Жарқынды түтік және наноэмиттерлік дисплейлер: CRT технологиясының эволюциясы

Кіріспе

CRT экраны

Беттік өткізгіштік электронды эмитерлік дисплей (Surface conduction electron emitter display, SED) – бірнеше компаниялар әзірлеген жалпақ панельді дисплейлерге арналған дисплей технологиясы. SED технологиясы сурет шығару үшін түрлі түсті люминофорларды қуаттандыратын наноөлшемді электронды эмитерлерді пайдаланады. Жалпы алғанда, SED кішкентай катодты сәуле түтіктерінің матрицасынан тұрады, әрбір "түтік" экрандағы бір субпикселді құрайды және қызыл, жасыл, көк (RGB) пикселдерін жасау үшін үшке топтастырылады. SED дисплейлері CRT-нің жоғары контраст қатынасы, кең көру бұрыштары және өте жылдам жауап беру уақыты сияқты артықшылықтарын, сондай-ақ ЖКТ (LCD) және басқа да жалпақ панельді дисплейлердің ыңғайлылығын біріктіреді. 2000 жылдардың басында және ортасында көптеген күш-жігер жұмсалғаннан кейін, 2009 жылы ЖКТ (LCD) технологиясы басымдыққа ие болғаннан кейін SED әзірлемелері аяқталды. 2010 жылдың тамызында Canon компаниясы SED-ті коммерциялық өндіріспен шығаруға бағытталған бірлескен жобасын тоқтатып отырғанын хабарлады, бұл әзірлемелердің соңына нүкте қойды. SED технологиясы өрістік эмиссиялық дисплей (FED) деп аталатын тағы бір дамып келе жатқан дисплей технологиясымен тығыз байланысты, екеуінің арасындағы ерекшелік негізінен электронды эмитерлердің құрылымында. FED-тің негізгі демеушісі болған Sony компаниясы да осы бағыттағы жұмыстардан бас тартты.

Сипаттама

Кәдімгі катодты сәулелі түтік (CRT) электрондық мылтықпен, яғни ашық вакуумдық түтікпен қуаттанады. Мылтықтың бір жағында электрондар металл жіптен "қайнату" арқылы шығарылады, бұл салыстырмалы түрде жоғары токтарды қажет етеді және CRT қуатының үлкен бөлігін жұмсайды. Содан кейін электрондар жылдамдатылып, экранға қарай жылдам қозғалатын сәулеге шоғырландырылады. Түтіктің мылтық жағындағы электромагниттер сәулені алға қарай бағыттау үшін қолданылады, бұл сәулені экран арқылы сканерлеуге және 2D дисплейді жасауға мүмкіндік береді. Электрондар экранның арт жағындағы люминофорға тигенде жарық пайда болады. Түсті суреттер үш түрлі люминофордың нүктелерімен немесе жолақтарымен экранға бояу арқылы жасалады, олардың әрқайсысы қызыл, жасыл және көк (RGB) түсі үшін. Алыстан қарағанда, бұл нүктелер көзге бірігіп, пиксель деп аталатын бір сурет элементін құрайды. SED дәстүрлі CRT-нің бір мылтығын дисплейдің әрбір субпикселі үшін арналған наноскоптық эмитерлер желісімен алмастырады. Эмиттер құрылғысы жоғары кернеу градиенттерімен қуаттандырылғанда электрондар секіріп өтетін жұқа тіреуден тұрады. Тіреулердің наноскоптық мөлшеріне байланысты қажетті өріс ондаған вольт шамасындағы потенциалға сәйкес келуі мүмкін. Шамамен 3% электрондар алыс жақтағы материалға соқтығысып, эмитер бетінен шашырайды. Сырттан қолданылатын екінші өріс бұл шашыраған электрондарды экранға қарай жылдамдатады. Бұл өрісті жасау үшін киловольттық потенциалдар қажет, бірақ ол ауыстыруды қажет етпейтін тұрақты өріс, сондықтан оны жасауға арналған электроника өте қарапайым. Әр эмитер түсті люминофор нүктесінің артына орналасады. Жылдамдатылған электрондар нүктеге тиіп, дәстүрлі CRT сияқты жарық шығарады. Экранның әр нүктесі бір эмитерден жарық алатындықтан, CRT-дегідей сәулені бағыттау қажеті жоқ. Электрондарды тіреулер арқылы шығаратын кванттық туннельдеу әсері өте сызықтық емес, эмиссия процесі кез келген кернеу үшін толығымен қосылған немесе өшірілген күйде болады. Бұл экранның бір көлденең қатарын қуаттандыру және содан кейін барлық қажетті тік бағаналарды бірден қуаттандыру арқылы белгілі бір эмитерлерді таңдауға мүмкіндік береді, осылайша таңдалған эмитерлер қуаттанады. Қатардағы қалған эмитерлердің жарты қуаты, тіпті жанындағы белсенді эмитерлерден ағып жатқан кернеумен біріктірілгенде де, эмиссияны тудырмайды. Бұл SED дисплейлеріне LCD және ұқсас дисплейлерде әрбір субпиксельді дәл таңдауды қажет ететін жұқа пленкалық транзисторлардың белсенді матрицасысыз жұмыс істеуге мүмкіндік береді және эмитер массивінің күрделілігін одан әрі азайтады. Алайда, бұл кернеудегі өзгерістердің пайда болған пиксельдердің жарықтығын басқару үшін қолданыла алмайтынын білдіреді. Оның орнына эмитерлер импульстық енінің модуляциясы арқылы жылдам қосылып, өшіріледі, сондықтан кез келген уақытта нүктенің жалпы жарықтығын басқаруға болады. SED экраны бірнеше миллиметрге бөлінген екі шыны табақтан тұрады, артқы қабат эмитерлерді, ал алдыңғы қабат люминофорларды ұстайды. Алдыңғы жағы қолданыстағы CRT жүйелеріне ұқсас әдістерді қолдана отырып оңай дайындалады; люминофорлар әртүрлі жібек экран немесе ұқсас технологияларды қолдана отырып экранға боялады, содан кейін экранды көрінетін түрде мөлдірсіз ету үшін және электрондар тигеннен кейін электрлік қайтару жолын қамтамасыз ету үшін алюминийдің жұқа қабатымен жабылады. SED-де бұл қабат сонымен қатар электрондарды экранға қарай жылдамдататын және ауыстыру торына қатысты тұрақты жоғары кернеуде ұстайтын алдыңғы электрод ретінде де қызмет етеді. Қазіргі заманғы CRT-лердегідей, экранға қара көмір сұр түс беру және контрастты жақсарту үшін люминофорды бояу алдында шыныға қара маска жағылады. Эмиттерлерді жасау үшін артқы қабатты құру көп қадамды процесс. Біріншісі, экранға күміс сымдардан қатарлар немесе бағаналар құрайтын матрица басылады, оқшаулағыш қосылады, содан кейін бағаналар немесе қатарлар оның үстіне салынады. Бұл массивке, әдетте платинаны қолдана отырып, бағаналар арасында шамамен 60 микрометр арақашықтық қалдыра отырып, электродтар қосылады. Содан кейін электродтар арасындағы саңылауларға тек 20 нанометр қалыңдықтағы палладий оксиді (PdO) орналасқан, оларды қуатпен қамтамасыз ету үшін жалғастыратын шаршы төсемелер салынады. Ортасында үлкен токтарды қайта-қайта жіберу арқылы төсемеге тіреуіш кесіледі. Нәтижесінде пайда болатын эрозия тіреуіштің пайда болуына себеп болады. Тіреуіш эмитерді құрайды. Жұмыс істеу үшін тіреуіштің ені қатаң түрде бақылануы керек, бұл практикада бақылау қиын болды. Қазіргі SED-лер өндірістің жеңілдетуін қамтамасыз ететін қосымша қадамды қосады. Төсемелер олардың арасында әлдеқайда үлкен тіреуішпен, тіпті 50 нм-ге дейін, орналасады, бұл оларды сияқтандырылған қағаздан басып шығарылатын технологияны пайдаланып тікелей қосуға мүмкіндік береді. Содан кейін бүкіл экран органикалық газға орналасады және төсемелер арқылы электр импульстары жіберіледі. Газдағы көміртегі PdO шаршыларындағы тіреуіштің жиектеріне тартылып, тіреуіштердің үстінен тік өсетін және сәл бұрышта өсетін жұқа қабаттарды құрайды. Бұл процесс өзін-өзі шектейді; егер тіреуіш тым кішкентай болса, импульстар көміртекті эрозиялайды, сондықтан тіреуіш енін бақылап, олардың арасында шамамен 5 нм тіреуіш жасауға болады. Экран жұмыс істеу үшін вакуумда ұсталуы керек болғандықтан, шыны беттеріне айналатын атмосфералық қысымның күші зор. Эмиттерлер тік бағаналармен орналасқандықтан, бағаналар арасында люминофор жоқ кеңістік бар, әдетте бағана қуат сызықтарының үстінде. SED осы кеңістікті екі шыны бетін бөліп тұратын жұқа қабаттар немесе таяқшаларды орналастыру үшін пайдаланады. Бұл қабаттардың сериясы экранның бүкіл бетін күшейту үшін қолданылады, бұл шынының қажетті күшін айтарлықтай азайтады.

A conventional cathode ray tube (CRT) is powered by an electron gun, essentially an open ended vacuum tube. At one end of the gun, electrons are produced by "boiling" them off a metal filament, which requires relatively high currents and consumes a large proportion of the CRT's power. The electrons are then accelerated and focused into a fast moving beam, flowing forward towards the screen. Electromagnets surrounding the gun end of the tube are used to steer the beam as it travels forward, allowing the beam to be scanned across the screen to produce a 2D display. When the fast moving electrons strike the phosphor on the back of the screen, light is produced. Color images are produced by painting the screen with spots or stripes of three colored phosphors, each for red, green, and blue (RGB). When viewed from a distance, the spots, known as "sub pixels," blend together in the eye to produce a single picture element known as a pixel. The SED replaces the single gun of a conventional CRT with a grid of nanoscopic emitters, one for each sub pixel of the display. The emitter apparatus consists of a thin slit across which electrons jump when powered with high voltage gradients. Due to the nanoscopic size of the slits, the required field can correspond to a potential on the order of tens of volts. On the order of 3%, a few of the electrons impact with slit material on the far side and are scattered out of the emitter surface. A second field, applied externally, accelerates these scattered electrons towards the screen. Production of this field requires kilovolt potentials, but is a constant field requiring no switching, so the electronics that produce it are pretty simple. Each emitter is aligned behind a colored phosphor dot. The accelerated electrons strike the dot and cause it to give off light in a fashion identical to a conventional CRT. Since each dot on the screen is lit by a single emitter, there is no need to steer or direct the beam as there is in a CRT. The quantum tunneling effect, which emits electrons across the slits, is highly non linear, and the emission process tends to be fully on or off for any given voltage. This allows the selection of particular emitters by powering a single horizontal row on the screen and then powering all the needed vertical columns simultaneously, thereby powering the selected emitters. The half power received by the rest of the emitters on the row is too small to cause emission, even when combined with voltage leaking from active emitters beside them. This allows SED displays to work without an active matrix of thin film transistors that LCDs and similar displays require to precisely select every sub pixel, and further reduces the complexity of the emitter array. However, this also means that changes in voltage cannot be used to control the brightness of the resulting pixels. Instead, the emitters are rapidly turned on and off using pulse width modulation, so that the total brightness of a spot at any given time can be controlled. SED screens consist of two glass sheets separated by a few millimeters, the rear layer supporting the emitters and the front the phosphors. The front is easily prepared using methods similar to existing CRT systems; the phosphors are painted onto the screen using a variety of silkscreen or similar technologies and then covered with a thin layer of aluminum to make the screen visibly opaque and provide an electrical return path for the electrons once they strike the screen. In the SED, this layer also serves as the front electrode that accelerates the electrons toward the screen, held at a constant high voltage relative to the switching grid. As is the case with modern CRTs, a dark mask is applied to the glass before the phosphor is painted on to give the screen a dark charcoal gray color and improve the contrast ratio. Creating the rear layer with the emitters is a multistep process. First, a matrix of silver wires is printed on the screen to form the rows or columns, an insulator is added, and then the columns or rows are deposited on top of that. Electrodes are added into this array, typically using platinum, leaving a gap of about 60 micrometers between the columns. Next, square pads of palladium oxide (PdO) only 20 nanometers thick are deposited into the gaps between the electrodes, connecting them to supply power. A small slit is cut into the pad in the middle by repeatedly pulsing high currents through them. The resulting erosion causes a gap to form. The gap in the pad forms the emitter. The width of the gap has to be tightly controlled to work correctly, which proved challenging to control in practice. Modern SEDs add another step that greatly eases production. The pads are deposited with a much larger gap between them, as much as 50 nm, which allows them to be added directly using technology adapted from inkjet printers. The entire screen is then placed in an organic gas, and pulses of electricity are sent through the pads. Carbon in the gas is pulled onto the edges of the slit in the PdO squares, forming thin films that extend vertically off the tops of the gaps and grow toward each other at a slight angle. This process is self limiting; if the gap gets too small, the pulses erode the carbon, so the gap width can be controlled to produce a fairly constant 5 nm slit between them. Since the screen needs to be held in a vacuum to work, there is a large inward force on the glass surfaces due to the surrounding atmospheric pressure. Because the emitters are laid out in vertical columns, there is a space between each column where there is no phosphor, normally above the column power lines. SEDs use this space to place thin sheets or rods on top of the conductors, which keep the two glass surfaces apart. A series of these is used to reinforce the screen over its entire surface, which significantly reduces the needed strength of the glass itself.

Тарих

Canon компаниясы SED зерттеулерін 1986 жылы бастады. Олардың алғашқы зерттеулерінде PdO электродтары көміртекті қабаттарсыз қолданылды, бірақ ойықтың енін бақылау қиын болды. Сол кезде бірнеше жаңа экран технологиялары даму сатысында болды, ал коммерцияландыруға ең жақын плазмалық дисплей панелі (PDP) еді, оның өндіріс құны және энергия тұтынуы сияқты көптеген кемшіліктері болды. LCD экрандар төмен өнімділік және күрделі өндіріс процесіне байланысты үлкен экрандар үшін қолайлы емес еді. 2004 жылы Canon компаниясы Toshiba компаниясымен SED технологиясын дамытуды жалғастыру үшін бірлескен кәсіпорын құру туралы келісімге келді, нәтижесінде "SED Ltd." құрылды. Toshiba жаңа технология енгізді, бұл технология эмитерлердің астындағы тоқ өткіштерді қалыптастыру үшін сияқатты принтерлерден бейімделген технологияны пайдаланды. Сол кезде екі компания да өндірістің 2005 жылы басталатынын мәлімдеді. 2006 жылы Canon және Toshiba компаниялары сауда көрмелерінде прототиптік үлгілерді көрсетуді бастады, оның ішінде Canon-нан 55" және 36" үлгілер, ал Toshiba-дан 42" үлгі. Олардың бейне сапасы үшін баспасөз құралдарында жоғары бағаланды, оны "көргенге сенім келтіретін нәрсе" деп атады. Алайда, осы уақытқа дейін Canon SED-тің өндіріске енгізілу күні бірнеше рет ықпалдасты. Алғаш рет ол 1999 жылы өндіріске түседі деп хабарланған еді. Бұл келісімнен кейін 2005 жылға, ал CES және басқа көрмелердегі алғашқы демонстрациялардан кейін 2007 жылға шегерілді. 2006 жылдың қазан айында Toshiba президенті компанияның 2007 жылдың шілдесінде Химеджидегі жаңа салынған SED өндіріс зауытында 55 дюймдік SED теледидарларын толық көлемде өндіруді жоспарлап отырғанын мәлімдеді. 2006 жылдың желтоқсан айында Toshiba президенті және бас атқарушы директоры Ацутоси Нишида Toshiba компаниясының 2008 жылға қарай Canon компаниясымен бірлесіп SED теледидарларын жаппай өндіруге дайын екенін айтты. Ол компанияның 2007 жылдың күзінде шағын көлемде өндірісті бастауды жоспарлап отырғанын, бірақ SED дисплейлері тауар болады деп күтпейді және оның жоғары бағасы күтілуде болғандықтан технологияны тұтынушылар нарығына шығармайды, оны тек кәсіби телерадио хабарларын тарату үшін ғана пайдалануды жоспарлап отыр. Сондай-ақ, 2006 жылдың желтоқсанында кешіктірудің бір себебі Applied Nanotech компаниясының Canon компаниясына қарсы сотқа шағымдануы екені белгілі болды. 2007 жылдың 25 мамырында Canon ұзаққа созылған сот процесі SED теледидарларын іске қосуды кейінге қалдыратынын және жаңа іске қосу күні болашақта жарияланатынын мәлімдеді. Nano Proprietary компаниясының еншілес компаниясы Applied Nanotech FED және SED өндірісіне қатысты бірқатар патенттерге ие. Олар Canon компаниясына жаңа көміртекті эмитер құрылымында қолданылатын қаптама технологиясын мәңгілік лицензияға сатқан. Applied Nanotech компаниясы Canon-ның Toshiba компаниясымен жасасқан келісімін заңсыз технологияны беру деп санайды және жеке келісімге қол жеткізу қажет. Олар бұл мәселеге 2005 жылдың сәуірінде үңілген. Canon бұл талапқа бірнеше шаралармен жауап берді. 2007 жылдың 12 қаңтарында олар Toshiba-ның SED Inc-тегі барлық акцияларын сатып алатынын және Toshiba-ның бұл жобаға қатысуын тоқтатуға ниеттендіктерін мәлімдеді. Олар сонымен қатар Applied Nanotech технологиясын жүйеден алып тастау үшін RE40 062 патенттік өтінімін қайта өңдеуді бастады. Өзгертілген патент 2008 жылғы 12 ақпанда берілді. 2007 жылдың 22 ақпанында АҚШ-тың Техас штатының Батыс округінің федералды соты, интеллектуалдық меншік істерінде патент иелерімен келісуімен белгілі округ, Canon компаниясы Toshiba компаниясымен бірлескен теледидар кәсіпорнын құру арқылы келісімін бұзғанын растады. Алайда, 2007 жылдың 2 мамырында қазылар алқасы бастапқы лицензиялық келісімшарт үшін 5,5 миллион доллардан артық қосымша залап төлеудің қажеті жоқ деп шешті. 2008 жылғы 25 шілдеде АҚШ-тың 5-ші округтік апелляциялық соты төменгі соттың шешімін күштен шығарды және Canon-ның "қайтарып алынбайтын және мәңгілік" емес эксклюзивтік лицензиясы әлі де күшінде екенін және Canon-ның қайта құрылған еншілес компаниясы SED-ті қамтиды деп мәлімдеді. 2008 жылдың 2 желтоқсанында Applied Nanotech сот ісін тоқтатты, сот ісін жалғастыру "көптеген жағдайда нәтижесіз күш-жігер болар еді" деп мәлімдеді. 2009 жылдың сәуір айында NAB 2009 көрмесінде Питер Путманның сөздері келтірілді: "Мен Canon SED-тің қайта оралу мүмкіндігі туралы бірнеше рет сұралдым, бұл Nano Technologies лицензиялық даулынан кейін ақша тіккен жоқ едім. Алайда, Canon компаниясының бір өкілі маған көрмеде SED әлі де кәсіби монитор технологиясы ретінде өмір сүретінін айтты. Шындығында, жапондық Canon SED инженері Лас-Вегас конгресс орталығында бәсекелестікті бағалау үшін тыныш жүріп аралап шықты". Canon 2010 жылдың 25 мамырында үй тұтынушылары үшін SED теледидарларын дамытуды тоқтатып, бірақ медициналық жабдықтар сияқты коммерциялық қолданыстар үшін дамытуды жалғастыратынын мәлімдеді. 2010 жылдың 18 тамызында Canon SED Inc компаниясын тарату туралы шешім қабылдады, бұл Canon Inc компаниясының SED технологиясын дамытатын еншілес компаниясы, тиімді пайда табу қиындықтарына байланысты және SED теледидарларын үйге, бөлмеге немесе қонақ бөлмеге енгізу үмітін толықтай жойды.

Canon began SED research in 1986. Their early research used PdO electrodes without the carbon films on top, but controlling the slit width proved difficult. At the time there were a number of flat screen technologies in early development, and the only one close to commercialization was the plasma display panel (PDP), which had numerous disadvantages – manufacturing cost and energy use among them. LCDs were not suitable for larger screen sizes due to low yields and complex manufacturing. In 2004 Canon signed an agreement with Toshiba to create a joint venture to continue development of SED technology, forming "SED Ltd." Toshiba introduced new technology to pattern the conductors underlying the emitters using technologies adapted from inkjet printers. At the time both companies claimed that production was slated to begin in 2005. Both Canon and Toshiba started displaying prototype units at trade shows during 2006, including 55" and 36" units from Canon, and a 42" unit from Toshiba. They were widely lauded in the press for their image quality, saying it was "something that must be seen to believe[d]." However, by this point Canon's SED introduction date had already slipped several times. It was first claimed it would go into production in 1999. This was pushed back to 2005 after the joint agreement, and then again into 2007 after the first demonstrations at CES and other shows. In October 2006, Toshiba's president announced the company plans to begin full production of 55 inch SED TVs in July 2007 at its recently built SED volume production facility in Himeji. In December 2006, Toshiba President and Chief Executive Atsutoshi Nishida said Toshiba was on track to mass produce SED TV sets in cooperation with Canon by 2008. He said the company planned to start small output production in the fall of 2007, but they do not expect SED displays to become a commodity and will not release the technology to the consumer market because of its expected high price, reserving it solely for professional broadcasting applications. Also, in December 2006 it was revealed that one reason for the delay was a lawsuit brought against Canon by Applied Nanotech. On 25 May 2007, Canon announced that the prolonged litigation would postpone the launch of SED televisions, and a new launch date would be announced at some date in the future. Applied Nanotech, a subsidiary of Nano Proprietary, holds a number of patents related to FED and SED manufacturing. They had sold Canon a perpetual license for a coating technology used in their newer carbon based emitter structure. Applied Nanotech claimed that Canon's agreement with Toshiba amounted to an illegal technology transfer, and a separate agreement would have to be reached. They first approached the problem in April 2005. Canon responded to the lawsuit with several actions. On 12 January 2007 they announced that they would buy all of Toshiba's shares in SED Inc. in order to eliminate Toshiba's involvement in the venture. They also started re working their existing RE40,062 patent filing in order to remove any of Applied Nanotech's technologies from their system. The modified patent was issued on 12 February 2008. On 22 February 2007, the U. S. District Court for the Western District of Texas, a district widely known for agreeing with patent holders in intellectual property cases, ruled in a summary judgment that Canon had violated its agreement by forming a joint television venture with Toshiba. However, on 2 May 2007 a jury ruled that no additional damages beyond the $5.5m fee for the original licensing contract were due. On 25 July 2008, the U. S. Court of Appeals for the 5th Circuit reversed the lower court's decision and provided that Canon's "irrevocable and perpetual" non exclusive licence was still enforceable and covers Canon's restructured subsidiary SED. On 2 December 2008, Applied Nanotech dropped the lawsuit, stating that continuing the lawsuit "would probably be a futile effort". In April 2009 during NAB 2009, Peter Putman was quoted as saying "I was asked on more than one occasion about the chances of Canon's SED making a comeback, something I would not have bet money on after the Nano Technologies licensing debacle. However, a source within Canon told me at the show that the SED is still very much alive as a pro monitor technology. Indeed, a Canon SED engineer from Japan was quietly making the rounds in the Las Vegas Convention Center to scope out the competition." Canon officially announced on 25 May 2010 the end of the development of SED TVs for the home consumer market, but indicated that they will continue development for commercial applications like medical equipment. On 18 August 2010, Canon decided to liquidate SED Inc., a consolidated subsidiary of Canon Inc. developing SED technology, citing difficulties to secure appropriate profitability and effectively ending hopes to one day see SED TVs in the home or the room or the living room.

Патенттер

АҚШ патенті RE40,062, "Электронды сәуле шығару аймағы бар электронды сәуле шығару құрылғысымен жабдықталған дисплей құрылғысы", Сеиширо Йосиока және авторлар тобы/Canon Kabushiki Kaisha, 2 маусым 2000 ж. тіркелген, 12 ақпан 2008 ж. қайта тіркелді.