  | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
 |
|
|
|
|||||||||||||
|
#2/2008 • Ж.З.И. ЭМИССИЯ ВЫПОЛНИМА-2
АНАЛИЗИРУЯ ЗАРУБЕЖНУЮ ТЕХНИЧЕСКУЮ ЛИТЕРАТУРУ, МЫ ОБРАТИЛИ ВНИМАНИЕ, ЧТО ЗА ПОСЛЕДНИЕ ПАРУ ЛЕТ ИЗ НЕЕ ПРАКТИЧЕСКИ ИСЧЕЗЛИ МАТЕРИАЛЫ О РАЗВИТИИ ЭМИССИОННЫХ ДИСПЛЕЕВ FED (FIELD EMISSION DISPLAY). А ВЕДЬ ИХ РАЗРАБОТЧИКИ РИСОВАЛИ НАСТОЛЬКО РАДУЖНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ, ЧТО КАЗАЛОСЬ — ДО ОЧЕРЕДНОГО ПЕРЕДЕЛА РЫНКА РУКОЙ ПОДАТЬ. ОЗНАЧАЕТ ЛИ НЫНЕШНИЙ «ЗАГОВОР МОЛЧАНИЯ», ЧТО ТЕМА FED-ДИСПЛЕЕВ ОКОНЧАТЕЛЬНО ЗАКРЫТА? Прежде всего ответим на вопрос: а нужны ли новые типы дисплеев, когда есть плазменные и ЖК-технологии, которые стремительно совершенствуются? Почти каждый год сообщается о появлении панелей нового поколения, которые показывают лучше прежних и потребляют меньше энергии. Неудивительно, ведь лидеры этих технологий — Fujitsu, LG, Matsushita, NEC, Philips, Pioneer, Samsung и Sharp — вложили в их развитие миллиарды долларов, и составить им конкуренцию довольно сложно. Сегодня цена «входного билета» на рынок LCD или PDP — многие миллиарды, что в первую очередь объясняется чрезвычайной сложностью технологий для выпуска панелей 7-го и 8-го поколений. Соответственно, у новичков в этой сфере шансов добиться успеха немного.
В ПОИСКАХ ИДЕАЛЬНОГО ДИСПЛЕЯ Но кто сказал, что плоская панель непременно должна быть плазменной или жидкокристаллической? Отсутствие сегодня на рынке других типов отнюдь не говорит о том, что они не могут появиться завтра. Яркий пример — OLED, которые широко применяются в персональных устройствах (сотовых телефонах, mp3-плеерах и т.д.), составляя реальную конкуренцию LCD. Правда, в сегменте больших диагоналей кристаллы и плазма пока по-прежнему вне конкуренции. Но создание OLED-телевизоров с экранами 26’’ и даже 32’’ лишь вопрос времени — некоторые компании уже продемонстрировали подобные прототипы. Однако на роль потенциального убийцы PDP и LCD как нельзя лучше подходит именно технология FED, поскольку она позволяет создать принципиально новый тип высококачественных и при этом очень дешевых дисплеев. И прежде всего потому, что эмиссионный экран получается неизмеримо проще LCD и PDP. Следовательно, и стоить он должен сущие копейки: в перспективе немного больше, чем два листа стекла и набор драйверных микросхем. Для LCD такая экономика в принципе недостижима из-за необходимости применения дорогостоящих ламп подсветки (или еще более дорогих светодиодов) и поляризующих светофильтров. Про плазму мы уже и не говорим — процесс создания нескольких миллионов изолированных друг от друга ячеек вряд ли удастся удешевить. Именно поэтому идея альтернативных дисплеев будоражит умы исследователей всего мира вот уже около 20 лет. Мы уже рассказывали о работах в области FED-технологий, которые ведут Canon и Toshiba (http:// salonav.com/arch/2005.01/htm/004-012.htm). И хотя за два года, прошедшие с момента публикации, эти компании так и не смогли выйти на рынок с серийным SED-телевизором, они все же ощутимо продвинулись вперед. Помимо этого, на «эмиссионном» поле произошли другие важные события — в частности, на нем появился такой сильный игрок, как Samsung Electronics со своим научным и производственным потенциалом. Это прежде всего означает, что у технологии определенно есть будущее — не станут же корейцы выбрасывать деньги на ветер. А во-вторых, исследовательский вклад такого электронного гиганта, безусловно, способен придать новый импульс развитию FED. Следовательно, настало время вновь обратиться к этой теме.
ЧТО ЗА ЭМИССИЯ, СОЗДАТЕЛЬ? Для начала давайте вспомним, в чем заключается принцип действия эмиссионных дисплеев. Упрощенно говоря, такой дисплей состоит из сотен тысяч (а для HD Ready и Full HD — из нескольких миллионов) отдельных ячеек, представляющих собой, по сути, микроскопические кинескопы. Конечно, они не совсем настоящие, поскольку не имеют отклоняющей системы и электронных пушек. Зато у FED, как и у традиционной электронно-лучевой трубки, есть катод, испускающий электроны, положительно заряженный анод и цветные люминофоры, светящиеся под действием электронной бомбардировки. Но существуют и принципиальные отличия. В кинескопах для создания потока электронов используются подогрев катода и ускоряющие электроды (электронная пушка), а сканирование экрана обеспечивается отклоняющей системой. В цветных кинескопах имеются три электронные пушки и разделительный экран (теневая маска), препятствующий попаданию электронного пучка на «чужие» люминофоры. Как видим, современный кинескоп — весьма сложное устройство, требующее вдобавок ювелирной юстировки всех частей. Накал катода заметно повышает энергопотребление, и необходим отвод тепла. Наконец, даже «сверхплоские» (super slim) кинескопы по сравнению с панелями LCD и PDP все равно громоздки и массивны при сходных размерах экрана. Тем не менее у кинескопов есть и свои достоинства. Прежде всего, более естественное изображение, которое намного приятнее смотреть даже при мерцании экрана (в моделях с 50-герцовой разверткой). Кроме того, при сравнимом размере экрана CRT-телевизоры по-прежнему дешевле ЖК в 2 — 3 раза. Правда, через два-три года они сравняются по цене, и тогда про традиционные кинескопы окончательно забудут. Желание совместить достоинства дисплеев разных типов стало одним из стимулов создания FED. Сама идея очень элегантна: напротив каждой ячейки с люминофором нужно поместить собственный микроскопический источник электронов (катод). Под действием электрического поля, создаваемого положительным электродом (анодом), который расположен под люминофором, электроны будут ускоряться и, достигая поверхности экрана, инициировать излучение люминофоров. Чтобы регулировать яркость свечения ячейки, достаточно менять ток, идущий от катода к аноду. Конструктивно эмиссионный дисплей может представлять собой герметизированный стеклопакет, состоящий из множества ячеек трех первичных цветов. Как видим, принципиальная схема весьма изящна, однако при попытке ее реализации возникает масса проблем. Например, как заставить микроскопический катод имитировать мощный поток электронов? Совершенно очевидно, что использование традиционного термокатода в плоской панели исключено. Во-первых, изготовить миллионы микроскопических катодов с одинаковыми эмиссионными характеристиками (иначе не добиться однородности свечения экрана) практически невозможно. Но даже если решить эту задачу, все равно добиться приемлемой яркости изображения не удается ввиду низкой эмиссии и сложности управления электронными пучками. Короче, специалисты быстро поняли, что FED с подогревными катодами не имеют рыночных перспектив.
ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ SED Куда больших успехов добились разработчики FED-дисплеев другого типа, т.н. SED (Surface conduction Electron emitter Display). Как можно понять из названия, здесь электроны излучаются специальным эмиссионным слоем на поверхности катода. Первооткрывателями этой технологии стали Canon и Toshiba, которые вот уже несколько лет обещают взорвать телевизионный рынок. До взрыва дело так не дошло, но определенные успехи налицо. В частности, в 2006 г. был показан работающий прототип SED-панели диагональю 55’’, соответствующей стандарту HDTV. Она имела собственное разрешение 1980 х 1080 пикселей и яркость 450 кд/м2 при контрастности 100000:1. Показатели сегодня отнюдь не рекордные, но они наглядно продемонстрировали возможность создания эмиссионного дисплея, способного конкурировать с ЖК и плазмой. С тех пор конструкция SED была существенно доработана, что позволило значительно улучшить его характеристики. Давайте посмотрим, как устроен современный дисплей и из каких частей он состоит. Собственно видеомодуль представляет собой пакет из двух стеклянных пластин, на внутреннюю поверхность которых нанесены матрицы из сигнальных и управляющих электродов. Катоды имеют слой из оксида палладия (PdO), излучающий электроны. Процесс изготовления модуля уже хорошо отработан технологами Canon & Toshiba, а посему предельно прост и дешев. На подготовленную стеклянную пластину матрицы напыляются через трафарет, а затем при помощи струйного принтера (!) между ними наносится пленка PdO. Вторая половина дисплея — анодная стеклянная пластина, являющаяся экраном, в принципе мало отличается от «крышки» плазменной панели. Единственное исключение — наличие анодных электродов на внутренней стороне. Там же нанесены люминофоры первичных цветов RGB (как правило, это тот же набор «Р22», обычно используемый при изготовлении кинескопов), излучающие свет под воздействием ускоренных электронов. Для повышения контрастности изображения между полосками люминофоров напылен светопоглощающий материал — т.н. «черная матрица», а для улучшения цветопередачи используются дополнительные светофильтры. Каждая пара электродов «анод — катод» на экране и подложке образует элементарную ячейку одного из первичных цветов. Напомним, что в современном дисплее HD Ready экран состоит из 2 млн. цветовых пикселей, поэтому SED аналогичного разрешения должен иметь как минимум 6 млн. ячеек. Зазор между пластинами в 0,2 — 2 мм, необходимый для ускорения электронов электрическим полем «анод — катод», создается стеклянными цилиндриками или пластинками — спейсерами. Естественно, воздух между пластинами откачивается, и вся конструкция герметизируется. Вот, собственно, и все! Чтобы дисплей заработал, на каждый анод необходимо подать относительно катода напряжение порядка 10 кВ, а также управляющие сигналы на сканирующие и сигнальные электроды. Для катода используется дополнительный источник напряжения, благодаря которому электроны начинают дрейфовать по поверхности катода через тонкую пленку оксида палладия. Благодаря туннельному эффекту ток каждого микрокатода может достигать 40 мА при активирующем напряжении всего в 22 В! Благодаря усилиям Canon и Toshiba прототипы таких дисплеев становятся все лучше и лучше. Однако для того чтобы начать их массовое производство, осталось решить несколько важных технологических проблем. Во-первых, обеспечить равномерную эмиссию по всей поверхности катода. Во-вторых, отработать технологию установки спейсеров. В-третьих, во время эмиссии электронов с катода необходимо исключить выделение им молекул газов, приводящих к нарушению вакуума. Но все эти проблемы чисто технологические и, без сомнения, будут успешно решены. А там, глядишь, и до обещанного «взрыва» рынка дисплеев уже недалеко.
НА КОНЧИКЕ ИГЛЫ Японская Futaba Corp. пошла принципиально иным путем: в качестве катодов со сверхвысокой эмиссией она предложила использовать микроскопические пирамиды. В основе ее технологии Spindt FED, позволяющей изготавливать цветные люминесцентные дисплеи с экраном от 3” до 14”, лежит хорошо известное физическое явление — резкое повышение напряженности электрического поля в проводнике при уменьшении его сечения. В Spindt FED при подведении напряжения почти вся энергия электрического поля концентрируется на остриях пирамидальных катодов. Напряженность поля настолько высока, что буквально вырывает электроны из материала катода, обеспечивая высокую степень эмиссии. Конструктивно дисплеи Futaba Corp. не очень сложны, если не учитывать технологию выращивания острых катодов. Как и у любого люминесцентного дисплея, они состоят из анодной и катодной стеклянных пластин толщиной 1,1 мм каждая. Поскольку размер спейсеров между пластинами 0,6 мм, суммарная толщина дисплея получается 2,8 мм. Фокусирующий и управляющий электроды напыляются из ниобия (Nb), а материалом катода выбрали молибден (Mo). Интенсивность электронного потока контролируется изменением напряжения между катодными и управляющими электродами. Важным конструктивным элементом дисплеев этого типа является фокусирующая матрица, представляющая собой перфорированную металлическую пластину с отверстиями диаметром 0,9 мм точно напротив катодов. Она выполняет примерно ту же функцию, что и теневая маска в цветном кинескопе — препятствует засветке «чужих» люминофоров. Рабочие напряжения дисплея около 3 кВ на аноде и 40 В на управляющих электродах. Как уже говорилось, Futaba Corp. серийно выпускает цветные Spindt FED с экранами от 3” до 14,4”. Малые диагонали используются в основном для автомобильных ресиверов, поскольку при высокой яркости (600 кд/м2) и экономичности пока имеют разрешение всего 184 х 80 пикселей. Тем не менее у первооткрывателей Spindt FED далеко идущие планы по созданию «взрослых» дисплеев, и они вполне осуществимы. Совсем недавно компания Futaba Corp. совместно с Sony продемонстрировала прототип 19-дюймового дисплея с разрешением 1280 х 960, т.е. HD Ready с запасом. При изготовлении катодов использовался метод сканирования подложки ионным лучом, в результате чего была получена наноструктура с множеством острых пирамидок. Соответственно, пришлось уменьшить и диаметр отверстий в запирающем электроде — до 150 нм.
SAMSUNG СТАВИТ НА НАНОТРУБКИ Корейский гигант в последние годы серьезно претендует на мировое лидерство в области электроники. И, надо признать, не без основания. К примеру, Samsung — крупнейший производитель микросхем памяти. Стремясь закрепить успех, компания инвестирует немалые средства в развитие новейших направлений. И среди них одна из самых многообещающих нанотехнологий — создание углеродных нанотрубок CNT (Carbon NanoTube). Сегодня в России много говорят о нанотехнологиях, но, как показывает практика, очень мало кто знает, что это такое. Не вдаваясь в тонкости этого действительно интереснейшего, но очень далекого от нашей тематики вопроса, буквально в двух словах расскажем о том, почему именно нанотехнологии помогут совершить настоящий прорыв в долгой истории SED-дисплеев. Принято считать, что граница между «обычными» (т.е. макро) и наноструктурами начинается при геометрических размерах объектов 50 — 100 нм, т.е. сравнимых с размерами отдельных атомов и молекул. В этом почти виртуальном для нашего понимания мире действуют совсем другие законы, чем ньютоновская механика. В мире «нано» доминируют электростатические и иные виды нановзаимодействий, при этом свойства веществ на атомарном уровне претерпевают разительные метаморфозы. Например, выращенная по нанорецептуре углеродная нить, практически не видимая глазом, может удерживать легковой автомобиль! А катоды на углеродных нанотрубках способны обеспечивать эмиссию, на 2 — 3 порядка более высокую, чем катоды из «обычного» углерода. Все эти чудеса стали возможны потому, что исследователи научились запускать самосборку наноструктур по заданному шаблону. Проще говоря, в вакуум помещают заготовку, на которой буквально одним-двумя слоями атомов нужного элемента прорисовывается каркас будущей детали. Затем в процессе опыления заготовки атомами этого элемента формируется, допустим, та же нанотрубка, поскольку новые атомы сами находят предназначенное для них место и слой за слоем формируют требуемую структуру и конфигурацию объекта. Процесс этот в чем-то сходен с воспроизведением спиралью ДНК по встроенному в нее «лекалу» молекул белков в организмах живых существ. Фантастика, да и только! Но вернемся к нашим дисплеям. Итак, с помощью передовых технологий специалистам подразделения Samsung SDI Co., Ltd. удалось решить ключевую проблему эмиссионных дисплеев — создать катоды с чрезвычайно высокой эмиссионной способностью. При этом они состоят не только из нанотрубок, а формируются из специальных композитов, содержащих трубки в качестве составного компонента. Главное требование к композиту — возможность нанесения его в виде пасты на поверхность стеклянной пластины будущего Carbon Nanotube FED (или сокращенно CNT FED) дисплея. В остальном конструкция в целом та же, что у обычных видеомодулей SED. В качестве еще одной особенности CNT FED отметим использование в них вместо традиционного люминофора зеленого цвета от CRT новой смеси стронция и галлия SrGa2S4. В результате удалось получить выдающиеся технические характеристики: при анодном напряжении 7 кВ и плотности тока 2 — 3 мА/см2 яркость дисплея достигла 600 кд/м2, а эффективность преобразования составила 7,7 лм/Вт. По сравнению с обычными SED’ами с катодами из окиси палладия это реальные достижения. Однако настоящий прорыв в этой области совершили специалисты не Samsung, а японской компании Noritake. В ее варианте базовая конструкция CNT FED-дисплея была значительно переработана. Так, для повышения яркости свечения на люминофоры со стороны катода нанесен дополнительный слой алюминия, для каждой полоски люминофора использован индивидуальный спейсер и введены электроды, запирающие поток электронов. Наконец, сами нанотрубки выращиваются методом осаждения из газообразной фазы. Примечательно, что инженеры Noritake, помимо дисплея стандартного разрешения, сумели изготовить вариант Full HD, в котором размер пикселя составляет всего 0,2 х 0,6 мм. При анодном напряжении 6 кВ пиковая яркость свечения зеленого люминофора достигает фантастической величины в 2000 кд/м2.
ПОСЛЕСВЕЧЕНИЕ Разработки эмиссионных дисплеев идут полным ходом, и их создатели добились бесспорных успехов. Но означает ли это, что сейчас стоит отложить покупку LCD или PDP и ждать появления более дешевых и качественных эмиссионных телевизоров? Конечно, нет. Уверены, что ближайшие несколько лет они в широкой продаже не появятся — сами создатели SED и CNT FED признают, что их разработки еще очень «сырые» и нуждаются в серьезном усовершенствовании, прежде чем смогут составить реальную конкуренцию традиционным панелям. Впрочем, компьютерные мониторы могут появиться намного раньше — у них и диагонали, и точность цветопередачи меньше, чем у цветных телевизоров. Что касается дисплеев Spindt FED, то они уже продаются с 2006 года. Правда, пока только с 3-дюймовой диагональю экрана для портативных устройств — навигаторов, фотоаппаратов и смартфонов. В заключение отметим, что в эпоху столь бурного развития технологий делать долгосрочные прогнозы их развития занятие неблагодарное. Очень может быть, что прогресс в выращивании нанотрубок уже в ближайшее время позволит создать эмиссионные катоды с еще более высокой эффективностью. В результате CNT FED смогут быстро завоевать солидную долю дисплейного рынка. Будем держать вас в курсе. l
|
|
|||||||||||||||
2
4 
