカーボンナノチューブ(CNT) に重点が置かれました。ナノエミッシブ ディスプレイ(NED) は、モトローラのカーボンナノチューブ ベースの FED 技術に対する用語です。プロトタイプ モデルは 2005 年 5 月にデモされましたが、モトローラは現在、FED 関連の開発をすべて中止しています。

双葉電子工業は 1990 年から Spindt 型の開発プログラムを実行していました。同社は数年にわたって小型 FED システムのプロトタイプを製作し、さまざまな展示会で実演していましたが、Candescent 社と同様に、大型スクリーンの生産には至りませんでした。その後、ナノチューブ ベースのバージョンの開発が続けられました。

ソニーはキャンデセントとの取り組みを断念し、ライス大学のカーボンナノテクノロジー研究所で開発された多くの技術の公的ライセンスエージェントであったテキサス州ヒューストンのカーボンナノテクノロジーズ社^[20]からCNT技術のライセンスを取得しました。2007年にソニーは日本の展示会でFEDディスプレイを実演し、2009年に量産モデルを発表すると主張しました^[21]。その後、ソニーはFEDの取り組みをフィールドエミッションテクノロジーズ社にスピンオフさせ、2009年のリリースを目指し続けました^{[22] 。}

鹿児島の元パイオニア工場で生産を開始する計画は、2008年後半の財政問題により延期された。 ^[23] 2009年3月26日、フィールドエミッションテクノロジーズ株式会社（FET）は、資金調達が不可能なため閉鎖すると発表した。^[24]

2010年1月、台湾のAUオプトロニクス社（AUO）は、ソニーのFETとFETジャパンから「FED技術と材料に関する特許、ノウハウ、発明、関連機器」を含む資産を買収したと発表した。^[4] 2010年11月、日経はAUOが2011年第4四半期にFEDパネルの量産を開始する計画であると報じたが、AUOは技術はまだ研究段階であり、量産を開始する予定はないとコメントした。^[25]

• ディスプレイ技術の比較
• フィールドエミッタアレイ
• 電界電子放出
• 表面伝導型電子放出ディスプレイ（SED）

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• AUオプトロニクス - FEDディスプレイ技術
• FED TVのレビューとニュースは2022年3月31日にWayback Machineにアーカイブされました
• カーボンテレビが液晶やプラズマを追い抜く？CNET News.comの記事
• モトローラのプロトタイプに関する Nanotechweb の記事
• キャンデセントとソニーがFED技術を共同開発
• 電界放出技術