Технология SED: Альтернатива ЭЛТ и ЖК-дисплеям.

Введение

Экран ЭЛТ

Дисплей на основе электронных излучателей поверхностного проводимости (SED) – это технология отображения для плоских дисплеев, разработанная рядом компаний. SED используют наноразмерные электронные излучатели для возбуждения цветных люминофоров и создания изображения. В общем смысле, SED состоит из матрицы крошечных электронно-лучевых трубок, каждая из которых формирует один субпиксель на экране, объединенный в группы по три для создания красных, зеленых и синих (RGB) пикселей. SED сочетают в себе преимущества ЭЛТ, такие как высокая контрастность, широкие углы обзора и очень быстрое время отклика, с компактностью LCD и других плоских дисплеев. После значительных временных и финансовых затрат в начале и середине 2000-х годов разработки SED начали сворачиваться в 2009 году, когда LCD стали доминирующей технологией. В августе 2010 года Canon объявила о прекращении совместной работы над коммерциализацией SED, что ознаменовало конец разработок. SED тесно связаны с другой перспективной технологией отображения – дисплеем полевой эмиссии (FED), отличаясь в основном конструкцией электронных излучателей. Sony, основной инвестор в FED, также сократила свои усилия по разработке.

Описание

Обычная электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) питается от электронного пушки, по сути, открытой вакуумной трубки. На одном конце пушки электроны производятся путем "выкипания" их с металлической нити, что требует относительно высоких токов и потребляет значительную часть мощности ЭЛТ. Затем электроны ускоряются и фокусируются в быстродвижущийся луч, направленный к экрану. Электромагниты, окружающие пушковую часть трубки, используются для отклонения луча по мере его движения, позволяя сканировать луч по экрану для создания двухмерного изображения. Когда быстродвижущиеся электроны сталкиваются с люминофором на задней стороне экрана, излучается свет. Цветные изображения создаются путем нанесения на экран точек или полос из трех цветных люминофоров: красного, зеленого и синего (RGB). При рассматривании с расстояния эти точки, известные как "субпиксели", сливаются в глазу, образуя единый элемент изображения, называемый пикселем. SED заменяет единственную пушку обычной ЭЛТ сеткой наноскопических излучателей, по одному для каждого субпикселя дисплея. Излучатель состоит из тонкой щели, через которую электроны перепрыгивают при подаче высокого напряжения. Из-за наноскопического размера щелей требуемое поле может соответствовать потенциалу порядка десятков вольт. Примерно 3% электронов сталкиваются с материалом щели с противоположной стороны и рассеиваются с поверхности излучателя. Второе поле, прикладываемое извне, ускоряет эти рассеянные электроны к экрану. Создание этого поля требует киловольтовых потенциалов, но это постоянное поле, не требующее переключения, поэтому электроника, его создающая, относительно проста. Каждый излучатель выровнен напротив цветной люминофорной точки. Ускоренные электроны попадают в точку и заставляют ее излучать свет аналогичным образом, как в обычной ЭЛТ. Поскольку каждая точка на экране освещается одним излучателем, нет необходимости отклонять или направлять луч, как в ЭЛТ. Эффект квантового туннелирования, который излучает электроны через щели, сильно нелинеен, и процесс излучения, как правило, полностью включен или выключен для любого заданного напряжения. Это позволяет выбирать конкретные излучатели, подавая питание на один горизонтальный ряд на экране, а затем одновременно подавая питание на все необходимые вертикальные столбцы, тем самым активируя выбранные излучатели. Половина мощности, получаемая остальными излучателями в ряду, слишком мала для вызова эмиссии, даже в сочетании с напряжением, просачивающимся от активных излучателей рядом с ними. Это позволяет SED-дисплеям работать без активной матрицы тонкопленочных транзисторов, которые требуются ЖК-дисплеям и аналогичным дисплеям для точного выбора каждого субпикселя, и дополнительно снижает сложность массива излучателей. Однако это также означает, что изменения напряжения нельзя использовать для управления яркостью результирующих пикселей. Вместо этого излучатели быстро включаются и выключаются с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), так что общая яркость точки в любой момент времени может контролироваться. SED-экраны состоят из двух стеклянных листов, разделенных на несколько миллиметров, задний слой поддерживает излучатели, а передний – люминофоры. Переднюю часть легко подготовить с использованием методов, аналогичных существующим системам ЭЛТ; люминофоры наносятся на экран с использованием различных технологий шелкографии или аналогичных технологий, а затем покрываются тонким слоем алюминия, чтобы сделать экран визуально непрозрачным и обеспечить электрический путь возврата для электронов после их попадания на экран. В SED этот слой также служит передним электродом, который ускоряет электроны к экрану, поддерживая его при постоянном высоком напряжении относительно коммутационной сетки. Как и в случае с современными ЭЛТ, на стекло наносится темная маска перед нанесением люминофора, чтобы придать экрану темно-серый цвет и улучшить коэффициент контрастности. Создание заднего слоя с излучателями – это многоступенчатый процесс. Сначала на экран наносится матрица из серебряных проводов для формирования рядов или столбцов, добавляется изолятор, а затем сверху наносятся столбцы или ряды. В этот массив добавляются электроды, обычно из платины, оставляя промежуток около 60 микрометров между столбцами. Затем в промежутки между электродами наносятся квадратные накладки оксида палладия (PdO) толщиной всего 20 нанометров, соединяющие их для подачи питания. В накладке посередине прорезается небольшая щель путем многократной подачи через них высоких токов. В результате эрозии образуется зазор. Зазор в накладке формирует излучатель. Ширина зазора должна строго контролироваться для правильной работы, что оказалось сложной задачей на практике. Современные SED добавляют еще один шаг, который значительно упрощает производство. Накладки наносятся с гораздо большим зазором между ними, до 50 нм, что позволяет наносить их непосредственно с использованием технологии, адаптированной от струйных принтеров. Затем весь экран помещается в органический газ, и через накладки посылаются электрические импульсы. Углерод из газа притягивается к краям щели в квадратных накладках PdO, образуя тонкие пленки, которые вертикально выступают над зазорами и растут навстречу друг другу под небольшим углом. Этот процесс самоограничивающийся; если зазор становится слишком маленьким, импульсы разрушают углерод, поэтому ширину зазора можно контролировать для получения относительно постоянной щели шириной 5 нм между ними. Поскольку экран необходимо держать в вакууме для работы, на стеклянные поверхности оказывается большое внутреннее давление из-за окружающего атмосферного давления. Поскольку излучатели расположены в вертикальных столбцах, между столбцами есть пространство, где нет люминофора, обычно над линиями питания столбцов. SED используют это пространство для размещения тонких листов или стержней поверх проводников, которые удерживают два стеклянных листа на расстоянии друг от друга. Серия таких листов или стержней используется для усиления экрана по всей его поверхности, что значительно снижает необходимую прочность самого стекла.

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.

История

Canon начала исследования SED в 1986 году. В начале исследований использовались электроды PdO без углеродных пленок сверху, но контроль ширины щели оказался затруднительным. В то время в ранней стадии разработки находилось несколько технологий плоских экранов, и единственной, близкой к коммерциализации, была плазменная панель (PDP), которая имела многочисленные недостатки – высокую стоимость производства и энергопотребление. ЖК-дисплеи не подходили для больших размеров экрана из-за низкого выхода годных и сложного производства. В 2004 году Canon подписала соглашение с Toshiba о создании совместного предприятия для продолжения разработки технологии SED, сформировав "SED Ltd". Toshiba представила новую технологию формирования проводников, лежащих в основе излучателей, используя технологии, адаптированные от струйных принтеров. В то время обе компании утверждали, что производство должно начаться в 2005 году. Как Canon, так и Toshiba начали демонстрировать прототипные устройства на выставках в течение 2006 года, включая 55-дюймовые и 36-дюймовые устройства от Canon и 42-дюймовый модуль от Toshiba. Их широко хвалили в прессе за качество изображения, отмечая, что это "то, что нужно увидеть, чтобы поверить". Однако к этому моменту дата вывода SED на рынок Canon уже несколько раз откладывалась. Изначально заявлялось о запуске производства в 1999 году. Это было перенесено на 2005 год после заключения совместного соглашения, а затем снова на 2007 год после первых демонстраций на CES и других выставках. В октябре 2006 года президент Toshiba объявил о планах компании начать полномасштабное производство 55-дюймовых SED-телевизоров в июле 2007 года на недавно построенном производственном предприятии SED в Химеджи. В декабре 2006 года президент и главный исполнительный директор Toshiba Ацутоси Нисида заявил, что Toshiba намерена к 2008 году начать массовое производство телевизоров SED в сотрудничестве с Canon. Он сообщил, что компания планирует начать мелкосерийное производство осенью 2007 года, но не ожидает, что дисплеи SED станут массовым товаром, и не будет выпускать технологию на потребительский рынок из-за ожидаемой высокой цены, зарезервировав ее исключительно для профессиональных вещательных приложений. Кроме того, в декабре 2006 года стало известно, что одной из причин задержки стал иск, поданный компанией Applied Nanotech против Canon. 25 мая 2007 года Canon объявила, что затянувшийся судебный процесс отложит запуск телевизоров SED, а новая дата запуска будет объявлена позднее. Applied Nanotech, дочерняя компания Nano Proprietary, владеет рядом патентов, связанных с производством FED и SED. Они продали Canon бессрочную лицензию на технологию покрытия, используемую в их новой структуре излучателя на основе углерода. Applied Nanotech утверждала, что соглашение Canon с Toshiba является незаконным трансфером технологий и необходимо заключить отдельное соглашение. Они впервые обратились к этой проблеме в апреле 2005 года. Canon отреагировала на иск рядом действий. 12 января 2007 года компания объявила о покупке всех акций Toshiba в SED Inc. с целью исключить участие Toshiba в этом предприятии. Они также начали переработку существующей патентной заявки RE40,062, чтобы удалить из нее любые технологии Applied Nanotech. Измененный патент был выдан 12 февраля 2008 года. 22 февраля 2007 года Окружной суд США по западному округу Техаса, округ, широко известный своей поддержкой патентообладателей в делах об интеллектуальной собственности, вынес решение о том, что Canon нарушила свое соглашение, создав совместное телевизионное предприятие с Toshiba. Однако 2 мая 2007 года жюри присяжных постановило, что дополнительных убытков сверх $5,5 млн за первоначальный лицензионный контракт не подлежит выплате. 25 июля 2008 года Апелляционный суд США по 5-му округу отменил решение нижестоящего суда и постановил, что "неотзывная и бессрочная" неисключительная лицензия Canon все еще действует и распространяется на реструктурированную дочернюю компанию Canon SED. 2 декабря 2008 года Applied Nanotech отказалась от иска, заявив, что продолжение судебного разбирательства "вероятно, будет бесплодной попыткой". В апреле 2009 года на NAB 2009 Питер Путман заявил: "Меня не раз спрашивали о шансах возвращения SED от Canon, на что я бы не стал делать ставку после провала с лицензированием Nano Technologies. Однако источник в Canon сообщил мне на выставке, что SED все еще активно разрабатывается как технология для профессиональных мониторов. Инженер Canon SED из Японии незаметно осматривал конкурентов в Лас-Вегасском выставочном центре". Canon официально объявила 25 мая 2010 года о прекращении разработки SED-телевизоров для домашнего рынка, но заявила, что продолжит разработку для коммерческих приложений, таких как медицинское оборудование. 18 августа 2010 года Canon приняла решение о ликвидации SED Inc., консолидированной дочерней компании Canon Inc., занимающейся разработкой технологии SED, сославшись на трудности с обеспечением достаточной прибыльности и окончательно похоронив надежды на появление SED-телевизоров в домах.

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.

Патенты

Патент США RE40,062, "Устройство отображения с электронным эмиссионным устройством, имеющим область эмиссии электронов", Seishiro Yoshioka et al./Canon Kabushiki Kaisha, Подано 2 июня 2000 года, Переиздано 12 февраля 2008 года.