#01/2005 • Ж.з.И.

Константин БЫСТРУШКИН, Лариса СТЕПАНЕНКО

ЭМИССИЯ ВЫПОЛНИМА

КАЖЕТСЯ, УЖЕ НИЧТО НЕ СМОЖЕТ ОСТАНОВИТЬ НАСТУПЛЕНИЕ LCD И PDP-ДИСПЛЕЕВ. ОНИ ПОСТОЯННО СОВЕРШЕНСТВУЮТСЯ, А ЦЕНЫ НА НИХ ПОСТОЯННО ПАДАЮТ. СЕГОДНЯ САМУЮ ПРОСТУЮ 42-ДЮЙМОВУЮ ПЛАЗМУ МОЖНО ПРИОБРЕСТИ ВСЕГО ЗА $2200 — 2500. НЕ МЕНЬШИХ УСПЕХОВ ДОБИЛИСЬ И РАЗРАБОТЧИКИ LCD: ОНИ, ОТВОЕВАВ ПОЛОВИНУ РЫНКА КОМПЬЮТЕРНЫХ МОНИТОРОВ, СТРЕМИТЕЛЬНО ДВИНУЛИСЬ В СЕКТОР ЖК-ТЕЛЕВИЗОРОВ. ПОЭТОМУ ПРОИЗВОДИТЕЛИ ВКЛАДЫВАЮТ МИЛЛИАРДЫ ДОЛЛАРОВ В СТРОИТЕЛЬСТВО НОВЫХ ЗАВОДОВ. А ЕСТЬ ЛИ В ЭТОМ СМЫСЛ? ВЕДЬ СКОРО ВСЕ МОЖЕТ РЕШИТЕЛЬНО ИЗМЕНИТЬСЯ.

В БЛИЖАЙШИЕ ДВА ГОДА НА рынке ожидается появление как минимум двух новых типов панелей с большими диагоналями. Причем совершенно с иным принципом действия, чем ЖК и плазма. Одним из них будут люминесцентные дисплеи с холодной эмиссией SED (Surface-conduction electron Emission Display), о начале продаж которых в первой половине этого года официально объявили такие японские гиганты, как Canon и Toshiba. Второй новинкой, способной взорвать рынок плоских панелей, может стать новое поколение органических дисплеев OLED (Organic Light Emitting Diode), о которых мы уже рассказывали более года назад.

ПРЕЛЕСТИ ЭМИССИИ

Так что давайте знакомиться с эмиссионными экранами. Если говорить предельно упрощенно, то они представляют собой... более высокую эволюционную форму обычных кинескопов. Судите сами. В обоих случаях используется прямое излучение светового потока, которое дает люминофор, возбуждаемый пучком ускоренных электронов. И в CRT, и в OLED этот пучок испускает катод, но разница в том, что если в кинескопе случае для этого достаточно одного катода (или трех в цветной трубке), то в новых дисплеях у каждого экрана он свой, сугубо индивидуальный. Управляет он свечением единственного пикселя, поэтому в SED отсутствует отклоняющая система, и панель получается чрезвычайно компактной. В идеальном варианте ее толщина может составить всего несколько сантиметров. Таким образом, SED, с некоторыми оговорками, можно считать совокупностью нескольких сотен тысяч миниатюрных кинескопов, объединенных в общую систему.

Действующие образцы SED-панелей ИЛГ-2 НИИ «Волга» с 20-сантиметровым экраном.

Конструктивно люминесцентный видеомодуль представляет собой две стеклянные пластины, собранные в общий герметичный пакет. На одной из внутренних его сторон нанесены люминофоры первичных цветов, а напротив, на другой стороне — ультратонкий слой, излучающий электроны. Он состоит из множества микроскопических пирамидок с острием в несколько нанометров. Воздух внутри пакета, разумеется, откачан до глубокого вакуума. Если между игольчатым слоем (катодом) и экраном (анодом) создать достаточно высокую разность потенциалов, напряженность электрического поля на кончиках пирамидок вызовет эмиссию электронов. При напряжении более 10 кВ они получат нужное ускорение и полетят в сторону экрана, где, попав на люминофор, вызовут его свечение. А для формирования изображения на экране такого дисплея нужно лишь организовать индивидуальное управление каждым катодом при помощи электродной матрицы. Примерно так же, как это делается в плазменных панелях с использованием отдельных драйверов для строк и столбцов.

Как видим, дисплей с холодным катодом (нити накала в нем нет), устроен очень просто. Но эта простота обманчива. В течение многих лет создать катоды-пирамидки абсолютно одинаковой высоты на сколько-нибудь значительной площади подложки не удавалось никому. Работали в этом направлении и российские ученые, в частности, из НИИ «Волга» (г. Саратов). Так, еще в 2000 году группа специалистов под руководством Б. Горфинкеля получила патент на способ формирования структуры микрокатодов для FED (Field Emission Display) на основе тонких пленок алмазоподобного углерода. В основе саратовского ноу-хау лежит формирование микрорельефа катодов методом напыления тонких углеродных пленок с последующей фотолитографией. В итоге удалось получить практически идеальную кристаллическую структуру микрокатодов и повторяемость результатов. При этом, что очень важно, достигается их долговечность, тогда как известные до этого катоды на основе углеродных нанотрубок или микроскопических игл из молибдена работали буквально считанные часы. Для проверки теоретических выкладок в НИИ «Волга» в 2002 году были изготовлены фрагменты цветного FED-дисплея с матрицей 64 х 64 пикселя, которые оказались вполне работоспособными. Исследованиями наших ученых активно заинтересовались за границей, в частности, Samsung и Futaba Corporation из Японии, которые даже приняли финансовое участие. Казалось бы — доведи конструкцию до ума и внедряй ее в производство. Однако пока дело застопорилось на фазе лабораторных образцов и макетов. Причина проста — для начала серийного выпуска, по самым минимальным оценкам, необходимо почти полмиллиона долларов, и их пока добыть не удается. Добавим, что, помимо дисплеев с холодным катодом, в НИИ «Волга» разрабатываются и термокатодные. Они устроены почти так же, только электроны эмитируются туго натянутыми нитями накала. В настоящее время разработано несколько таких моделей с размером экрана около 20 см, и даже изготовлены опытные образцы, что внушает осторожный оптимизм и законную гордость за отечественных инженеров.

Органическая матрица Sony ACX522 для мобильных телефонов.

За рубежом наиболее активно FED-дисплеями занимаются японские фирмы. Лидером среди них является Canon, потратившая огромные средства и 20 лет интенсивных исследований, прежде чем начали получаться повторяемые результаты. После решения принципиальных проблем, в том числе выбора материала для изготовления катодов, возник вопрос о создании простого и не сильно затратного метода формирования эмитирующего слоя. И с этой задачей справились на редкость остроумно: специалисты Canon предложили наносить его с помощью стандартных головок от струйных принтеров. Этот этап оказался очень важным в судьбе SED, поскольку сделал возможным создание высокотехнологичных и недорогих дисплеев с большими диагоналями. Дешевизна люминесцентного дисплея обусловлена его конструктивной простотой, отсутствием дорогостоящих материалов, а также использованием копеечного струйного метода. При этом SED обладают очень высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую — до 5 лм/Вт. Для сравнения: при том же размере экрана люминесцентная панель потребляет втрое (!) меньше энергии, чем PDP и вдвое меньше, чем CRT. Другими словами, SED размером 42 дюйма потребляет столько же, сколько 36-дюймовый кинескоп.

Помимо высокой эффективности новые дисплеи обладают еще целым рядом не менее важных достоинств:

• высокая яркость и контрастность изображения;

• отсутствие направленности излучения;

• минимальная толщина, что удобно для крепления на стене;

• относительная простота создания панелей высокого разрешения для HDTV.

ИСТОРИЯ ПОВТОРЯЕТСЯ

Как мы уже говорили, инженеры Cаnon взялись за технологию SED в 1986 г. для замены цветных кинескопов с большой диагональю. В 1999-м к исследованиям присоединилась Toshiba, и обе фирмы подписали соглашение о совместном сотрудничестве в этой области. Главной целью «люминесцентного союза» было сделать технологию SED де-факто, т.е. ни много ни мало — стандартом для плоских панелей следующего поколения. Роли распределили так: Canon отвечал за создание эмиссионного слоя с микрокатодами и флуоресцентного экрана, а «Тошибе» достался стеклопакет, нанесение управляющих электродов (на базе отработанной LCD-технологии) и разработка комплекта управляющих СБИС.

Драйвер Princeton Tech. Corp PT6800 для 80-сегментных буквенно-цифровых OLED.

Для совместного творчества в префектуре Канагава было создано специальное предприятие SED Inc. Главой новой компании был назначен Шуничи Узава (Shunichi Uzawa), бывший директор Canon, руководивший по совместительству подразделением SED Development. Начальный уставной капитал SED Inc. составил 1 млрд. йен, при этом оба партнера внесли в него равные доли. В дальнейшем было инвестировано еще по $1 млрд. в строительство завода для производства дисплеев. К 1 января 2005 года количество сотрудников совместного предприятия должно достичь 300 человек.

Объединение усилий и капиталов столь мощных фирм способствовало значительному ускорению работ. Уже 14 сентября 2004 г. представители Canon и Toshiba официально объявили о начале совместного производства и продвижения на рынок SED и телевизионной техники на их основе. Появление в продаже первых образов ожидается уже в начале 2005-го.

Если этим планам будет суждено сбыться, а вероятность весьма высока, т.к. рабочие прототипы SED-дисплеев уже были продемонстрированы, то баланс сил на рынке панелей с большими экранами может существенно измениться. Действительно, в SED сочетаются лучшие черты CRT, LCD и PDP, но в то же время нет и недостатков этих технологий. Согласитесь, что этого более чем достаточно, чтобы лишить сна сегодняшних лидеров рынка, сделавших ставку на плазму и жидкие кристаллы.

Принцип работы органического дисплея.

Любопытно, что создание SED в очередной раз подтвердило диалектический тезис о том, что все в нашей жизни развивается по спирали. В самом деле, что такое люминесцентный дисплей, как не новая, более высокая ступень развития традиционного кинескопа? Ведь он описывается как «электровакуумный прибор, в котором для светоизлучения люминофоров используется поток электронов», а эта формулировка вполне применима и для SED.

Посмотрите, как быстро и драматично развиваются события! Совсем недавно PDP и LCD начали вытеснять с рынка вакуумные трубки, а уже появился новый конкурент. Причем побьет победителей тот же кинескоп, но в несколько измененном виде.

ОРГАНИЧЕСКИЕ НА ГРАНИ ПРОРЫВА

Кроме люминесцентных серьезную конкуренцию плазме и ЖК могут составить и органические дисплеи OLED (Organic Light Emitting Diode), с которыми читатель тоже знаком по предыдущим выпускам рубрики. Напомним, что их работа, как и обычного светодиода, основана на излучении света полупроводниковым переходом при наличии управляющего напряжения. Разница только в том, в OLED используются не традиционные полупроводники, а тонкие органические пленки — отсюда и название. Поэтому они устроены даже проще, чем SED’ы. По сути, это сэндвич из слоев с проводимостью n и р-типа, на поверхность которых нанесена матрица электродов для управления столбцами и строками. Построение цветного дисплея особых проблем не вызывает, нужно просто нанести дополнительные пленки с соответствующим цветом излучения. Но есть и трудность — синтезировать вещества с нужными свойствами и обеспечить их долговечность не так-то просто.

Дисплей Osram Pictiva разрешением 128 х 64.

Два года назад реальным достижением в области OLED был серийный выпуск цветных дисплеев для сотовых телефонов, цифровых фотокамер, автомобильных магнитол и другой аппаратуры с малым размером экрана. Казалось, что до больших органических экранов дело дойдет не скоро. И вдруг в мае 2000-го Seiko Epson (опять японцы!) неожиданно для всех продемонстрировала работающий прототип дисплея с диагональю в 40 дюймов! Для того чтобы оценить всю грандиозность события, необходимо знать, что к этому моменту только Samsung смог продемонстрировать «живой» OLED с относительно большим экраном — аж 17 дюймов. Большинство же конкурентов не сумело выйти даже за пределы 10 дюймов. Чем же объяснить столь впечатляющий прорыв Seiko Epson?

Так же как и у альянса Canon-Toshiba, главной изюминкой здесь было использование обычной струйной печати для нанесения светоизлучающего полимера на стеклянную подложку. А это стало возможным благодаря применению новейших технологий при изготовлении струйных принтеров. Современные схемы позиционирования головки обеспечивают точность, достаточную для печати с плотностью 1440 точек на дюйм. А для изготовления светоизлучающей матрицы стандартного разрешения этого более чем достаточно. Второй фактор успеха — конструкция самой печатающей головки. По виду она почти не отличается от стандартной, но тщательная доработка внутреннего устройства позволила более точно формировать объем и, соответственно, размер капель активного вещества, «выплевываемого» за один такт. Опытный 40-дюймовый дисплей имеет стандартное разрешение, но представители фирмы заявили, что с переходом на модифицированную головку при таких размерах экрана вполне реально добиться разрешения HDTV. Наконец, третьим ключевым ноу-хау Seiko Epson является состав органического OLED-люминофора с высокой эффективностью и достаточным рабочим ресурсом. До сих пор срок службы большинства коммерческих дисплеев ограничен 1 — 2 тыс. ч, чего, наверное, достаточно для цифрового фотоаппарата или мобильника, где экран гасится в нерабочем положении. Совсем иные требования предъявляются к компьютерному монитору или телевизору, которые могут «гореть» сутками. В этом случае ресурс в 1000 ч может быть выбран менее чем за год. Поэтому специалисты Seiko Epson пытаются увеличить жизненный цикл OLED хотя бы до 10 тыс. ч, что уже вполне сравнимо с PDP или LCD. С учетом быстрого морального устаревания современной электроники, в том числе и плоских панелей, этот рубеж способен открыть перед органическими экранами заманчивые рыночные перспективы. Тем более по цене они будут намного привлекательнее, чем плазма и жидкие кристаллы. При этом на стороне «органиков» будут такие сильные аргументы, как малое время отклика и широкий угол обзора. В таких панелях не будет ни высокого напряжения, ни вакуума, поэтому они абсолютно безопасны. К тому же органические дисплеи очень экономичны (сравнимы по этому показателю с SED), что заведомо обеспечит им любовь и всемерную поддержку «зеленых» по всему миру. И не забывайте про меньшие габариты и массу. Ведь OLED состоит только из стекла-подложки с тонкими пленками органического люминофора и матрицы управляющих электродов. При этом можно сделать сверхтонкий (а значит, очень легкий) дисплей с глубиной, лишь ненамного превосходящей толщину несущего стекла. И эта фантастика уже стала реальностью.

Устройство обычного кинескопа и SED (справа).

Сказанное, к сожалению, вовсе не означает, что уже в этом году мы сможем купить такую замечательную панель. По плану Seiko Epson, исследовательские работы должны закончиться только в 2007-м. При этом потребуются огромные финансовые ресурсы, превышающие возможности этой одной компании, поэтому Seiko Epson активно ищет партнеров, которые не тропятся подключиться к столь перспективному бизнесу. Причина такой, удивительной на первый взгляд, пассивности в том, что все гиганты электронной индустрии уже успели вложить средства, исчисляемые миллиардами долларов, в производство PDP или LCD. Вполне естественно, что они рассчитывают не только окупить, но и получить прибыль с быстро растущих продаж плоских панелей. Появление SED и OLED с их явными преимуществами способно в одночасье нарушить равновесие на давно поделенном электронном рынке. Зато для новых и агрессивных компаний, в частности, из Китая и других стран Юго-Восточной Азии, новый кусок пирога — просто подарок судьбы. Впрочем, откуда начнется наступление, из Японии или Поднебесной, не важно. В любом случае, скучать нам не придется.

КТО КОГО?

Развитие плазменных и LCD-технологий и раньше поражало воображение своими темпами, но за последний год они сделали просто огромный скачок. Даже невооруженным глазом видно, насколько далеко они продвинулись — повысилось разрешение и быстродействие, яркость, улучшилась цветопередача. Появление высокоэффективных алгоритмов цифровой предобработки сигнала и быстродействующих процессоров буквально дало вторую жизнь этим панелям, поскольку в значительной степени компенсировало недостатки, считавшиеся раньше неизлечимыми. Но главной причиной укрепления этого рыночного сегмента стал повышенный интерес к телевидению высокой четкости и как следствие — растущий спрос на дисплеи с разрешением HDTV. Современные LCD и PDP-технологии позволяют получить его практически в тех же ценовых рамках, поэтому такие дисплеи оказались в нужное время в нужном месте. А вот обычные кинескопы это обстоятельство, похоже, похоронит окончательно и бесповоротно, так как сделать трубку с диагональю свыше 25 дюймов и числом строк более 800 — 900 при сохранении высокой яркости очень сложно. Причина — в теневой маске, которая при большом количестве отверстий теряет механическую прочность. Кроме того, получаются недопустимо большие потери электронов при прохождении электронного луча. Одним словом, сегодня буквально все факторы — цифровое телевидение, домашние театры, мультимедийные компьютерные приложения и т.д. — способствуют расцвету плоских телевизионных панелей. Их продажи растут в геометрической прогрессии по всему миру, даже у нас, в России, и неудивительно, что цены постоянно падают.

Спрос на LCD-телевизоры с большими экранами стремительно растет (синим плоказан японский рынок, желтым — мировой).

Еще более впечатляют успехи производителей LCD-дисплеев на российском рынке. По данным компании ITResearch, продажи ЖК-телевизоров и компьютерных мониторов только за второй квартал 2004 года выросли в 5 раз. За три месяца было продано 28 тыс. панелей с экраном 13 — 42 дюйма. Нет сомнения, что в ближайшем будущем эти объемы и дальше будут расти не меньшими темпами, т.к. в строй вступают все новые и новые заводы по производству плазмы и ЖК пятого, шестого и даже седьмого поколения.

Однако на безоблачном горизонте уже появились первые признаки грозы. Несмотря на совершенствование технологий, потолок развития этих типов дисплеев виден уже сегодня. У PDP, например, есть физические ограничения по повышению разрядности видеосигнала, поскольку время поджига и гашения ячейки не может уменьшаться до бесконечности. К тому же не видно способов заметного снижения их высокого энергопотребления, что становится все более существенным фактором. У LCD — свои «заморочки». Поскольку они достаточно сложно устроены и в их конструкции используются дорогостоящие материалы (например, поляризующиеся пленки), резервы дальнейшего снижения цен на матрицы скоро будут исчерпаны. А рынок требует все больше и больше дешевых панелей. В отличие от плазмы и LCD у рассмотренных выше SED и OLED, похоже, есть все необходимое, чтобы удовлетворить эти запросы. Но вот сумеют ли их разработчики воспользоваться таким шансом — большой вопрос. Массовое производство таких дисплеев ставит под угрозу прибыли очень могущественных корпораций. Поэтому давать какие-либо точные прогнозы на этот счет сегодня будет весьма рискованно. Но тот факт, что уже в самое ближайшее время битва за рынок плоских панелей разгорится с новой силой, сомнений не вызывает. n

По материалам отечественной и зарубежной прессы (JEI, Display Device, «Электронные компоненты», «Computerworld»)

Прогнозируемый рост спроса на плазменные панели.