摘  要：艾费尔科技公司研发出了一种新型的全固体平板显示技术，此项技术由印刷厚膜介电质层和薄膜荧光层组成。艾费尔科技公司的这项专利技术称为无机厚膜电致发光（thick dielectric electroluminescent, TDEL）技术，在亮度、对比度、色彩、图像质量、寿命和制造力等方面不断提高。目前，公司已建成了34in 中试线，通过中试生产使技术由研发转向产业化，并将产品投放到高清晰度平板电视市场。

关键词：无机厚膜电致发光；平板电视；

iFire’s TDEL Technology brings a New View to Flat Panel Television Displays

Abstract：iFire Technology Corp .has invented a new solid state display technology based on a combination of thick film screen printing and thin film phosphors, called Thick Dielectric Electroluminescent, or TDEL.  The technology continuously developed to improve brightness, contrast, colour, image quality, lifetime, and manufacturability (cost). Now the company is in transition from R&D to commercialization of displays for the television marketplace, with the completion of a pilot manufacturing facility.

Keywords: TDEL; flat panel TV;

1  简介

        如今电视市场正在经历着巨大的变革。在过去的50年，随着广播电视标准的改变，电视显示技术也随之发生了重大转变。虽然消费者都很青睐目前的平板电视，而且也愿意接受新科技，但是平板电视对于普通消费者来说仍然是一件奢侈品。 

        在 2005年, 全世界85% 的电视销售价格都低于1千美元。[1]  CRT电视以价格低，图像清晰等优势仍然在全世界占主导地位 。艾费尔科技公司位于加拿大，是一个从事平面显示方面研究的技术研发公司，开发出了一项新的平板显示技术，此技术与CRT电视性能相似，成本低，而且比目前市场上其它的电视显示器更薄，更轻。

2  TDEL-平板电视新选择

        TDEL 也称为无机厚膜电致发光，是由艾费尔科技公司开发出的一项全固体，大屏幕平板电视显示技术。作为无机电致发光显示技术的一种，TDEL采用专利的单一蓝色荧光体作为发光源，显示器基于其专利的厚膜介电结构，能产生极好的图像品质及色彩饱和度，提供足够的强度及可靠性。

        TDEL显示器的最大特点是：简单的全固体结构，不含LCD结构中的液体，也不含PDP 结构中的气体，使得TDEL显示器比其它电视显示器更薄，更轻。 37英寸TDEL显示器仅有2厘米厚，重量不超过10公斤。 TDEL显示器件采用普通的制造工艺，如丝网印刷和溅射工艺， 成品率高，制造成本低。

Figure 1:  iFire’s TDEL 显示器结构

        艾费尔的TDEL 显示器结构简单，基于玻璃基板上，由上下两层电极之间夹一层厚膜介电质层和薄膜荧光层形成像素点矩阵。专利的高介电常数的厚膜介电质层通过简单的丝网印刷制成，使TDEL显示器在性能，尺寸大小，制造力和成本等方面都有着卓越的优势。

TDEL的发展历史

        无机厚膜电致发光（TDEL ）技术的发明起始于90年代初，起初是在研究部门里进行的一个科研项目。这个研究部门被称为Westaim Initiative，致力于开发以特殊材料和涂覆为基础的新产品。最初此项目主要研究用于混合电路里的丝网印刷厚膜介电质材料，最早加入此项目的是吴兴炜博士，他将丝网印刷厚膜电极和介电质层，与高效能薄膜EL荧光层相结合创造出了一种新型的平板显示-TDEL。

        最初的显示器件是在2英寸的钛酸钡（BaTiO3）基片上制成的。此种基片在其钛酸钡介电质层表面首先涂上了一层金属膜。黄色硫化锌（锰）ZnS:Mn 荧光膜和透明ITO膜均用电子束蒸发技术镀成，镀膜时采用了简单的掩膜版。这个项目小组还开发出了一些简单的多路电路，这样就可以独立的控制8个发光单元。如图2所示：

图 2 –最初的 TDEL原型

        接下来就是开发点阵显示技术。起初设计了64 x 64像素的4英寸显示屏样机，采用的是标准的混合电路板所用的 “96% 纯度的氧化铝板”，银类行电极由丝网印刷法制成，再加上一层用丝网印刷制成的铌酸铅镁 (PMN) 为基础的 介电质层。这个由约20微米厚且具有高介电常数的厚膜层既保护了面板免受粉尘的影响，又降低了操作电压，而且还提高了发光性能。由于介电质层需要平面化处理后才能镀上合适的薄膜发光层和电极，因此在薄膜上还要加一层用铅锆钛（PZT）为基质的溶胶，用浸泡成膜方法制成。荧光层和ITO均用电子束蒸发技术镀膜，用掩膜版制成纵向列电极。

        为了进一步提高TDEL显示器性能和分辨率，开发了出一种新的ITO成线方法，由激光刻蚀切线取代了掩膜蒸发。最初使用铯激光，后来采用钇铝石榴石（YAG）和准分子激光系统。初始样品是在0.7 毫米厚的氧化铝基片上制成，尺寸为6英寸 x 2英寸，256 x 64像素，像素间距约 0.5 毫米。

        这些6” x 2”的单色显示器适用于中等程度信息量的显示，应用范围有限。为了开发用途范围更广的小尺寸显示器，选择了5英寸的四分之一VGA (320 x 240 像素，qVGA, 仍用0.7毫米厚的氧化铝基片)系列，其像素为 300 微米。除了单色的黄色显示以外，这种5英寸的qVGA屏还可以进一步升级为多色显示。原理是利用硫化锌（锰）ZnS:Mn黄色光谱宽带，峰值波长在585纳米，经滤色后可发出红色和绿色光。在单色显示300微米像素的基础上将每条纵线细分两条150微米的子线，再把单色显示所用的平光或中性滤光片换成红，绿滤光片并定线便制成了一个多色显示器 [2]。 如图3所示：

图 3– 5” q VGA 单色和多色 显示器原型
 

        与此同时，艾费尔还开发了一列独特的数字和字母-数字显示器，可以在很薄的屏上制作高亮度的像素。样品像素大小为5 平方厘米，亮度大于1, 500 cd/m2 （60 Hz）, 厚度小于2毫米。字符可达100毫米高，拼在一起可制成大型显示屏，如图3所示。这些样品很有趣的一个方面是其独特的驱动线路系统。利用SCR阵列作为开关部件，显示屏可以直接使用北美的120伏（RMS），60Hz交流电源，从而省去了电力转换控制系统。 如图4所示：

 
图 4 – 100mm tall 8 segment numeric display

   在整个90年代，艾费尔开发出了以“白源成彩”技术为基础的红，绿，蓝多色显示样机。白色光可以采用黄色ZnS:Mn 荧光材料和青蓝色SrS:Ce 荧光材料的多层薄膜结构而得到。红，绿，蓝三基色可以通过彩色过滤而实现。[3]  基于这一初步的有前途的实验结果，公司决定致力于大尺寸电视市场，并且延迟小尺寸单色，多色或数字显示的研究工作。1997年，艾费尔展示了第一块采用厚膜电致发光和“白源成彩”的5英寸红，绿，蓝显示器。

        与此同时，艾费尔引进的几个新的驱动系统，采用模拟电压控制，实现了7级灰度。1998年，艾费尔展示了以 “白源成彩”为基础的5英寸样机，这是世界上首台采用无机电致发光技术而制成的全彩色，全动画的视频显示器，如图5所示。这些“白源成彩”的显示器是TDEL技术的重大突破，但其亮度峰值只能达到50 cd/m2，并且色彩饱和性不太好。为了在进军电视市场的道路上迈上一个更新的台阶，大幅度的提高亮度和改善色彩饱和性是必须的。基于这种考虑，艾费尔开始了刻蚀荧光材料的研究工作。

 
图 5 –5英寸 qVGA  红，绿，蓝显示器原型-7级灰度

        起初，“白源成彩”被二次光刻（2P）工艺所取代，艾费尔在Sendai召开的IDW99 会上展示了8.5英寸采用二次光刻（2P）工艺制备而成的样机。除了新的工艺外，2P技术还用于开发新的和更大尺寸的显示器-这就是8.5英寸，四分之一VGA，发光元为540微米的显示器。在二次光刻（2P）工艺中，首先沉积 SrS:Ce蓝色荧光体薄膜，然后进行退火以便得到良好的晶体结构。再用光刻工艺在所需保留的蓝色亚发光单元上盖上光刻胶。没有光刻胶的地方，沉积上黄色ZnS:Mn薄膜，从而形成红色和绿色亚发光元。[4]  最后用剥落法将光刻胶去掉，留下的就是蓝色SrS:Ce和黄色的ZnS:Mn相间的条纹。这种结构立即改善了显示样机的亮度和色彩饱和性。[5]

        在成功的制备成了采用二次光刻工艺的显示器后，艾费尔开发出了三次光刻（3P）工艺，旨在进一步改善显示器性能。3P采用同样的刻蚀与剥落技术，只是重复两次以实现三色光。在3P工艺中，红光采用ZnS:Mn，而绿光采用ZnS:Tb。这两种材料都可以用溅射技术制备，而且可以获得非常高的亮度。在120 Hz 阈值以上 60 V的驱动电压下，亮度超过3000 cd/m2。 最后，艾费尔 引入了以BaAl2S4:Eu为基础的新的蓝色荧光材料，这种荧光材料起初是在日本Meiji大学开发的。[6]  艾费尔在2002年的信息显示学会（SID）年会上展示了采用这种新技术制成的样机。 新的荧光体能提供更的亮度，超过300cd/m2，颜色范围很宽。但是，该加工工艺要求沉积三色发光材料和一系列的光刻步骤，使得加工工艺变得很复杂。而且，由于有３种不同的发光材料，很难调整发光材料的阈值电压的匹配和在整个灰度范围内可接受的色彩的均匀性。

蓝源成彩技术的发展， 2003年----现在

     基于这个高效能的蓝色荧光体，[7]  “蓝源成彩™技术基于电致发光物理学。艾费尔以前所采用的三次光刻（3P）工艺，需要三色荧光体系统来产生红，绿，蓝光。  但现在采用的“蓝源成彩”技术，只以单一的高亮度蓝色荧光材料为基本发光源。为了获得必要的红色和绿色，颜色转换材料通过丝网印刷的方式沉积到上电极的表面。通过吸收蓝色荧光光材料发出的蓝光而发出红色和绿色光。

图 6- iFire’s “蓝源成彩” 系统

        “蓝源成彩” 比三次光刻（3P）工艺能获得更高亮度和更饱和色彩，同时也能提高面板的对比度，以及更好的灰度和色彩均匀性。显示器的电子系统也非常简单，由于只有一种发光材料发光，不需要考虑发光材料的阈值电压的匹配的问题，而且所有的像素的光电特性都是一致的。 这个新的工艺过程加速了无机电致发光显示器的生产，同时降低了大规模生产所需的资本投资和生产成本。

        最初以“蓝源成彩” 技术制成的显示器原型证明了用TDEL技术制造电视的可能性, 但是，要实现大规模生产，以前所采用的氧化铝基板必须换为玻璃基板。到2003年，所有的显示器原型都使用了标准的等离子显示器玻璃基板，以有利于生产和降低成本并适合大尺寸显示器的生产，在2004年，艾费尔制造出了34英寸的高清电视显示器。 [8] （如图7所示）

图 7:  34” TDEL显示器

迈向产业化

        2004年底，艾费尔扩建位于多伦多的厂房，用于３４英寸中试线的建设，并开始了由研发向商业化生产的转换。加工区域由原来的15000平方英尺增加到25000平方英尺，同时公司员工已超过150人。此中试线旨用于证明大规模生产中所要求的制造工艺，包括工艺控制，用于验证扩大生产的能力。

        该中试生产线的设计可以在不需要工人接触的情况下进行34英寸面板的生产。这个无人接触投料的过程配置了用于装卸面板的自动机械手及人工导向车，是对以前人工操作的更新。

 
        2003年，艾费尔科技公司与大日本印刷建立了共同开发联盟。作为中试生产的一部分，艾费尔与 大日本印刷共同合作，在位于日本的Kashiwa生产线为TDEL提供前台工序的制造。前台工序包括基板的准备，以及在34英寸的玻璃基板上完成行电极和厚膜介电质层的制作。在完成了这些以印刷为主的前台工序后，半制成面板被运回多伦多，完成以溅射工艺为主的后台工序，如荧光体的沉积，纵向电极和色转换材料的制作，同时完成电子组装。

图 8:  自动机械手将面板装入溅射系统

该中试生产线的主要投资用于包括荧光体镀膜在内的薄膜制作工序，用于此工序的两个大规模流水线磁控溅射系统已安装完毕，并已开始运行。艾费尔公司已证明溅射荧光层比传统的电子束蒸发能得到更好的显示性能。由于溅射工艺干净，快捷，同时不需要光刻处理过程，因此溅射工艺也被证实更适合大规模生产。这些新的溅射系统用于制作艾费尔的高亮度，饱和的蓝色荧光体和ITO透明上电极。

图 9: 洁净间操作工用人工导向车运载面板

    艾费尔的蓝源成彩（CBB）工艺过程简单，采用丝网印刷，然后是简单的曝光，显影制成。在中试生产中湿处理设备已被安装，以证明大规模生产能力。

艾费尔科技公司与几个在行业内领先的设备供应商共同协作，构成了可以满足大规模生产所需的供应链。用于TDEL制造的工艺过程都是大家所熟知的：如丝网印刷，烘焙，溅射，显影等工艺；为了进一步验证工艺，艾费尔同大日本印刷共同发展了大宗材料供应商，以支持生产的需要。艾费尔拥有主要材料的知识产权，一些签约供用商被允许合成这些材料用于起初的验证以及最终的大规模生产。中试生产是TDEL技术最终实现产业化的非常重要的一步。

TDEL 的优势

    通过中试生产已证明，TDEL制造工艺相对于其它显示技术更为简单，降低了用于大规模生产的投资。LCD生产线投资高于20亿美元，然而投资起始年产3百万片TDEL面板的生产线只需约6亿美元（由IDC估算）。同时，TDEL的制造工艺步骤相对较少，能获得较高的良品率，显示器件不需要背光源，同时模拟灰度使电路成本降低。

  艾费尔将已有的生产技术和创新的结构相结合，制造出了一种优于其它显示技术的高性能，低成本的平板显示技术。艾费尔的TDEL技术不仅能使大屏幕平板电视达到普通消费者价位，同时能比其它显示器更薄，更轻。37英寸的TDEL高清晰度电视显示器仅有2厘米厚，重量不超过10公斤。最重要的是，作为以荧光体为基础的无源点阵驱动显示器，TDEL能提供毫不逊色于CRT及其它显示器的图像质量。

References

[1]  iSupply Television System Market Tracker, Q4 2004

[2]  X.Wu, P.Bailey, K.Foo, J.A.R.Stiles; "Electroluminescent display with a thick-film dielectric layer"; SID ‘94 Digest, 25, p.558 (1994).

[3]  D. Doxsee, X. Wu “Full Color Capability of TDEL Displays Utilizing ZnS and SrS Phosphors”; Proceedings of the Third International Conference on the Science and Technology of Display Phosphors, Huntington Beach, CA (1997).

[4]  D. Seale, L. Rodrigues, C. Werner, D. Irvine, “Self-Aligned Phosphor Patterning Techniques for Inorganic EL Displays”, SID ’02, 9.4, p. 109 (2002).

[5]  D. Seale and X. Wu, “Full Color Solid State EL Display”, 6th International Display Workshop, p. 861 (1999).

[6]  D. Cheong, A. Nakua, P. Del Bel Belluz, “MgxBa1-x Al2S4:Eu Blue Phosphor in Thick Dielectric EL” SID ’02, 9.3, p. 105 (2002).

[7]  M. Yang, J. Moore and X. Wu, "Performance of Color-by-Blue Inorganic EL based on blue color purity", ASID 2004, (2004), p.275

[8]  X. Wu, D. Carkner, H. Hamada, I. Yoshida, M. Kutsukake, K. Dantani, “Large-screen Flat Panel Displays based on iFire’s Thick Dielectric Electroluminescent (TDEL) Technology”, SID 04 (2004), p.1146

 
作者姓名： Wu Xingwei 吴兴炜

现服务机构：iFire Technology Corp. Canada   加拿大艾费尔科技公司

现任职务：Vice President, Science & Technology 科技副总裁

出生年份：1957年

籍贯：北京

1982年1月毕业于北方交通大学理化系，获物理学士学位。同年1月赴加拿大西安大略大学自费留学，1989年获物理博士学位。

1991年发起并主持领导厚膜介质电致发光研究项目，获包括厚膜介质，荧光材料制备，蓝源成彩等二十多项核心技术发明专利，并获1998年美国“探索”发明奖。自1999年起任艾费尔科技公司副总裁，主持领导大屏幕平板电视的研发工作。著有五十余篇学术论文，并多次受邀在SID， IDW等大型国际会议作学术报告。

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