Как скрестить ежа и ужа или технология SED

Кинескоп (от греческих слов kínesis – движение и skopéo – смотрю), приемная телевизионная электроннолучевая трубка, был создан в 20-х годах прошлого века, и несколько десятилетий практически не имел конкурентов. Сердцем всех телевизионных приемников, бытовых и профессиональных, являлся именно кинескоп. Совершенствовались конструктивные решения кинескопов, на смену монохромным приборам пришли цветные, но базовые идеи, заложенные еще В.К. Зворыкиным, оставались неизменными, а с ними – и органические пороки кинескопов. Из-за большой длины горловины, которую никак не давалось укоротить, кинескопы были громоздкими, а устройства развертки и сведения лучей в цветных кинескопах были сложны в регулировке и, главное, потребляли слишком много электроэнергии.

С появлением в конце ХХ века жидкокристаллических и плазменных панелей одно время казалось, что проблемы создания компактных, потребляющих мало электроэнергии дисплеев, способных формировать яркое и контрастное изображение с естественной цветопередачей, решены. Однако, несмотря на то, что сменилось уже 8 поколений LCD-панелей, а «плазма» сумела преодолеть свои «детские болезни», инженеры продолжают искать новые подходы к созданию средств отображения информации. Одной из перспективных технологий является технология OLED, а другая, которой и будет посвящена эта статья, называется SED – Surface Conduction Electron Emitter Display. В переводе с английского это означает «дисплей с электронными излучателями на основе поверхностной проводимости».

Рис. 1. Сравнение технологий ЭЛТ и SED

История технологии SED довольно любопытна, впрочем, развитие техники вообще редко идет по прямой. Лет тридцать назад в микроэлектронике очень перспективным направлением считалась разработка так называемых вакуумных интегральных схем, ВИС, которые, по идее, должны были сочетать достоинства полупроводниковых и электровакуумных приборов и не иметь их недостатков. Одной из главных проблем вакуумных ламп, как известно, является их малая экономичность. В обычной пальчиковой лампе при напряжении накала 6,3 В ток накала примерно равен 500 мА, то есть потребляемая на накал мощность составляет около 3 Вт. В сложных радиоэлектронных устройствах на вакуумных лампах потери мощности на накал могут составлять сотни ватт. Изюминкой вакуумных интегральных схем было то, что они вообще не нуждались в накале. Ток между катодом и анодом обеспечивался за счет холодного стекания электронов с микроиголочек, которыми был покрыт катод. По разным причинам ВИСы широкого распространения не получили, и остались кое-где в военной аппаратуре, а о самой технологии забыли. Все, кроме компании Canon.

В основу технологии SED специалисты Canon положили две базовых идеи.

Во-первых, в новом дисплее было решено использовать вместо трех катодов (по одному для каждого цвета) индивидуальный катод для каждого субпикселя (рис. 1). Это сразу cделало ненужной схему развертки, один из самых энергопотребляющих узлов телевизора.

Во-вторых, никакого накала! Реализовать идею с использованием эффекта полевой эмиссии (отсюда и первое название таких панелей – FED-дисплеи) до Canon пытались многие фирмы. По сравнению с ЖК-панелями FED-дисплеи имеют широкий угол обзора, малое время отклика (высокое быстродействие) и отличную цветопередачу. Однако технологические трудности заставили практически всех прекратить исследования, так и не доведя их до стадии массового производства. Основной проблемой стали конические штыревые эмиттеры электронов, производство которых оказалось очень дорогим применительно к дисплеям с большой диагональю, а именно для этого сегмента рынка FED-дисплеи и предназначались.

Компания Canon с 1986 года вела собственные разработки подобного дисплея, в котором для получения потока электронов использовался эффект эмиссии на основе поверхностной проводимости – SED (Surface-conduction Emission Display). С 1999 года к разработкам по созданию действующих образцов, пригодных для промышленного производства, подключилась компания Toshiba.

Рис. 2. Принцип получения изображения с помощью технологии SED

Источником электронов в SED-панели Canon служит растр из плоских микроскопических точек окиси палладия, нанесенных на стеклянную подложку (рис. 2). Упрощенная структура одной ячейки пикселя показана на рис. 3. Дисплей конструктивно ограничен двумя стеклянными пластинами, из пространства между которыми откачан воздух. На ближнее к зрителю стекло нанесены точки люминофора трех основных цветов (как в традиционном кинескопе) с разделителями, а на дальнее – дорожки проводников катода с точками окиси палладия, каждая из которых разделена на две части зазором толщиной 4-6 нанометров. Небольшое постоянное напряжение (несколько вольт) прикладывается к половинкам индивидуального эмиттера электронов каждого субпикселя и благодаря туннельному эффекту происходит эмиссия электронов. Туннельным эффектом в микроэлектронике называют преодоление электроном потенциального барьера в случае, когда его полная энергия меньше высоты барьера. Туннельный эффект – сложное явление, имеющее квантовую природу. Для нас в данном случае важно понимать, что излучение электронов в SED-панелях осуществляется за счет туннельного эффекта, и расхода электроэнергии на накал нет. Ускоряющее напряжение прикладывается между проводниками катода и металлизированной подложкой слоя люминофора, которая исполняет роль анода.

Дьявол, как известно, живет в мелочах, в данном случае можно сказать, что он умещается в зазор толщиной 4-6 нанометров. Создать такой зазор, а главное, заставить его работать, оказалось невероятно трудным делом. Своим главным достижением разработчики SED-технологии считают то, что им удалось создавать электронные эмиттеры без использования сложного и дорогостоящего технологического процесса фотолитографии.

Создание электронного эмиттера состоит из комбинации двух процессов: формирование и активации проводящей структуры.
Первоначально с помощью струйной технологии на электроды наносится пленка из окиси палладия. Затем с помощью импульсов напряжения в пленке создаются нанометровые зазоры. Активация проводящей структуры заключается в том, что в вакуумированную технологическую камеру, в которой изготавливаются SED-панели, закачивается органический газ, состав которого не раскрывается. Под действием высоких температур и электрических импульсов этот газ распадается, его молекулы осаждаются на электроды, создавая на них некое подобие угольных электродов толщиной 30-50 нм (светло-коричневые элементы на рис. 2), благодаря чему ширина зазора как раз и уменьшается до требуемых 4-6 нм. Чем меньше ширина зазора, тем больше плотность электрического поля вокруг него.

Еще одним преимуществом SED-панелей по сравнению с «плазмой» является то, что они не нуждаются в высоковольтных управляющих схемах.

Рис. 3. Упрощенная структура одной ячейки

На одном из последних Consumer Electronics Show публике показали очень эффектный трюк. Перед зрителями поставили жидкокристаллический, плазменный и SED-телевизоры и запустили видеоролик, на котором был показан качающийся металлический маятник с выгравированными на нем словами. На жидкокристаллическом дисплее буквы были настолько расплывчатыми, что их почти нельзя было прочитать. На «плазме» с некоторым трудом можно было различить надпись. А вот на SED легко читался шрифт надписи. На плазменных, и тем более, ЖК-дисплеях движущиеся изображения значительно уступают в детальности статичным, а на SED всё остаётся четким, ясным и намного более реалистичным.

Там же были названы некоторые любопытные цифры. В частности оказалось, что ток электронного эмиттера при ускоряющемся напряжении 10 кВ достигает плотности 30 мA/cм2. Даже после форсированных испытаний, эквивалентных 60 тыс. часов штатной работы, снижение плотности тока эмиссии составило всего 10%. Это означает, что срок службы SED-панелей будет зависеть от долговечности люминофоров, а не от срока службы электронных эмиттеров.Планируемый уровень яркости панелей был определен в 500 кд/м2.

Стоит отметить, что кроме проблем технического плана, компании-разработчики технологии SED постоянно сталкивались и с другими проблемами.

Первые образцы плоских телевизоров формата 16:9 с диагональю 42" на SED-дисплеях под маркой Toshiba были показаны в 2004 г, вскоре планировалось начать серийное производство, причем считалось, что создавать дисплеи с меньшей диагональю будет экономически нецелесообразно, однако возникали все новые и новые технические проблемы, и серийное производство в очередной раз откладывалось. А в 2007 году американская компания Nano-Proprietary подала на Canon в суд. Ранее эта фирма предоставила Canon право на использование своих патентов, однако, оказалось, что Nano-Proprietary очень недовольна тем, что Canon злоупотребила предоставленными ей в рамках соглашения полномочиями и «поделилась» этими разработками с Toshiba, точнее, с компанией SED Inc, которая была специально создана для разработок SED-панелей. Дело кончилось тем, что Canon выкупила у Toshiba все права собственности на технологию SED, а также фирму SED Inc., и теперь занимается работами по этим панелям в одиночку. Пока непонятно, насколько сильно это повлияет на дату выпуска на рынок первых SED-телевизоров. Напомним, что ранее речь шла о конце 2007 года, но теперь определенности с этим стало меньше. Ситуацию для Canon ухудшает еще и значительное снижение цен на классические LCD-панели, а это уменьшает конкурентные возможности SED-дисплеев.

Благодарим журнал "=AV" за предоставленный материал