background image

Technical comparison between SED and FED 

 

R. L. Fink, Zvi Yaniv, L. H. Thuesen, Igor Pavlovsky 

Applied Nanotech, Inc.3006 Longhorn Blvd., Suite 107, Austin, TX 78758, USA   

Phone:  512-339-5020;  FAX:  512-339-5021;  email:  dfink@appliednanotech.net

 

 

Abstract:

    The  surface-conduction  electron-emitter  display  (SED)  and  the  field  emission  display  (FED)  have  many  things  in 

common, mainly they are both technologies  that realize  a  thin, flat display with CRT-like qualities of  fast response time  and high 
efficiency, brightness and contrast ratio.  The market direction for both technologies is the large-screen, HDTV.  Both technologies 
rely on controlling an array of electron beams to write an image on a phosphor-coated anode.  Both technologies require an evacuated 
glass  envelope  supported  by  multiple  spacers  distributed  throughout  the  display.    Both  are  ultimately  based  on  field  emission 
concepts,  but  major  differences  in  the  emitter  structure  lead  to  significant  differences  in  electronic  drivers  and  display  operation.  
This presentation will focus on the similarities and differences between the two technologies and their effect on performance.   
 

Key words:

  Field Emission Display, FED, Surface-conduction Electron-emitter Display, SED, Surface Conduction Emitter, SCE 

 

1.  Introduction 

     The  information  display  is  a  critical  human  interface  to 
electronic  systems.  Industry  experts  have  been  working  for 
decades  to  manufacture  them  larger,  lighter,  brighter,  and 
thinner– particularly for television use.  Furthering the quest 
for  the  exemplary  display  television  is  the  introduction  of 
High Definition Television (HDTV). HDTV provides means 
for transforming the entertainment experience. By delivering 
crystal  clear  video  in  high  resolution,  high-fidelity  surround 
sound, full screen graphics and the ability to drive interactive 
applications,  HDTV  delivers  an  immersive  user  experience 
that is attracting consumers all over the world. 
 
     Because  of  the  inherent  flaws  in  current  display 
technology  for  HDTV,  many  researchers  have  turned  to  the 
field  emission  display  (FED)  utilizing  carbon  nanotubes 
(CNTs) as an electron emitted [1] as the technology of choice 
for  HDTV  [2].    It  is  this  technology  that  will  be  able  to 
support the HDTV revolution  at  an acceptable  cost.  On the 
other hand, Canon and Toshiba have developed another class 
of FED that is based on a lateral field emitter and called the 
Surface-conduction  Electron-emitter  Display  (SED).    We 
have  classified  the SED  in the FED family for  two  reasons.  
First,  the  Society  for  Information  Display  (SID)  and  other 
display  conference  organizers  generally  place  SED 
presentations and posters together with FED talks; we will be 
consistent  with  this  convention.    Second,  there  are  many 
things  that  the  FED  and  SED  have  in  common.    Before  we 
begin  with  what  makes  the  SED  unique,  let  us  first  begin 
with how they are similar.   

2. Similarities of FED and SED 

 
     SED and FED technologies have many things in common, 
as follows: 
 

2.1 Form Factor 

     First, they are both flat- and thin-screen technologies that, 
depending on the approach, can achieve HDTV specifications 
for  large-screen  displays.  Ishizuka  [3]  describes  a  36-inch 
diagonal  SED  panel  having  (H)1280  X  3  X  (V)768  pixels 

corresponding to a pixel size of 205 

!

m X 3 X 615 

!

m.  This 

display is only 7.3 mm thick [4], which is the sum of 2.8 mm 
(cathode plate), 2.8 mm (anode plate)  and 1.7 mm (vacuum 
spacing).    The  panel  weight  is  7.8  kg.    The  weight  and 
thickness  of  an  FED  of  comparable  size  is  expected  to  be 
about the same.  The target market for both FED and SED is 
large area HDTV [5].  

 

 

2.2 View Technology   

     

Second,  they  are  both  direct  view,  or  emissive  display 

technologies.  Each pixel or sub-pixel generates its own light 
energy  that  is  seen  directly  by  the  viewer,  allowing  high 
contrast and efficiency and other performance improvements.  
For SED and other FED technologies, the light that forms the 
image  is  created  by  energetic  electrons  striking  a  phosphor 
screen  anode,  very  similar  to  the  anode  screen  of  a  cathode 
ray  tube  (CRT).    The  phosphors  used  are  also  the  same  or 
very similar to those used in CRTs [6,7, 8].      
 

2.3 Structure 

     

Third, because electron acceleration requires a vacuum to 

avoid corona or plasma discharge, the mechanical structure of 
the  SED  and  other  FEDs  consists  of  a  hermetically  sealed 
glass  envelope  that  is  evacuated  to  form  the  vacuum  space 
required to accelerate the electron beams.   Depending on the 
size  of  the  display  and  thickness  of  the  glass  walls,  spacers 
are  generally  required  in  order  to  support  the  glass  walls 
against the  atmospheric pressure.   The spacers must  also be 
capable  of  standing  off  high  voltage  gradients  and  be 
optically  invisible  to  viewers  under  normal  operating 
conditions.  The 36-inch SED required 20 rib-type spacers to 
maintain the 1.7 mm vacuum gap.  A schematic of the SED 
display  is  shown  in  Figure  1.    FED  displays  have  been 
demonstrated  with  both  rib-type  and  post-type  spacers  [9].   
Furthermore, all FED technologies, including SED, require a 
form  of  getter  technology  [10]  to  maintain  the  required 
vacuum  inside  the  glass  envelope  after  the  display  is 
evacuated and sealed. 

 

background image

 

Figure 1:  Structure of SED (top) showing Cathode plate, 
rib-type  spacer  and  Anode  plate

 

[3].    The  structure  for 

FED  (bottom)  [11]  is  similar  except  for  details  of  the 
Cathode plate. 

 

2.4 Manufacturing

   

     

Finally, the fabrication and assembly approaches are also 

very  similar,  with  the  major  exception  being  the  cathode

 

plate, as will be described later.

   

All FED approaches being 

developed today require assembling a face-plate (anode) with 
a  back-plate  (cathode  or  electron  source),  together  with 
sidewalls,  spacers  and  getters.    First  the  anode  and  cathode 
plates  are  fabricated  separately,  assembled  with  the  other 
components,  sealed  using  glass  frit  or  other  novel  materials 
and then evacuated.  Figure 2 diagrams the assembly process 
for a CNT-based FED [12], but can be applied to other FED 
technologies,  including  SED.      In  some  approaches,  the 
sealing  and  evacuation  steps  are  combined  and  still  other 
approaches hope to eliminate or reduce the number of spacers 
[13].    New  materials  are  under  development  to  replace  frit-
glass  seals  in  order  to  lower  the  sealing  temperature  and  to 
avoid materials with high lead content [14].

   

 

Figure  2:    Diagram  showing  the  basic  flow  of  display 
fabrication. 

 
     The  anode  fabrication  process  is  very  similar  for  both 
SED  and  FED.    Figure  3  shows  the  details  of  the  anode 
configuration  for  an  SED  panel  [3].    The  black  matrix  and 
color filters are used to improve contrast and the metal back 
film  is  used  to  improve  brightness  and  efficiency  and  also 
acts as an electrode for the high voltage potential and bleeds 
charge  away  from  the phosphor during e-beam  illumination.  
These are standard technical modifications used in CRT, FED 
and  high-voltage  VFD  to  improve  the  performance  of  the 
phosphor.   

Figure  3:    Enlarged  photo  of  anode  plate  for  an  SED 
panel  [4].    Although  the  dimensions  may  vary,  the 
structure is very similar for other FED displays

.  

 

 
      

Cathode 
Fabrication 

Grid 
Attachment 

Spacer 
Placement 

Anode 
Fabrication 

Sidewall 
Attachment 

Getter 
Attachment 

Vacuum 
Seal 

Tip-off and 
Gettering 

background image

Finally,  both  SED  and  CNT-based  FED  displays  have  used 
printing  to  fabricate  the  anode  and  cathode plate,  as will be 
detailed  in  the  following  section.    Thus  depending  on  your 
point  of  view,  the  SED  and  other  FED  technologies  have 
many  components  in  common,  such  as  the  anode  and 
phosphors used on the anode, spacer technology, getters and 
much  of  the  assembly  process.    Now  let’s  look  at  what  is 
unique to SED and other FED technologies. 

3.  Differences between SED and FED 

     The  significant  differences  between  SED  and  FED  are 
clearly  seen  in  the  electron  source  plate  and  the  drive 
electronics.    Before  we  discuss  the  significance  of  the 
differences, we must first understand how each is  structured 
and operated. 

3.1 Standard FED emitter configurations 

     Some  typical  configurations  using  carbon  nanotube 
emitters  are  shown  in  Figure  4.    Microtip  emitters  have 
similar  configurations.    In  either  case,  electron  beams  are 
created  by  extracting  electrons  from  the  emitter  structure 
(CNT  or  microtip)  as  a  result  of  the  high  electric  fields 
applied  to  the  emitter  from  voltage  differences  between  the 
anode, gate and cathode electrodes.  In some cases, the anode 
field  contributes  to  the  electron  emission,  but  the  cathode-
gate voltage difference controls the emission current intensity.   
 

Metal Grid

Cathode Electrode

Gate

CNT

Focusing Gate

(a)

(b)

Metal Grid

Cathode Electrode

Gate

CNT

Focusing Gate

(a)

(b)

 

Figure  4:    Configurations  used  for  CNT  emitters.  (a)  A 
metal  grid  is  suspended  over  the  CNT  electron-emitter 
patch  that  sits  on  top  of  a  cathode  line.    This  is  a 
configuration used by ANI.  (b) The gate structure is fully 
integrated  and  photolithographically  formed  on  the 
cathode  plate.    This  design  also  exhibits  additional 
focusing  electrodes  to  help  control  the  electron  beam 
width. 

 
     Electron  current  from  the  FED  emitters  is  controlled  by 
the  field  applied  to  the  emitter  as  a  result  of  the  cathode  to 
gate bias  and is governed by the Fowler-Nordheim equation 
[15].    The  current  from  the  emitter  as  a  function  of  the 
applied voltage is highly non-linear.  An example of the I-V 
characteristics  for  a  CNT  emitter  is  shown  in  Figure  5.    In 
addition  to  the  applied  field,  the  emission  current  is  also 
dependent  on  the  workfunction  (

"

)  of  the  emitter  and  the 

shape of the emitter.  As the workfunction is decreased, such 
as  with  a  coating  of  alkali  metal,  it  is  easier  to  extract 
electrons  at  lower  fields.    As  the  shape  of  the  emitter 
becomes sharper, it is also easier to extract electrons since the 
local electric field is higher at the point of the emitter.   

0

5

10

15

20

25

30

35

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Electric field (V/micron)

Emission 

current 

(mA)

CNT

Cs-CNT

 

 

Figure 5:  Emission current as a function of electric field 
applied to a CNT emitter and a CNT emitter coated with 
cesium.    Cesium  lowers  the  workfunction  and  allows 
emission at lower extraction fields [16].  

 
     There  are  two  important  points  to  make  concerning  the 
standard FED approaches.  First, the configuration is largely 
vertical.    Typically,  the  gate  is  placed  near  the  cathode 
electrode such that the applied electric field is mostly vertical 
at the cathode electrode where the CNT emitter is deposited.  
The electrons that are emitted from the cathode travel directly 
to the anode.  Some broadening of the beam does take place 
as a result of the lateral components of the applied field, but 
these  are  limited  as  much  as  possible  by  the  design  or  are 
corrected with  additional focus  electrodes placed in the path 
as  needed.    Typically,  the  goal  of  the  FED  designer  is  to 
prohibit  the  electrons  from  striking  any  other  surface  other 
than the anode after the electrons leave the emitters.  As you 
will see later, the SED emitter includes a multiple-scattering 
process. 
 
     Secondly,  typical  FEDs  are  voltage-drive  devices.    In  a 
passive matrix FED display, it is difficult to apply more than 
two or three voltage levels between the cathode and the gate 
(ON  and  OFF  voltages),  so  gray  scale  in  the  image  is 
achieved  by  pulse  width  modulation.    As  for  all  passive 
matrix  flat  panel  displays,  the  image  is  created  line-by-line.  
As one  line is  activated, the pixels in that line  are switched 
ON by the  column drivers;  the period that each pixel  in the 
line  is  left  ON  is  determined  by  the  luminous  intensity 
required  from  that  pixel  for  that  image  frame.    Since  the 
emission  current  from  the  emitters  is  highly  non-linear  and 
the fabrication of the emitters is difficult to control, emission 
uniformity and thus image uniformity is the major problem to 
overcome  for  microtip  and  CNT  displays.    Fabrication 
techniques  have  improved  the  uniformity  of  CNT-based 
FEDs.    Often  emission  uniformity  across  the  cathode  is 
controlled by a current feed-back resistor placed in line with 
the cathode electrode.   
 
     Fabrication of FED  emitter  is dependant of the  approach 
taken  by  the  FED  development  team.    Motorola  and  LETI 
have  developed  processes  that  require  CNT  growth  directly 
on the cathode substrate while groups like ANI and Samsung 
have  developed  processes  that  allow  printing  of  the  CNT.  
Printing  approaches are more favorable for fabricating large 
area  cathodes  with  uniform  emission  in  high  volume  as 
opposed  to  high-temperature  CVD  approaches  required  for 
direct  CNT  growth.    The  printing  approaches  require  an 

background image

activation  step,  but  even  this  has  been  optimized  for  large-
area fabrication using a bead-blasting technique [17].   

 

3.2 Structure of SED

 

     The SED structure  is unique  to other FED approaches in 
that the electron beam current supplied to the anode for each 
pixel is generated in a 2-step process.  Step 1)  The electron 
source  operates  by  first  emitting  electrons  laterally  (parallel 
to  the  cathode  substrate)  across  a  very  narrow  gap  formed 
between  two  electrodes.    The  gap  between  the  electrodes, 
although  small,  on  the  order  of  a  few  nanometers,  is  still  a 
vacuum gap  that requires  application of an  electric potential 
to  extract  electrons  from  one  electrode  through  the  vacuum 
tunneling  barrier  to  the  other  electrode.    The  current  across 
electrode  gap  follows  the  Fowler-Nordheim  law  and  is  thus 
highly  non-linear,  allowing  for  matrix  addressability  as  will 
be discussed later.  This lateral emitter structure is where the 
term Surface Conduction Emitter (SCE) comes from.  Figure 
6 is a diagram of the SED emitter structure [4].   

 

Figure  6

:    Structure  of  SED  [4].    Each  sub-pixel  has  a 

unique pair of electrodes that supplies an electron current.   

 
 Step 2)   The  electrons  that tunnel  across  the gap  and strike 
the  counter-electrode  are  either  absorbed  into  the  counter-
electrode (thereby creating only heat and no light) or they are 
scattered, captured by the electric field created by the anode 
potential  and  accelerated  to  a  particular  phosphor  dot,  thus 
creating  a  spot  of  red,  green  or  blue  light.    This  combined 
electron  emission  plus  electron  beam  scattering  process  is 
illustrated in Figure 7 where V

a

 is the anode potential and V

f

 

is  the  driving  potential  across  the  gap.    Multiple  scattering 
events may take place before the electron is captured by the 
anode  field.    The  efficiency  of  the  number  of  electrons 
captured by the  anode field (I

e

/I

f

, Figure 7) is quite low, on 

the order of 3%, but the power efficiency is reasonable since 
V

f

 is low, on order of 20 V [7].   Note also that the uniformity 

of electron current reaching that anode is dependant on field 
emission current at the gap convoluted with the efficiency of 
scattering events from pixel-to-pixel.  

 

Figure  7:    Surface  Conduction  Emitter  emission 
mechanism [7]. 

 
     The  emitter  that  is  described  above  is  fabricated  using  a 
combination of technologies [7].  The simple matrix wires are 
deposited  by  a  printing  method  using  silver  wires  and 
insulating  films  at  the  crossovers.    Platinum  electrodes  are 
formed  using  thin-film  lithography,  the  gap  between  these 
electrodes is 60 

!

m.  The carbon nano gap is created in a two 

step  process,  beginning  by  depositing  a  PdO  film  (10  nm 
thick) by ink-jet printing over and between the Pt electrodes.  
This  film  is  composed  of  ultrafine  particles  of  PdO  of 
diameter  about 10 nm.   First,  a gap  is “formed”  in this  film 
by  reducing  the  oxide  by  passing  a  series  of  voltage  pulses 
across this PdO film between the two Pt electrodes.  The PdO 
is  reduced  by  the  heat  of  the  pulses  as  the  substrate  is  in  a 
vacuum  environment.    As  the  PdO  is  reduced,  the  film  is 
stressed and eventually a sub-micron gap is formed across the 
diameter of the PdO dot.   Second, the gap is “activated” by 
exposing  the  cathode  to  an  organic  gas  and  more  pulse 
voltages  are  applied  across  the  gap.    These  pulse  voltages 
create a local discharge that leads to CVD-like deposition of 
a carbon film in the gap, such that the gap narrows to a self-
limiting  distance  of  order  5  nm.    When  the  gap  is  large, 
carbon material is deposited  as  a result of the disassociation 
of  the  hydrocarbon  molecules  in  the  plasma  resulting  from 
the  discharge.  As  the  gap  becomes  smaller,  the  local 
discharge  current  created  by  the  pulse  becomes  large  and 
material  is  evaporated.    At  a  gap  of  about  5  nm,  deposition 
and evaporation of carbon material reaches equilibrium.  The 
width of this gap is controlled by the pressure of the organic 
gas and the pulse voltage.  A cross section image of this gap 
is shown in Figure 8.  
 

background image

 

 

Figure  8:    (Top)  SEM  cross  section  image  of  the  carbon 
nano  gap  fabricated  by  the  forming  and  activation 
processes [7].  (Bottom)  Diagram of the carbon nano gap 
structure.    The  substrate  deterioration  is  a  result  of  the 
high temperature created locally by the activation process. 
[18]. 

 
     Similar  to  the  FED,  the  SED  is  driven  line-by-line  as 
shown in Figure 9.   The scanning circuit generates the  scan 
signal  (V

scan

)  and  the  signal  modulation  circuit  generates  a 

pulse width modulation signal (V

sig

) that is synchronized with 

the  scan  signal.    Because  of  the  highly  non-linear  I

e

-I

f

 

characteristics of the surface conduction emitter, it is possible 
to  drive  each  pixel  selectively  using  a  simple  matrix  x-y 
configuration  without  active  elements  and  still  achieve  a 
luminance contrast ratio of 100,000:1 with a signal voltage of 
18.9 V and  a  scanning voltage of 9.5 V [7].  Contrast these 
values with typical signal voltage of 35 – 50 V and scanning 
voltage of 50 – 100 V for CNT-based FED structures.   The 
SED switching devices are much lower voltage but they must 
be  designed  for  much  higher  steady-state  current  loads,  as 
much as a factor of 30 higher as a result of the inefficiency of 
the SCE electron scattering mechanism.  The larger currents 
of  the  SED  also  forces  the  interconnect  lines  to  have  lower 
resistances  compared  to  FED  as  even  a  small  voltage  drop 
along the line can result in edge-to-edge non-uniformity.   

 

Figure 9:  Diagram of SED matrix-addressed driving 
method [7]. 

4.  Conclusions 

     The  SED  and  other  FED  technologies  have  many 
components in common, such as the anode configuration and 
phosphors used on the anode, spacer technology, getters and 
much of  the  assembly process.  Significant differences  exist 
in  the  emitter  structure  although  both  SED  and  other  CNT-
based  FED  structures  can  be  fabricated  using  printing 
technology  to  help  lower  manufacturing  cost  for  large  area 
displays.  Both emitter structures obey the Fowler-Nordheim 
characteristic  allowing  high  contrast  ratio  using  simple  x-y 
matrix addressing.  SED has already demonstrated 100,000:1 
contrast  ratio;  FED  could  also  demonstrate  similar  values  if 
the same anode structure is used.  Both SED and CNT-based 
FEDs  (for  printed  CNT  layers)  require  an  activation  step, 
although the nature of the activation process is much different.  
The  SED  is  driven  at  voltages  about  20  V  or  lower,  but 
require much higher current capability.  Demonstrated CNT-
based FEDs typical operate in the range of 50 – 100 V but the 
drive  current  is  much  lower.    Because  of  the  high  drive 
currents  and  low  drive  voltages  required,  the  interconnect 
lines for SED need to be much more robust.  Thus both SED 
and CNT-based FED have demonstrated or have the potential 
to demonstrate low-cost approaches for making high-quality, 
large  area  HDTV  displays.    The  fact  that  SED  is  closer  to 
market  reflects  the  fact  that  this  technology  has  been  in 
development longer.  

                                                 

5.  References 

[1] U.S. Patent 5,773,921 and  RE38,223E; and RE38,561E. 
[2] J. Dijon, 

et al

., Proceedings IDW 2005. 

[3] Y. Ishizuka, 

et al

., p. 1655, Proceedings IDW 2005. 

[4] T. Oguchi, 

et al.,

 p. 1929, SID 2005 Digest. 

[5] J. M. Kim, 2

nd

 International Symposium on 

Nanomanufacturing (ISNM 2004), p. 47. 
[6] E. J. Chi, 

et al.,

 SID 2006 Digest, p. 1841. 

[7] K. Yamamoto, 

et al

., J. of the SID, Vol. 14, p. 73 (2006). 

[8] B. Cummings, 

et al

., p. 422, SID 2001 Digest.  

[9] K. A. Dean, 

et al

., p. 1847, SID 2006 Digest; and Z. 

Yaniv, 

et al.,

 “Nanoelectronics as Applied to Field Emission 

Displays Using Carbon Nanotubes”, elsewhere in these 
proceedings. 
[10] Marco Amiotti and Stefano Tominetti, p. 25, Vacuum 
Solutions, July/August 1988.  
[11] K. A. Dean, 

et al.,

 p. 1936, SID 2005 Digest. 

[12] R. L. Fink, 

et al

., p. 1748, SID 2006 Digest.   

[13] T. Sugawara, 

et. al

., p. 1752, SID 2006 Digest. 

[14] K. Ishizeki, 

et al.,

 p. 1756, SID 2006 Digest. 

[15] Robert Gomer, Field Emission and Field Ionization, pub. 
American Institute of Physics, 1993.  
[16] US Patent 6,885,022 and Z. Yaniv, 2

nd

 International 

Symposium on Nanomanufacturing (ISNM 2004), p. 705. 
[17] R. L. Fink, 

et al.,

 p. 1251, Proceedings IDW 2004. 

[18] Taiko Motoi, 

et al.,

 US Patent Publication 20020096986