Светоизлучающие дисплеи семейства FED

Преобразователи «сигнал – свет»

Рис. 1. Устройство кинескопа и FED

Технологиями семейства FED (Field Emission Display — дисплей с полевой эмиссией) занимаются много лет, и устройства на базе этих технологий уже заметно потеснили кинескопные (ЭЛТ) мониторы и телевизоры с большими экранами на рынке средств отображения. Современный вакуумный кинескоп (рис. 1) содержит излучающие три электронных пучка электронные пушки c горячими катодами, отклоняющую систему для создания растра, щелевую маску для разделения цветов и экран с люминофорами трех основных цветов. Дисплей FED (рис. 1) состоит из миллионов микроизлучателей с холодными катодами. Он содержит внутреннюю стеклянную подложку, на которую нанесен поверхностный проводящий слой эмиссии электронов с множеством холодных катодов и электродов с матричной разводкой проводников сканирования и др. На обращенную к подложке внутреннюю сторону стеклянного экрана нанесены спектральные фильтры, люминофоры и прозрачные аноды. Небольшой зазор (порядка 1 мм) между панелью экрана и подложкой, из которого удален воздух, обеспечивается перегородками.

Рис. 2. Конструкция SED

Одним из FED первого поколения была разработка французской компании Laboratorie dI’Electronique de Technologie et dI’Instrumentation (LETI), представленная в 1991 году. В ней применялись катоды Ч. Спиндта, впервые изучившего процесс холодной эмиссии электронов молибдена в вакууме. Технология LETI позволяла с помощью фотолитографии помещать в заранее заготовленных углублениях микрочастицы молибдена в виде конусов высотой несколько микрометров. Интенсивность электронных потоков регулировалась разностью потенциалов, подаваемых на катод и прозрачный анод. Аналогичный дисплей, но с пленочными катодами из оксида палладия и анодом на основе окиси алюминия с люминофорами (рис. 2), был разработан фирмой Canon на базе технологии SED (Surface-conduction Electron-emitter Display — дисплей на основе эмиссии электронов с проводящей поверхности).

После демонстрации FED-дисплея несколько фирм купили патенты у LETI и учредили компанию PixTech с офисами во Франции и США для коммерциализации технологии FED. Тогда же в США начала работать американская компания Candescent Technologies, выпускающая свои FED-разработки под брендом ThinCRT. Эти компании выпустили несколько моделей FED с диагональю экрана 4″…13″, но ни одной из них не удалось исключить проникновение мелких частиц пыли и газов во внутреннее пространство дисплеев и добиться длительного срока службы FED.

В 1995 году два корейских института (науки и технологий KIST, электроники и телекоммуникаций ETRI) и тайваньский национальный институт технологий анонсировали собственные программы развития FED. В 1997 году начали выпускаться модели FED второго поколения, в качестве катодов у которых использовались пучки углеродных нанотрубок, выращиваемых на подложке. Предварительно на нее наносили графитовый порошок (размеры зерен 3…5 нм), затем подложку с порошком выдерживали несколько минут в среде под давлением при определенной температуре. В результате из графитовых зерен формировались нанотрубки диаметром 20 нм и длиной до 100 нм, обладающие свойством холодной эмиссии под действием анодного напряжения. FED второго поколения оказались гораздо более дешевыми в производстве и довольно стабильными (ресурс 20 тыс. ч), но в них использовалась высоковольтная (дорогая) микроэлектроника.

Рис. 3. Особенности устройства SED

В 1999 году к проекту SED фирмы Canon подключилась компания Toshiba, и в марте 2004 года партнеры презентовали коммерческую модель SED, принципиальная схема которой показана на рис. 3.

Главное преимущество SED — управление холодной эмиссией низким напряжением Vf. Для этого в катодный слой введены управляющие электроды, расположенные на минимальном (несколько нанометров) расстоянии от катодов. При подаче управляющего напряжения Vf=15 В образуется канал проводимости (Electronic tunneling), по которому электроны эмитируются к управляющему электроду. Но почти все они захватываются электрическим полем, создаваемым анодным напряжением Va=10 кВ, и попадают на люминофоры покрытия соответствующих cубпикселов (R, G или В) экрана.

В 2003 году компания Toshiba прекратила выпуск ЭЛТ-телевизоров, а в 2004 году заявила о переориентации своих кинескопных заводов на освоение производства SED (в сотрудничестве с Canon) и намерениях прекратить производство плазменных панелей. В марте 2004 года партнеры представили коммерческий вариант SED c 36" экраном толщиной всего 7 мм и энергопотреблением 160 Вт, что вдвое и на 30% меньше, чем у плазменных и ЖК-аналогов соответственно. Вскоре компаниями Canon и Toshiba было создано совместное предприятие SED, и уже в сентябре 2005 года должен был начаться массовый выпуск соответствующих мониторов. Однако он был отложен, так как к этому времени не удалось довести цены SED до конкурентного уровня. На выставке CES в январе 2007 года должна была состояться презентация 55" ТВЧ-телевизора на базе SED, но и этого не произошло. Как стало известно, еще не завершена продолжающаяся с апреля 2005 года судебная тяжба по поводу нарушения компанией SED соглашения с фирмой Nano-Proprietary — якобы это соглашение допускает использование патента Nano-Proprietary только в небольших SED, комплектующих не телевизоры, а панели управления в других устройствах. Сколько времени продлится и чем закончится эта тяжба, неизвестно. Ожидается, что в лучшем случае массовый выпуск 40" SED начнется в конце текущего года. По сообщению Wall Street Journal, президент компании Toshiba Атсутоши Нишида (Atsutoshi Nishida) обещал успеть с SED-телевизорами к летним Олимпийским играм 2008 года в Пекине.

Альтернативные разработки дисплеев на нанотрубках ведут несколько компаний, в том числе американские Applied Nanotech, IBM, Motorola и Nano-Proprietary. Так, в 2005 году компания Motorola продемонстрировала прототип 40" дисплея на основе технологии NED (Nanotube Emission Display — эмиссионный дисплей на нанотрубках) толщиной всего 3 мм с прогнозируемой себестоимостью массового производства не более 400 долларов США. Тогда же Applied Nanotech продемонстрировала низковольтный 22" дисплей на основе технологии CNT FED, отличающийся очень высокой световой отдачей (15 лм на Вт потребляемой мощности) и низкими затратами, достигнутыми за счет применения струйной печати вместо литографии. Похоже, что в США производители не собираются без боя сдавать поле битвы новых технологий, как это произошло с плазменными и ЖК-дисплеями. Не исключено, что судебный иск, о котором говорилось выше, не первая и не единственная преграда для продукции компании SED со стороны конкурентов и тех, кто вложил огромные средства в производство плазменных дисплеев, но пока не возместил затраты.

За минувшие 10 лет параметры качества изображения плазменных панелей существенно улучшились, и в последнем поколении они перешли 100" «Рубикон» по размерам экрана. Но принципиальные недостатки этих устройств, связанные с большим энергопотреблением, невысокой средней яркостью и остаточными изображениями (After Images), пока преодолеть не удалось.

Другим конкурентом SED являются жидкокристаллические дисплеи, которые непрерывно совершенствуются и в настоящее время почти лишены недостатков. На выставке CES’2007 демонстрировался ЖК-телевизор Sharp c диагональю экрана 108" и разрешением 4096×2160 пикселов. Этот телевизор оснащен фирменным ЖК-экраном Advanced Super View с антибликовым покрытием Black TFT LCD, который изготовлен на японском заводе Sharp Камеяма-2, впервые в мире применившим для этого материнское стекло 8 поколения. Дальнейший прогресс здесь можно ожидать в направлениях повышения качества цветного изображения, увеличения ресурса подсветки и уменьшения энергопотребления. Обнадеживающие результаты уже получены благодаря использованию светодиодной подсветки с адаптивным управлением.