場發射顯示器之展望 The Prospects of Field Emission Displays 大同公司 FED 研發處羅吉宗處長

- 1 -

場發射顯示器之展望場發射顯示器之展望The Prospects of Field Emission DisplaysThe Prospects of Field Emission Displays

大同公司 FED 研發處羅吉宗處長

- 2 -

◆ FED vs other displays.

◆What is the Field Emission Display (FED)﹖

◆ Kinds of field emission display.

The traditional FEDs — PixTech, Motor

ola,

Candescent/Sony, Futaba.

The New Approaches — pFED, SED and

CNT FED.

◆ The prospects of commercial FED.

簡報內容

- 3 -

簡報內容 ◆ FED vs other displays.



●The traditional FEDs — PixTech, Motorola,


● The New Approaches —pFED, SED and

CNT FED


- 4 -

●: good ; ○: medium ; X : bad

FED 與其他類型顯示器之特性比較45吋 FED

21吋 OLED

42吋 PDP 42吋 LCD 32吋 CRT

Low Cost ● ○ X X ●

Viewing Angle / environment

●(free)

●(free)

●(free)

X(<160o)

●(free)

Life time○

(階段性目標2萬 hr)

X(6千 hr)

○(1萬 hr)

●(6萬 hr)

●(5萬 hr)

Response time ●(<1ms)

●(<1ms)

●(<1ms)

X(8ms)

●(<1ms)

Low Power Consumption ●(<150W)

●(<150W)

X(385W)

○(240W)

○(200W)

High Resolution ●(1920x1080)

●(1920x1080)

X(1024x768)

●(1920x1080)

X(525line)

Brightness ●(>800nits)

○(400nits)

○(640nits)

○(600nits)

○(800nits)

Contrast (Dark) ●(10000:1)

●(5000:1)

○(3000:1)

X(1000:1)

●(5000:1)

Color Fidelity●

(94%NTSC)

○

(75%NTSC)

●

(90%NTSC)

○

(72%NTSC)

○

(75%NTSC)

- 5 -

Different Technologies & their limitations

1” 10” 20” 30” 40” 50” 60” Screen Diagonal

TFT-LCD

CRT PDP

Various Pixel Module Display

Existing Technologies

Emerging Technologies

OLED

Tip FED Flat FED Printable FED

Complex vacuum process, yield problems as size increases

Bulky, large screens costly to manufacture

Power hungry, inefficient as smaller screen, expensive electronics

Source: Materials World,

Vol. 8, pp22-25

Relative expensive to mfg.& operate, separate pixels-discontinuous & heavy panel

FED 產品定位

- 6 -

數位電視將為未來家庭娛樂、資訊及控制中心

場發射顯示技術將發展出 HDTV 、大型戶外看板、面光源、投影光源、 X-ray 醫療裝置、 STM 等產品。

- 7 -


◆What is the Field Emission Display (FED)﹖ ◆ Kinds of field emission display.




CNT FED


- 8 -

CRT → Field Emission Display

Cross-Section of an FED

1. Dielectric 2. Patterned Resister Layer 3. Cathode Glass 4. Row Metal 5. Emitter Array 6. Single Emitter Cone &

Gate Hole 7. Column Metal 8. Focusing Grid 9. Wall10. Phosphor11. Black Matrix12. Aluminum Layer13. Pixel On14. Faceplate Glass

FED 10~30mm

CRT >400mm

1.CRT 與 FED 都是以電子激發螢光粉而發光 (CL)之裝置。

2.CRT 是電子槍之熱電子發射，而 FED 是藉電場作用之冷電子穿隧。

- 9 -

◆ CRT 是熱電子發射。 Richardson 熱燈絲電流密度

Richardson const. ，為導體表面之功函

數，在外加電場 Eext作用下，表面能障降低。

◆ FED 是冷電子穿隧，高電場作用下，導體表面有效能障

降低，障壁變薄，電子易穿隧。 Fowler-Nordheim 穿隧電流

密度， A 、 B為常數，電場， ß

是電場放大因子，它與 emitter 形狀有關。

Tk

VeRTJ

B

Bexp2

3

2*4

h

kemR B

04exteE

V

B

V

BVAJ

2/322

exp1.1

VE

- 10 -

CNT

FED 基本結構與操作原理

- 11 -

FED 基本結構與操作原理 FED陽極顯示面板上，紅、綠、藍三個色素被 black matrix 隔開，每一畫素 (pixel) 都與陰極之一場發射電子源對應，陰極上的電子源受閘極控制開或關。 FED 在畫素需要顯示時，加上該畫素電壓的瞬間即可發射穿隧電子，穿隧電子的電流密度很低，驅動電路不必很複雜，因此功率消耗很低。 FED 在真空中 Gate 極加電場使 emitter 表面發射電子，陽極電壓加速電子激發螢光粉材料而發光，具有與 CRT 相同之 CL優美畫質，因此可說 FED 是平面化之 CRT 。 FED 是百萬畫素之多電子源直接激發銀幕上之螢光材料，不必像 CRT 需藉磁場控制自電子槍射出之電子束路徑，因此CRT 之陰極到陽極距離需 400mm 而 FED 只需 1mm 左右。

- 12 -

CRT 的電子槍提供 25KeV 之電子束激發陽極之螢光材料僅是能量轉移，而 FED 的陽極加速電壓除提供電子能量激發螢光材料，螢光材料也受到電子撞擊力，因此 FED 需開發高效率之低電壓螢光粉。

因此 FED 是很薄、低功率消耗、視角廣、適用溫度很寬、可快速播放、有 HDTV 畫質之平板顯示器。

場發射顯示器之技術要求 :1) FED 的電功率消耗低，要面板之操作電壓低，電子發射材

料之起始電場越低越好。2) 滿足解析度需求，電子發射位置密度 (ESD) 需大於 106cm-2 。

每個畫素之電子源分布需均勻發射電子。3) 在高真空、高電壓下維持輝光穩定性與元件壽命之技術與成本，決定產品之競爭力。

FED 基本結構與操作原理

- 13 -







CNT FED


- 14 -

Typical System Design of Spindt-FED

Spindt Type FED

- 15 -

PixTech FEDPixTech 5.2”

In field emission displays, electrons coming from millions of tiny micro-tips pass through gates and light up pixels on a screen.

Spindt Type FED

- 16 -

美國美國 Micron Display Technology Micron Display Technology 發展之發展之 FED Spacer PostsFED Spacer Posts

美國 Micron Display Technology (MDT) 是以直徑 25µm ，長度 350µm 之玻璃纖維直接結合在陽極板或陰極板之間，其配列之間距為 100µm ( 如圖一 )。此種圓柱設計的優點是提供足夠的抽氣通路，使得後續真空封合可以順利進行。

其最大的缺點則在於單支玻璃纖維之垂直度並不易維持，這是因為在真空封合製程中，由於壓力差極易產生橫向剪力，而圓柱結構形式是最無法承受剪力，易於造成垂直度不良。垂直度良好方能確保在另一面板 (陽極板或陰極板 )上，也獲得正確的定位，而不會造成混色問題。

另外在高溫結合製程中，易於因製程溫度差異而造成最後成品收縮，導致位置精度不足，也會造成混色問題。另一缺點是，其製作仍需搭配前後製程，無法分離，在成本上不易降低，對於未來普及化的幫助有限。

PixTech FEDSpindt Type FED

- 17 -

MotorolaSpindt Type FED

- 18 -

美國美國 Candescent Candescent 與日本與日本 Sony Sony 共同發展之共同發展之 FEDFED

Spacer Wall

美國 Candescent 與日本 Sony於 2000年 5月之 SID年會中共同發展之 FED尺寸，已由 5.3”提昇至 13.2”。其 Spacer 是採用長壁 (Wall)方式，為壁厚 55µm ，壁高 1270µm ，壁長 278mm 之陶瓷板，其 Spacer 高寬比為 23。擺置方式採用水平橫式放置在畫素與畫素之間隙上。

Spindt Type FED

- 19 -

Candescent ThinCRT Technology

Image from 13.2 in. SVGA 18-bit color Sony/Candescent Joint Development Display

Spindt Type FED

- 20 -

Futaba Futaba (14.4”SVGA / 2005)(14.4”SVGA / 2005)Spindt Type FED

- 21 -

Spacer TechnologySpacer Technology

Why the Why the traditionaltraditional FEDs are going out? FEDs are going out?

Cost, Cost, Cost, ...Cost, Cost, Cost, ...

Low Throughput Self-AlignedLow Throughput Self-Aligned

Spindt EmitterSpindt Emitter

High Voltage Driver ICHigh Voltage Driver IC

◆◆ Small Size Display OnlySmall Size Display Only

IC ProcessIC Process

- 22 -

◆◆ Large Size Display PossibleLarge Size Display Possible

What’s next?What’s next?

Printing ProcessPrinting Process

Lower Voltage Driver ICLower Voltage Driver IC

Improved Spacer TechnologyImproved Spacer Technology

Thin Film TechnologyThin Film Technology

- 23 -






●The New Approaches —pFED, SED and

CNT FED


- 24 -

Printed emitter

track

Etch stop

Glass substrate

Variable negative voltage

applied to modulate current

to produce picture

Positive voltage

applied to select line

Active emitter exposed

at bottom of cells

Printed

gate electrode

Phosphor coated anode

Printed gate insulator

Single exposure self-aligning

etch system for emitter-cells

~ 10 micron in diameter

Printed PFE

emitter layer

PFE-pFED

pFEDpFED

- 25 -

PFE 的 FED 陰極板結構是將導體或半導體 (可能是 graphite 、 DLC 或 CNT)配成漿料後，以網印技術印在玻璃基板之電極上，燒結後發射源厚度約 1um ，而導電粒子上覆蓋約 10nm厚之絕緣層。

接著在 emitter 上，塗布 gate oxide和 gate電極，然後以光罩和微影蝕刻技術， gate 電極和gate oxide 被挖出小孔，閘極上加電壓則 emitter 之電子將穿隧透過小孔，被陽極電場加速撞擊螢光材料而發光。

Emitter網印層中陰極電子以 MIM進入導電粒子，再以 MIV 穿隧入真空然後跑到陽極，此結構可維持emitter壽命很長。

pFEDpFEDPFE-pFED

- 26 -

pFEDpFED

PFE emitter technology utilises the source of pre-breakdown current

PFE’s Screen Printable Cold Cathode – MIMIV Structure

G raphitesurface

S ilica Vacuum

Ferm i Leve l

e lectrons

Optional resistive layer

Conducting or semi-conducting particle.Typically graphite

Insulating matrix ofte

n silica

Conducting layer

Substrate

MIV channel

MIM channel

Electronemission

The Electron Emission Mechanism

PFE-pFED

- 27 -

• Derived from Philips’ Zeus Project

• Homogenises and focuses electrons

• Many benefits in panel performance and handling

New pFED™ design with Hop-Plate

Hop-Plate

Hop-FEDHop-FEDPFE 導入 Philip 之技術，在陰極板之電子發射孔上加一層 Hop-Plate 。 Hop-Plate除了當 spacer 外，也可改善色純度和畫素內電子分布均勻性，。

- 28 -

The Hop-FED homogenises and focuses the output of many emitting sites

Anode Plane

Conducting LayerPhosphor dots(~ +5kV to+10kV)

Hop Electrode(~ +325V)

Gate Electrode(~ +175V)

Hop-channel

Hop Spacer

Flue Spacer

Flue-channelWith anti-flashovercoating

Hop-Flue FEDHop-Flue FED

同樣以噴砂技術，在 Hop-Plate 上再放一噴出小孔的 Flue-Plate ，孔內鍍防 arcing薄膜，它引導自 Hop-Plate 出來的電子直接打在螢光材料上，即 Flue-Plate當 spacer又可使電子聚焦改善色純度。

PFE-pFED

- 29 -

Hop-FED Hop-FED (with Hop and Flue)(with Hop and Flue) Significant Improvement in uniformity and contrast when Hop

and Flue plates are implemented.

Improvement in both inter-pixel and intra-pixel uniformity, and

contrast, clearly visible – also no doughnuts.

No cross-talk (will give excellent colour purity)

Closer packing possible - even with these pixels which are not

yet optimised for smaller geometry

With hop only With hop and flue

PFE-pFED

Hop-FEDHop-FED

- 30 -

PFE-pFED

- 31 -

Canon/ToshibaCanon/Toshiba

SSurfaceurface--Conduction Conduction EElectronlectron--Emitter Emitter DDisplayisplay (SED) (SED)

Nomura et al. (1996)

Fault line formation Low driving voltage (~10 V) Suppression of spread of electron Conventional CRT phosphor Large area panel

- 32 -

SED 的陰極板構造是在玻璃基板上網印 Pt 電極，然後在間距為 10um 相鄰電極上以 ink-jet 技術噴印 PdO，並在 PdO薄膜上沈積碳超微粒薄膜，再以脈衝震波製作 10nm 之薄膜間距。

在這兩電極間加電壓，則 10nm 間的電場使穿隧電子自 PdO上之碳薄片刀緣射出，然後被垂直陰極板之陽極電場上引並撞擊螢光材料而發光。

SEDSED

- 33 -

36”36” SE SEDD Display at Canon Display at Canon/Toshiba/Toshiba

“對比度之高令人驚奇！”（評論家、日本畫質學會副會長麻倉憐士）——正如顯示器畫質專家深感驚奇的那樣， SED 面板的對比度之高顯得尤為突出。此次公開的 36 英寸 SED 面板的光暗對比度高達 8600:1 。而現有 PDP 面板的光暗對比度最大在 3000:1 左右，液晶面板最大在 1000:1 左右，由此可見 SED 面板的光暗對比度值已經相當高了。PDP 面板通過預備放電、液晶面板通過背照光漏射使黑階表現出來，而 SED 不存在這些問題，因此可將黑色灰度控制得非常低。

contrast ratio contrast ratio >>868600:100:1

Announced on Announced on Sep. 14, 2004Sep. 14, 2004

（ Surface-conduction Electron-emitter Display ，表面傳導電子發射顯示器）

- 34 -

CNT-FED 發展較為積極的公司有日本的伊勢電

子、 NEC 、三菱電機、韓國的三星電子、 LG電子、

台灣的工研院電子所等。

CNT 為較佳電子發射源之理由 :1.高寬比 (aspect ratio) 大、尖端的曲率半徑小，

易穿隧電子。

2. Conductivity 大、導電、導熱佳

3.化性穩定、機械強度強。

- 35 -

SID 2000 Display of the YearSilver Award Winner

Source: ISE (2001)

ISE’s Field Emission Lamp ModuleISE’s Field Emission Lamp ModuleCNT- FED

- 36 -

CNT- FED

ISE’s FEDISE’s FED

- 37 -

CNT- FED

ISE’s FEDISE’s FED

- 38 -

Test image of a fully sealed 9-inch CNTs-FED (Samsung)

CNT- FED

Samsung’s CNT-FEDSamsung’s CNT-FED

Samsung 在 2003年 IVMC以錄影展示自家 38吋 CNT FED

- 39 -

The prospects of commercial FED1. CNT 易結團難均勻分布，漿料之調製技術與不

同之塗布 emitter 技術尚在發展中，但 LCD 之背光源 (BLU) 或高亮度燈具結構較簡單，將可於一兩年內上市，再向 CNT-FED 上市努力。

2.商用的大面積 FED 技術，將有 pFED 、 SED&CNT-FED勝出。 Toshiba & Cannon已宣布將於 2007 年正式量產 SED 。 CNT 之場發射源應用將以背光源或高亮度燈具為優先。

3.大同公司的 FED 技術展望 :

- 40 -

大同公司之 FED 技術競爭力 :■ 大同公司在 92年業界科專開始 FED 研發工作，至今已擁有高精細網印技術、陽極板製作技術、真空封裝技術，並在上期計劃展示 4吋 color FED panel 。

■ 大同公司有 CRT 、 TFT-LCD 、 PDP 的技術基礎，對 FED的研發助益很大，在這期計劃中有三項技術優勢 :

1. 製作有特色之 FED 陰極板 : 以網印的厚膜技術實現大面積化，以黃光微影技術提高影像解析度和畫素均勻性。

2. 開發 printable spacer: 應用網印和噴砂技術製作穩定的 Spacer架構，因有華映製作 PDP rib 的經驗，成功的機會很高。

3. 使用 MIMIV 的 PFE IPs調製最佳的 emitter和 insulator漿料，並在 spacer 上以薄膜技術解決輝光閃爍問題，因有 MIMIV專家指導，我們有信心做好這些關鍵技術。

- 41 -

A:92~94年： Dynode強化場發射核心技術開發與智權佈局(業界科專計畫 )

B:95~96 年： 20吋場發射顯示技術深耕 (業界科專計畫－本計劃 )

C:97 年：大於 40吋場發射顯示面板試驗工廠D:98 年： BLU 量產E:99 年：大於 40吋場發射顯示面板產品量產

量產性

A (Lab)․商品規格檢討․建立基礎技術․智權佈局

B ( 技術深耕 )․20”FED 驅動電路․面板設計․製程驗證․製程 QC․產品規格․Pilot 規劃

C (Pilot Plant)․驗證 >40”的大尺寸化 FED 技術․建立良品率與產能分析․成本分析․設備採購與廠房建構 C1․安裝試車 C2․良率改善 C3

D ( 試量產 ) & BLU 量產․年產量․年產值 (BEP)․市佔率

A B

94 96 98 99

C1 C2 C3 D

979593

E ( 量產 )․量產大於 40 吋以上面板

- 42 -

Thanks for your attentions.Comments are welcome!

Documents

場發射顯示器之展望 The Prospects of Field Emission Displays 大同公司 FED 研發處 羅吉宗 處長

場發射顯示器之展望 The Prospects of Field Emission Displays 大同公司 FED 研發處羅吉宗處長