전계 방출 디스플레이

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1. 개요
2. 작동 원리
- 2.1. 전계 전자 방출
3. 특징
4. 경쟁 기술
5. 단점
6. 역사
7. 한국의 FED 개발 현황
8. 관련 기업 및 단체
참조

1. 개요

전계 방출 디스플레이(FED)는 음극선관(CRT)과 유사하게 전자를 가속시켜 형광체를 발광시키는 원리를 이용하는 디스플레이 기술이다. CRT와 달리 개별적인 나노스코픽 전자총의 그리드를 사용하며, 각 픽셀마다 전자 방출부를 가지고 있어 고휘도와 넓은 시야각을 제공한다. FED는 액티브 매트릭스 어드레싱 방식을 사용하지 않아도 픽셀 밝기를 제어할 수 있으며, LCD보다 효율적이고 얇고 가벼운 디스플레이 구현에 적합하다. 하지만 제조 과정에서 불량 화소가 발생할 수 있고, 높은 진공 수준을 필요로 하며, 경쟁 기술인 LCD, OLED, SED에 비해 상용화에 어려움을 겪었다. 1990년대부터 여러 기업에서 개발을 시도했으나, 기술적 문제, 자금 부족 등으로 상용화에 실패하거나 중단되었으며, 현재는 시제품 수준에 머물러 있다.

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전계 방출 디스플레이
기본 정보
이름	전계 방출 디스플레이
다른 이름	FED, 표면 전도형 방출 디스플레이 (SED)
종류	평판 디스플레이
작동 방식	음극선관 (CRT)과 유사
주요 제조사	소니 도시바 캐논 (SED 기술)
기술적 특징
원리	전자 방출
작동 원리 상세	형광체에 전자를 직접 조사하여 빛을 냄
특징	CRT와 유사한 화질 LCD보다 빠른 응답 속도 넓은 시야각
장점	높은 밝기 및 명암비 빠른 응답 속도 넓은 시야각 CRT에 비해 얇은 두께 및 낮은 전력 소비
단점	제조 비용이 높음 대량 생산의 어려움
문제점	진공 유지 문제 전자 방출 균일성 문제 생산 수율 문제
해결 과제	저가 제조 기술 개발 대량 생산 기술 확보 전자 방출 소자의 안정성 향상
역사
개발 초기	1990년대
주요 개발사	소니, 도시바, 캐논
상용화 시도	소니 (2009년 개발 중단)
SED 기술	캐논과 도시바 합작 (SED Inc.)
SED 개발 중단	2010년 캐논
최근 동향	FED 기술의 발전 및 연구 지속
활용 분야
적용 가능 분야	TV 모니터 기타 디스플레이 장치
경쟁 기술	LCD PDP OLED
참고 자료

2. 작동 원리

전계 방출 디스플레이(FED)는 음극선관(CRT)과 유사하게 작동한다. CRT처럼 전자를 가속시켜 형광체를 발광시키는 원리를 이용하지만, CRT와 달리 FED는 전자총 하나를 사용하는 대신 개별적인 나노스코픽 전자총의 그리드를 사용한다.^[4]

FED 스크린은 음극선을 형성하기 위해 유리판에 금속 스트라이프를 배치하고, 광리소그래피를 사용하여 음극선에 직각으로 스위칭 게이트 행을 배치하여 어드레싱 가능한 그리드를 형성한다. 각 행과 열이 교차하는 지점에 이미터가 증착된다.^[5]

이미터와 금속 메쉬 사이의 고전압 구배 필드는 이미터 팁에서 전자를 방출시킨다. 이 과정은 매우 비선형적이어서 전압의 작은 변화에도 방출되는 전자의 수가 급격히 포화된다. 그리드는 개별적으로 어드레싱될 수 있지만, 전원이 공급된 음극과 게이트 라인의 교차점에 있는 이미터만이 충분한 전력을 가지며, 주변으로의 전력 누출은 거의 없다.^[5] 이러한 비선형성 덕분에 액티브 매트릭스 어드레싱 방식을 사용하지 않아도 된다. 픽셀이 켜지면 자연스럽게 빛을 낸다. 또한, 하위 픽셀의 밝기는 펄스 폭 변조를 통해 생성되는 전자 수를 조절하여 제어한다. 이는 플라즈마 디스플레이와 유사한 방식이다.^[5]

그리드 전압은 전자를 이미터와 디스플레이 앞쪽 스크린 사이의 공간으로 보내고, 여기서 두 번째 가속 전압이 전자를 스크린 방향으로 가속시켜 형광체를 발광시키기에 충분한 에너지를 제공한다. 단일 이미터의 전자는 단일 하위 픽셀을 향해 발사되므로 스캐닝 전자기석은 필요하지 않다.^[5]

CNT-FED는 탄소 나노 튜브를 이미터로 사용하여 효율을 높인다. 음극은 광리소그래피를 사용하여 배치되어 어드레싱 가능한 그리드를 만든다. 스페이서는 정기적인 간격으로 배치되어 두 유리 패널을 300 마이크론 간격으로 유지한다. 스페이서에 의해 생성된 공간에는 진공이 포함되어 있다.^[6]^[7]^[8]^[9]^[10]^[11]^[12]^[13]

FED는 기본적으로 브라운관(CRT)과 같이 음극에서 전자를 방출하여 형광체에 충돌시켜 빛을 내는 방식이다. 하지만 CRT와는 다르게 각 화소마다 전자 방출부를 가지고 있다. 또한 CRT는 음극 부분에 필라멘트와 같은 열음극을 사용하지만, FED는 열을 가하지 않고 전자를 방출하는 냉음극 방식이다.

2. 1. 전계 전자 방출

전계 전자 방출은 외부에서 전계를 가하여 고체 표면의 전자가 터널 효과를 통해 방출되도록 하는 현상이다.

전자가 고체 표면에서 외부로 방출되려면, 고체의 전자 준위에서 진공 준위까지 일함수(Φ)만큼의 에너지를 받아야 한다. 일함수 이하의 에너지를 가진 전자는 거울상 포텐셜의 벽에 반사된다. 하지만 외부에서 전압을 가하면 외부 전장 포텐셜과 거울상 포텐셜이 합쳐져 새로운 포텐셜 벽이 만들어진다. 이때, 일함수 이하의 에너지로도 전자가 고체 표면에서 방출될 수 있는데, 이를 쇼트키 효과라고 한다.

외부 전압을 높이면 외부 전장 포텐셜의 기울기가 커지고, 페르미 준위 E_F를 기준으로 폭 d를 가진 합성 포텐셜 벽(그림에서 폭 d의 산)이 생긴다.

전자는 입자와 파동의 성질을 모두 가지고 있어, 터널 효과에 의해 폭 d의 벽을 통과할 수 있다. 포텐셜 벽을 통과한 전자는 외부 전장 포텐셜에 의해 가속되어 외부로 방출된다.

외부 전압을 크게 하면 포텐셜 벽의 폭 d는 얇아지고 터널링 확률은 높아진다. 고체를 원뿔이나 나노 코일 등의 뾰족한 형태로 만들면 불평등 집중 전계가 형성되어 표면에서의 터널링 확률을 더욱 높일 수 있다.

이러한 냉음극을 Field Emitter Array(FEA), 또는 이미터라고 한다. FEA 중 유명한 것은 1960년대에 미국 스탠포드 연구소(Stanford Research Institute)의 Charles A. Spindt가 개발한 회전 증착법(스핀트법)을 사용한 원추형 스핀트 이미터이다.

3. 특징

전계 방출 디스플레이(FED)는 음극선관(CRT)과 유사하게 작동하지만, 다음과 같은 특징을 가진다.

'''고화질, 고휘도, 넓은 시야각''': CRT와 유사하게 전자를 가속시켜 형광체를 발광시키는 방식으로 고화질, 고휘도, 넓은 시야각을 제공한다.^[4] 각 화소마다 독립적인 전자 방출부를 가지기 때문에 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있다.
'''박형 디스플레이 구현''': 전자 방출부를 얇게 만들 수 있어 얇고 가벼운 디스플레이 구현에 적합하다.
'''낮은 소비 전력''': 전자의 방출에 전계 전자 방출을 사용하므로 열전자 방출에 비해 효율이 좋고 소비 전력이 낮다.^[5] 음극선관의 가열 필라멘트와 편향 요크의 전자기기를 제거하여 전력 효율을 높였다.
'''긴 수명''': 발열이 적어 수명이 길다.
'''멀티 스캔 불가능''': FED는 멀티 스캔이 불가능하여 기술적으로 CRT보다 성능이 떨어진다.

4. 경쟁 기술

FED는 LCD, OLED, 표면 전도 전자 방출 디스플레이(SED) 등 다른 평판 디스플레이 기술과 경쟁 관계에 있었다. FED는 LCD보다 효율적이고 제조 비용이 저렴하다고 주장되었지만, 신뢰성 있는 상용 장치로 제조하기가 쉽지 않아 생산에 어려움을 겪었다.^[15]

4. 1. LCD

액정 디스플레이(LCD)는 밝은 광원을 사용하고 편광판으로 빛의 절반을 걸러낸 후, 대부분의 빛을 다시 걸러내어 서브 픽셀에 적색, 녹색, 청색(RGB) 광원을 생성한다. 즉, 패널 뒤에서 생성되는 빛의 1/6 정도만이 화면에 도달한다. 대부분 액정 매트릭스 자체가 서브 픽셀의 밝기를 변경하고 색상 영역을 생성하기 위해 추가적인 빛을 걸러낸다.^[15] 이러한 이유로, 냉음극 형광 램프나 고출력 백색 발광 다이오드(LED)와 같은 매우 효율적인 광원을 사용하더라도 LCD의 전체 효율은 높지 않다.

전계 방출 디스플레이(FED)는 켜진 서브 픽셀만 전력을 필요로 하므로 LCD보다 효율적이다. 소니의 36인치 FED 프로토타입은 밝게 켜진 장면을 표시할 때 14W만 소비하는 반면, 비슷한 크기의 기존 LCD 화면은 일반적으로 100W 이상을 소비한다.^[15]

FED는 백라이팅 시스템 및 박막 트랜지스터 능동 매트릭스를 사용하지 않아도 되므로 전체 세트의 복잡성이 줄어들고 앞뒤 두께도 얇아진다. FED는 LCD와 달리 두 장의 유리를 사용하지만, 전체 무게는 비슷한 크기의 LCD보다 가벼울 수 있다.^[15]

4. 2. OLED

유기 발광 다이오드(OLED) 소자는 직접 빛을 방출한다. 따라서 OLED는 별도의 광원이 필요하지 않으며, 광 출력 측면에서 매우 효율적이다. OLED는 전계 방출 디스플레이(FED)와 동일한 수준의 높은 명암비와 빠른 응답 시간을 제공한다. OLED는 FED의 강력한 경쟁자이지만, 대량 생산에 적용하는 데 있어 동일한 종류의 문제에 직면해 있다.

4. 3. SED

SED는 FED와 매우 유사하며, 두 기술의 주요 차이점은 SED가 FED의 개별 지점 대신 각 열에 대해 단일 이미터를 사용한다는 점이다.^[16] FED는 화면 정면을 향해 직접 전자를 방출하지만, SED는 패널 평면에 평행하게 배치된 표면 전도 트랙의 작은 "갭" 근처에서 전자를 방출하여 원래 이동 방향에서 측면으로 추출한다.^[16] SED는 팔라듐 산화물을 기반으로 하며, 잉크젯 또는 스크린 인쇄 공정으로 제작된 이미터 어레이를 사용한다.^[16] SED는 대량 생산이 가능한 FED의 변형으로 간주되었으나, 2009년 말 현재 상용화된 SED 디스플레이 제품은 없다.

5. 단점

다른 디스플레이와 마찬가지로, 전계 방출 디스플레이(FED)는 불량 화소가 발생할 수 있는 제조상의 문제가 있을 수 있다. 그러나 방출기가 매우 작기 때문에 여러 "건"이 하나의 서브 픽셀에 전력을 공급할 수 있다.^[12] 불량 방출기는 검사를 통해 동일한 픽셀을 공급하는 다른 방출기에서 방출량을 늘려 손실을 보충하기 위해 펄스 폭을 늘려 픽셀 밝기를 수정할 수 있다.

전계 방출기의 효율은 팁의 매우 작은 반경에 기반하지만, 이러한 작은 크기는 음극을 이온 충격에 취약하게 만든다. 이온은 장치 내부의 잔류 가스 분자와 상호 작용하는 높은 전압에 의해 생성된다.

FED 디스플레이는 작동을 위해 진공이 필요하므로 디스플레이 튜브를 밀봉하고 기계적으로 견고해야 한다. 방출기와 형광체의 거리가 일반적으로 몇 밀리미터로 매우 작기 때문에 튜브의 앞면과 뒷면 사이에 스페이서 스트립 또는 포스트를 배치하여 화면을 기계적으로 강화할 수 있다.^[5]

FED는 높은 진공 수준을 필요로 하며, 이를 달성하기가 어렵다. 기존 CRT 및 진공관에 적합한 진공은 장기간 FED 작동에 충분하지 않다. 형광체 층에 대한 강렬한 전자 충격 또한 사용 중에 가스를 방출한다.^[14]

6. 역사

전계 방출 디스플레이(FED) 개발에 대한 첫 집중적인 노력은 1991년 캔디센트 테크놀로지스(Candescent Technologies)에서 시작되었다. 이 회사의 "ThinCRT"는 원래 몰리브덴 스핀트 팁으로 만든 금속 방출기를 사용했다.^[17] 그러나 높은 가속 전압으로 인한 침식 문제가 발생했다. 저전력에서 작동할 수 있는 형광체를 찾고, 더 나은 재료로 침식 문제를 해결하려는 시도는 성공하지 못했다.

캔디센트는 1998년 실리콘밸리에 생산 시설을 착공하고 소니와 협력했지만, 기술 문제로 1999년 장비 구매를 중단했다.^[17] 결국 공장은 완공되지 않았고, 2004년 6월 캔디센트는 파산하여 그해 8월 모든 자산을 캐논에 매각했다.^[18]

어드밴스 나노테크(Advance Nanotech)는 도핑된 다이아몬드 분말을 이용해 침식 문제를 해결하려 했으나, 2003년 개발을 중단했다. 이후 어드밴스 나노테크는 유사한 SED 디스플레이 기술을 캐논에 라이선스했다. 캐논이 도시바와 협력하자 어드밴스 나노테크는 소송을 제기했지만 패소했다.

2000년대 이후 FED 연구는 탄소 나노튜브(CNT)를 방출기로 사용하는 데 집중되었다. 모토로라는 탄소 나노튜브 기반 FED 기술을 "나노 방출 디스플레이"(NED)라고 불렀으며, 2005년 5월 프로토타입을 시연했지만, 현재는 모든 FED 관련 개발을 중단했다.

후타바 전자 공업은 1990년부터 스핀트 타입 개발을 진행해왔다. 소형 FED 시스템 프로토타입을 생산하여 전시회에서 시연했지만, 대형 화면 생산은 이루어지지 않았다. 이후 나노튜브 기반 버전으로 개발이 계속되었다. 2007년 현재 3.0인치에서 11.5인치 가로형 크기의 제품^[26]이 판매되었지만, 2009년 10월 신규 수주 및 판매 중단이 발표되었다.^[27]

소니는 캔디센트와의 협력을 포기하고 카본 나노테크놀로지스(Carbon Nanotechnologies Inc.)로부터 CNT 기술을 라이선스받았다.^[19] 2007년 일본 전시회에서 FED 디스플레이를 시연하고 2009년 생산을 주장했지만,^[20] 이후 FED 관련 사업을 필드 이미션 테크놀로지스(Field Emission Technologies Inc.)로 분사했다.^[21] 2008년 말 금융 문제로 생산 계획이 지연되었고,^[22] 2009년 3월 필드 이미션 테크놀로지스는 자본 조달 실패로 폐쇄를 발표했다.^[23]

일본에서는 노리타케 이세 전자, 히타치 제작소, 미쓰비시 전기가 탄소 나노 튜브 FED 개발을 진행했지만, 2010년 현재 제품화되지 않았다.

삼성전자는 2007년을 목표로 탄소 나노 튜브를 사용한 FED를 개발 중이라고 밝혔다.

2010년 1월, 대만 AU 옵트로닉스(AU Optronics)는 소니의 FED 관련 자산을 인수했다.^[24] 2010년 11월, 닛케이는 AUO가 2011년 4분기에 FED 패널 대량 생산을 시작할 것이라고 보도했지만, AUO는 기술이 연구 단계이며 대량 생산 계획은 없다고 밝혔다.^[25]

캐논은 박막상의 미세 슬릿에서 전자를 꺼내는 표면 전도형 전자 방출 소자 디스플레이(SED)를 제품화할 예정이었지만, 2010년 5월 단념했다.

에프·이·테크놀로지스는 파이오니아의 플라즈마 패널 공장을 인수하여 2009년 말부터 FED 패널을 양산할 예정이었으나, 2008년 11월 5일에 인수를 단념하고,^[28] 2009년에 회사 자체를 청산하였다.

7. 한국의 FED 개발 현황

(이전 출력이 비어있으므로, 수정할 내용이 없습니다. 원본 소스(`source`)를 제공해주시면 '한국의 FED 개발 현황' 섹션을 작성할 수 있습니다.)

8. 관련 기업 및 단체

후타바 전자 공업
노리타케 이세 전자
삼성전자
필립스
에프・이・테크놀로지스 (소니와 투자 펀드 테크 게이트 인베스트먼트의 공동 출자 회사. 2009년에 청산)
NHK 방송 기술 연구소
산업기술종합연구소

참조

_[1] 웹사이트 CNT FED http://www.teconano.[...] 2020-01-04
_[2] 웹사이트 Sony Gets Serious With Another Next-Gen Display Tech: FED, Like CRT But Really Thin https://gizmodo.com/[...] 2008-07-05
_[3] 웹사이트 FED: Sony calls it quits, basically burying the technology as a whole http://www.crunchgea[...] 2009-03-31
_[4] 웹사이트 Application of carbon nanotube in fed display https://www.slidesha[...] 2014-02-09
_[5] 간행물 A closer look at SED, FED technologies http://www.eetasia.c[...] EE Tines-Asia 2007-08-16
_[6] AV media The comprehensive scheme of a CNT-FED, b CNT- BLU, c buckypaper BLU https://www.research[...]
_[7] 웹사이트 Development of Field Emission Display (FED) Based on the Idea of Lightning Rod https://steemit.com/[...] 2018-02-06
_[8] 웹사이트 Making Nanotube TVs happen https://www.nanowerk[...]
_[9] 웹사이트 Figure 1.1. CNT-Field Emission Display (FED) Monitor [4] https://www.research[...]
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_[14] 웹사이트 Light emitting principle of an FED system http://sharp-world.c[...] SHARP
_[15] 웹사이트 FED http://www.meko.co.u[...] Meko, Ltd. 2006-11-27
_[16] 웹사이트 SED http://www.meko.co.u[...] Meko, Ltd. 2006-11-27
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_[18] 뉴스 Candescent Technologies Files Chapter 11 and Announces a Sale of Its Assets http://findarticles.[...] Business Wire 2004-06-23
_[19] 웹사이트 Arrowhead Subsidiary, Unidym, to Merge with Carbon Nanotechnologies http://nanotechwire.[...] nanotechwire 2007-03-23
_[20] 뉴스 Sony to Debut FED In 2009, Insists on Confusing Consumers With Yet Another Display Technology https://gizmodo.com/[...] Gizmodo 2007-04-09
_[21] 웹사이트 Sony spinoff plans high-end FED monitors for 2009 http://www.macworld.[...] IDG News Service 2007-10-04
_[22] 웹사이트 Sony Delays Acquisition of FED Factory http://www.sonyinsid[...] Sony Insider 2008-11-05
_[23] 뉴스 Sony's Field Emission Technologies closing its doors http://www.engadgeth[...] Engadget 2009-03-27
_[24] 웹사이트 AUO acquires FED technology and equipment from Sony affiliate http://www.digitimes[...] 2010-01-21
_[25] 웹사이트 AUO to start volume production of FEDs in 4Q11, says report http://www.digitimes[...] 2010-11-18
_[26] 문서 双葉電子工業 http://www.futaba.co[...]
_[27] 문서 「FED事業の見直しおよび特別損失の発生に関するお知らせ」 - 双葉電子工業 http://eir.eol.co.jp[...]
_[28] 뉴스 2008年11月6日付南日本新聞記事

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