211service.com
Nanotechnologia na wyświetlaczu
W Samsung Advanced Institute of Technology, na południe od Seulu w Korei Południowej, coś, co z daleka wygląda jak zwykły 38-calowy telewizor, odtwarza niekończącą się pętlę reklam do filmów o Jamesie Bondzie. Podobnie jak wyświetlacze coraz częściej spotykane w amerykańskich domach, jest to duży, płaski prostokąt koloru i ruchu w nowoczesnej plastikowej ramie. Ale w przeciwieństwie do obrazów na zwykłym telewizorze, te na tym modelu laboratoryjnym są generowane przez warstwę nanorurek węglowych strzelających elektronami do ekranu luminoforowego, jak wiele maleńkich kul armatnich. Na całym świecie ekrany telewizorów są symbolem ciężkiego domowego ogniska. Ale ten jest w awangardzie przyszłej rewolucji nanotechnologicznej: może być pierwszym komercyjnym produktem, który wprowadzi elektronikę w nanoskali do domu klasy średniej.
Naukowcy na całym świecie ścigają się, aby udoskonalić ten nowatorski typ wyświetlacza, który powinien być jaśniejszy, ostrzejszy i mniej energochłonny niż obecne telewizory z płaskim ekranem. Na razie jednak na prowadzenie wydaje się instytut Samsunga. To ich należy pokonać, mówi Yahachi Saito, główny badacz konkurencyjnej grupy na Uniwersytecie Nagoya w Japonii. Poruszali się bardzo szybko.
Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2004 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Samsung i ogólnie firmy technologiczne z Korei Południowej rzadko są uważane za wiodących twórców nowych, gorących technologii. To jednak stereotyp, że firma jest zdeterminowana do zmian. Wciąż jesteśmy prawidłowo identyfikowani z tanią produkcją, mówi Young Joon Gil, dyrektor ds. technologii w instytucie Samsung. Ale gdy konkurenci wyłaniają się z Chin i innych krajów wschodnioazjatyckich, Samsung musi stopniowo przechodzić na wysokodochodowe i obarczone wysokim ryzykiem innowacje, aby przetrwać.
Nanotechnologia to najważniejsza z ryzykownych dyscyplin, które firma ma nadzieję pozyskać dla nowych produktów, a ekrany telewizyjne z nanorurek są jej pierwszymi owocami. Znane jako polowe wyświetlacze emisyjne, powinny pojawić się w sklepach, mówi Young, pod koniec 2006 roku, wyprzedzając konkurencję.
Spełnienie tej prognozy nie będzie łatwe. Samo przeniesienie wyświetlaczy do emisji polowej z laboratorium na powierzchnię handlową będzie wymagało rozwiązania wielu trudnych problemów technicznych. Co więcej, obecne wyświetlacze płaskoekranowe, oparte na technologii ciekłokrystalicznej i plazmowej, stają się coraz lepsze i tańsze, co oznacza, że naukowcy zajmujący się nanotechnologią będą musieli ciężej pracować, aby nadążyć. Nawet sukces stworzyłby własny zestaw problemów, ponieważ Samsung – jeden z czołowych światowych producentów wyświetlaczy ciekłokrystalicznych i plazmowych, a także zwykłych telewizorów z lampą katodową – będzie konkurował ze sobą.
Wyświetlacze nanotechnologiczne są zatem zarówno zwiastunem nadchodzącej rewolucji technologicznej, jak i przykładem tego, jak duża firma elektroniczna – mająca do ochrony lukratywne rynki o ugruntowanej pozycji – stara się zarządzać i powstrzymywać tę rewolucję. Wierzymy, że musimy opanować tę dziedzinę, aby się rozwijać, mówi Young. Ale jednocześnie nie możemy pozwolić, aby zrujnowało to naszą firmę. Musimy bardzo uważnie obserwować.
Strzelanie w przyszłość
Wyświetlacze emisji polowej to stary pomysł, który nagle stał się bardziej atrakcyjny w 1991 roku, kiedy Sumio Iijima, specjalista od mikroskopów elektronowych w NEC Research w Tsukuba w Japonii, odkrył, że cząsteczki węgla mogą łączyć się w długie, cienkie cylindry, później nazwane nanorurek. (Nano, podobnie jak nano w nanotechnologii, pochodzi od nanometra, miliardowej części metra.) Rurki były jak maleńkie płaty cząsteczek węgla zwiniętych w cylindry o grubości jednej dziesięciotysięcznej ludzkiego włosa. Naukowcy szybko przekonali się, że te niezwykłe struktury mają wiele interesujących właściwości, w tym dużą wytrzymałość oraz wysoką przewodność elektryczną i cieplną.
Ale to, co przyciągnęło Saito, badacza z Nagoi, do nanorurek węglowych, to możliwość, że mogą one działać jak działa elektronowe. Umieszczone w odpowiednio wyrównanym polu elektrycznym, stwierdzili fizycy teoretycy, małe rurki powinny wystrzeliwać elektrony jak węże emitujące strumienie wody. Wiele materiałów emituje elektrony po przyłożeniu wystarczającego napięcia; Różnica, jak powiedzieli fizycy, polega na tym, że nanorurki powinny w rzeczywistości przyspieszać cząstki na całej ich długości, co pozwoliłoby im emitować elektrony o energii wystarczającej do aktywacji luminoforów w polach o bardzo niskim napięciu. Saito, obecnie profesor inżynierii kwantowej, po raz pierwszy publicznie zademonstrował ten efekt w 1998 roku. Współpracując z Noritake, dużą firmą ceramiczno-elektroniczną z Nagoi, zmontował niewielką liczbę nanorurek, które wystrzeliwały elektrony na ekran luminoforowy, tworząc jasne światło.
Eksperymenty Saito miały oczywisty cel komercyjny: warty 61 miliardów dolarów światowy rynek telewizorów. Lampy elektronopromieniowe w tradycyjnych telewizorach niewiele się zmieniły od czasu ich wynalezienia w latach dwudziestych – w przeciwieństwie do prawie każdego innego sprzętu elektronicznego. Wystrzeliwują elektrony z końcówek przewodów na ekrany luminoforowe, tworząc wzory świecących punktów, które ludzkie oko interpretuje jako ruchome obrazy. Lampy elektronopromieniowe są z natury nieporęczne, ponieważ działo elektronowe musi być cofnięte na tyle daleko, aby trafić w cały ekran. W rezultacie kineskop w typowym ekranie kina domowego jest masywnym obiektem, który prawie wypełnia pomieszczenie; producenci uważają, że urządzenia byłyby bardziej popularne, gdyby były łatwiejsze w zarządzaniu.
Aby produkować cieńsze i lżejsze telewizory z dużym ekranem, producenci przeszli na wyświetlacze plazmowe i ciekłokrystaliczne, ale mają one swoje wady, zaczynając od wysokiej ceny (patrz Screen Test, s. 65). Na przykład ekrany plazmowe są podatne na wypalenie, w którym nieruchome obrazy, jeśli są wyświetlane zbyt długo, zostają trwale przypalone na szkle. Zużywają również aż 700 watów energii, co wystarczy, aby niektórzy krytycy martwili się konsekwencjami dla środowiska, gdyby wyświetlacze zostały powszechnie przyjęte. Tymczasem w wyświetlaczach LCD piksele przełączają się stosunkowo wolno z jednego koloru na inny, co powoduje, że szybko poruszające się obrazy rozmazują się lub pozostawiają duchy, ponieważ komórki nie nadążają za akcją.
Wyświetlacze emisji polowej teoretycznie rozwiążą wiele z tych problemów. Nie są podatne na wypalenie i zużywają znacznie mniej energii. Jednocześnie piksele na wyświetlaczu emisji pola mogą włączać się i wyłączać szybciej niż te na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym, co oznacza, że szybko poruszające się obrazy nie rozmazują się. Obrazy te można oglądać pod dowolnym kątem, podczas gdy wyświetlacze ciekłokrystaliczne wymagają, aby widzowie znajdowali się bezpośrednio przed ekranem.
Jednak sprawienie, by nanorurki węglowe wystrzeliwały elektrony w ekran rzeczywistego telewizora konsumenckiego, będzie wymagało wielu innowacji w kilku dziedzinach – tego rodzaju wysiłki często najlepiej koordynują bardzo duże firmy. Rzeczywiście, mniej więcej w czasie, gdy Saito wyprodukował swój pierwszy pokaz emisji polowej, dowiedział się, że ma do czynienia z konkurencją z mało prawdopodobnego miejsca: Korei Południowej.
S C r ORAZ ORAZ n T ORAZ S T | ||||
Lampy elektronopromieniowe dominowały w technologii wyświetlania telewizorów od prawie 70 lat, ale dziś są w czterokierunkowym wyścigu o przyszłość domowej rozrywki. | ||||
LAMPY KATODOWE | WYŚWIETLACZE CIEKŁOKRYSTALICZNE | WYŚWIETLACZE PLAZMOWE | POLOWE WYŚWIETLACZE EMISJI | |
JAK ONI PRACUJĄ | Sterowana przez pola magnetyczne wiązka elektronów uderza w luminofory na szklanym ekranie | Spolaryzowane światło przenika przez ciekłokrystaliczne bramki, które kontrolują kolor i intensywność pikseli | Impuls elektryczny wyzwala wybuch zjonizowanego gazu w każdym pikselu, jakby był to maleńki neon. | Nanorurki węglowe przyklejone do podłoża strzelają elektronami do luminoforów na szklanym ekranie |
MOCNE STRONY | Wiarygodny | Chudy | Chudy | Chudy |
SŁABE PUNKTY | Działo elektronowe musi znajdować się daleko za ekranem, przez co lampy są nieporęczne i ciężkie | Widz musi być ustawiony bezpośrednio przed ekranem | Wysokie zużycie energii | Nierozwiązane problemy techniczne, takie jak utrzymanie próżni między podłożem a szkłem |
Poza Sweatshopem
Na południe od Seulu miejska gęsta stolica ustępuje miejsca bujnym, falującym, niskim wzgórzom usianym parkami biurowymi, które pasowałyby na przedmieściach San Francisco czy Bostonu. W planowanej społeczności Kiheung jeden szczególnie duży kompleks – zestaw czterech niskich, równoległych konstrukcji przeciętych centralnym korytarzem – mieści Samsung Advanced Institute of Technology, prawdopodobnie najważniejsze prywatne centrum badawcze w Korei.
Instytut jest w dużej mierze wizją prezesa Samsunga, Lee Kun Hee, który założył go wkrótce po tym, jak przejął stery firmy w 1987 roku. Samsung jest jednym z południowokoreańskich czeboli, gigantycznych rodzinnych holdingów, które nadal dominują w gospodarce narodowej. W momencie akcesji Lee była, podobnie jak większość koreańskich firm elektronicznych, przykładem tego, co czasami lekceważąco określa się mianem elektroniki sweatshop – wykorzystując niskie płace w kraju do podcinania producentów w zamożniejszych obszarach. Większość swoich produktów sprzedawała jako towary bardziej znanym korporacjom, wiele z nich w pobliskiej Japonii, które umieszczały je w pudełkach i umieszczały na nich własne nazwy.
Lee, trzeci syn założyciela Samsunga, argumentował, że rosnący sukces firmy – i Korei – nieuchronnie przyciągnie konkurencję ze strony nawet krajów o niższych zarobkach, zwłaszcza Chin. Powiedział, że Samsung musiałby wejść do nowych firm, aby przetrwać; Zmień wszystko oprócz żony i dzieci! był jego krzykiem mobilizacyjnym. W praktyce oznaczało to skoncentrowanie się na produktach wyższej klasy i przynoszących większe zyski. Samsung musiałby stać się marką, symbolem jakości jak Sony czy Honda.
W tym celu, przekonywał Lee, Samsung musiałby wprowadzać innowacje, co z kolei oznaczało radykalne zwiększenie wysiłków badawczo-rozwojowych. Logicznym wynikiem był Samsung Advanced Institute of Technology. Powoli, ale stale rozbudowywane od momentu powstania laboratorium zatrudnia obecnie 950 pracowników, z których około jedna czwarta zajmuje się podstawową działalnością Samsunga, czyli półprzewodników (firma jest największym na świecie producentem układów pamięci o dostępie swobodnym). Według przedstawiciela firmy Lee Hyunji, badacze instytutu współpracują z około 120 uniwersytetami i ośrodkami badawczymi w 15 krajach.
Samsung sprzedaje teraz najnowocześniejsze produkty, od supercienkich odtwarzaczy DVD po chipy do gier wideo. Stała się trzecim co do wielkości producentem telefonów komórkowych na świecie, z szalenie popularną linią słuchawek premium z wyraźnymi kolorowymi ekranami. Na liście najbardziej podziwianych firm elektronicznych 2003 roku magazyn Fortune umieścił Samsunga na czwartym miejscu na świecie. Samsung wydał 2,9 miliarda dolarów na badania i rozwój w 2003 roku; sprzedaż brutto w tym roku dla całej grupy Samsung wzrosła o prawie 11 procent od 2002 roku, do około 55 miliardów dolarów.
Napełnianie próżni
Wyświetlacze polowe są przykładem kolejnego kroku, jaki Samsung chce podjąć w swojej transformacji korporacyjnej z konkurenta z branży zaawansowanych technologii w lidera w branży. Technologia wyświetlania jest na początku niezwykle złożona, mówi Kim Jong Min, wiceprezes i dyrektor laboratorium materiałów w instytucie. A użycie nanorurek ogromnie się do tego przyczynia, zarówno z powodu nieuniknionych problemów, które zawsze wynikają z eksploracji nieznanego obszaru, jak i faktu, że tutaj nie ma modelu do naśladowania. Według Kima, wyświetlacze emisji pola oparte na nanorurkach są tak złożone, że żadna pojedyncza firma nie jest w stanie ich samodzielnie opracować. W konsekwencji naukowcy na całym świecie dzielą technologię na jej komponenty i nieformalnie przydzielają różne grupy do pracy nad każdą z nich. Samsung na przykład nie planuje produkować własnych nanorurek, z wyjątkiem celów badawczych. Zamiast tego kupi je w postaci proszku od Carbon Nanotechnologies, firmy z siedzibą w Houston, posiadającej znaczny arsenał patentów w tej dziedzinie. Gram sproszkowanej nanorurek węglowych, wystarczająca do wyprodukowania pół tuzina 40-calowych wyświetlaczy, kosztowała w zeszłym roku 100 dolarów, mówi Kim, ale w ciągu dwóch lat będzie sprzedawana za mniej niż 10 dolarów. To jest konkurs, w którym nie weźmiemy udziału.
Podobnie Samsung nie zamierza skupiać się na kleju, który przykleja maleńkie rurki do ich szklistej podstawy, co samo w sobie jest trudnym wyzwaniem technologicznym. Firma współpracuje z DuPont nad opracowaniem kleju, który jest wystarczająco cienki, aby się rozprowadzał, wystarczająco mocny, aby utrzymać ultracienkie rurki za ich końce, wystarczająco sprężysty, aby zachować przyczepność pomimo nieuniknionego rozszerzania i kurczenia się pod wpływem ciepła, i wystarczająco łatwy do usunięcia, które producenci mogą usuwać zabłąkany klej z wierzchołków nanorurek, dzięki czemu mogą rozpryskiwać elektrony.
Firma nie stara się również uzyskać przewagi, opracowując fizyczne komponenty samego wyświetlacza – elementy dystansowe, które oddzielają górną i dolną część ekranu, opakowanie o wysokiej próżni, obwody sterownika i inne standardowe komponenty emisji pola oraz materiały. Zamiast tego dołączył do konsorcjum ponad pół tuzina europejskich firm i uniwersytetów stworzonych specjalnie w celu rozwiązania tych problemów i uwzględnił wczesne wyniki grupy na 38-calowym wyświetlaczu pokazującym teraz niebieskie oczy Pierce'a Brosnana.
Delegowanie tych aspektów projektowania wyświetlaczy polowych nadal pozostawia Samsungowi wiele do pracy, poczynając od samego szkła. Nanorurki muszą wystrzelić swoje elektrony w próżni; w przeciwnym razie zostałyby wchłonięte lub odchylone przez cząsteczki powietrza. Jednak wykonanie bardzo szerokiej, podobnej do arkusza komory próżniowej jest trudne, ponieważ na dużej powierzchni ciśnienie powietrza ma tendencję do zgniatania dwóch stron ekranu. Oczywistą odpowiedzią jest umieszczenie wspornika na środku ekranu. Ale potem, wyjaśnia Saito, widzisz wsparcie pośrodku obrazu.
Równie problematyczne, jego zdaniem, jest rozszerzanie się i kurczenie termiczne wyświetlacza. Gdy nanorurki emitują elektrony, wyświetlacz nagrzewa się, a wszystkie jego materiały rozszerzają się; kiedy wiązka elektronów jest wyłączona, kurczą się. Problem polega na tym, jak dostosować się do ekspansji, mówi Saito. Jego zespół musiał znaleźć materiały, których współczynnik rozszerzalności cieplnej był taki sam jak szkła, tak aby cały wyświetlacz rozszerzał się i kurczył zgodnie.
Dokładnie to, jak Samsung połączył te wszystkie elementy, jest naszym sekretem, mówi Kim. Tym się zajmujemy: jesteśmy firmą, która produkuje urządzenia. Ale kluczem do decyzji Samsunga o skupieniu się na wyświetlaczach polowych, przyznaje, jest szczęśliwy fakt, że mogą tolerować nieprecyzyjność. Przy obecnej technologii wyrównanie nanorurek z tyłu wyświetlacza jest procesem niedokładnym. Rurki skierowane są w plątaninę różnych kierunków, a większość z nich jest zbyt popękana lub wygięta, aby z powodzeniem emitować elektrony. Na szczęście nanorurki są małe: około 10 000 pokrywa każdy piksel wyświetlacza. W rezultacie Kim mówi: Spodziewamy się, że tylko 30 do 50 procent z nich będzie działać, ale potrzebujemy tylko 30 do 50 procent, aby rozświetlić piksel i oszukać ludzkie oko.
Samsung jest na tyle zadowolony z wyniku, że dziennikarz z Technology Review może być pierwszym reporterem spoza Korei, który odwiedzi Advanced Institute of Technology. Spacerując po labiryncie małych, oświetlonych fluorescencyjnie laboratoriów instytutu, z których każde z kręgiem naukowców pokrytych na biało i świecącymi ekranami komputerowymi, Kim mówi, że wyświetlacz zużywa około 100 watów, około jednej trzeciej mocy wymaganej dla przeciętnego ekranu plazmowego o porównywalnym rozmiar. To tylko na razie, dodaje. Szkło ekranu o grubości zaledwie dwóch milimetrów jest wystarczająco cienkie, aby wyświetlacz był cieńszy niż cokolwiek dostępnego obecnie na rynku.
Przybywając na wystawę, Kim wprowadza ją z lekkim niepokojem dumnego rodzica, mając nadzieję, że obcy docenią szczególne cechy jego potomstwa. Obraz jest tak ostry, jak w przypadku tradycyjnych kineskopów o wysokiej rozdzielczości z podobnymi rozmiarami wyświetlacza, chociaż ekran ma kilka małych pustych miejsc. (Problemy z prototypem, wyjaśnia Kim.) Zapytani, czy technologia jest już prawie gotowa do wprowadzenia na rynek, naukowcy na sali patrzą na siebie niepewnie. Samsung, mówi w końcu Kim, właśnie rozpoczął pracę nad prawdziwym wyzwaniem, jakim jest udostępnienie światu nanotechnologii: uczynienie produktu przystępnym cenowo. Mówi, że problemy gospodarcze są dużo, dużo trudniejsze niż technologiczne.
Szczęśliwe 7 USD
Samsung nie jest sam. Dwie godziny drogi w Japonii, sukces Saito – i obawa, że zostanie przyćmiony przez Koreę – skłoniły rządową Organizację Rozwoju Nowej Energii i Technologii Przemysłowych do ustanowienia wartego 37 milionów dolarów, 2,5-letniego projektu krajowego, mającego na celu opracowanie wyświetlaczy emisyjnych. Rozpoczęty w 2003 roku projekt ma czterech głównych uczestników: Hitachi; Szkło Asahi; współpraca Uniwersytetu Nagoya z Noritake pod kierownictwem Saito; oraz wspólnym wysiłkiem Mitsubishi, Uniwersytetu Kioto, Uniwersytetu Osaka i Uniwersytetu Prefektury Osaka. Koreańczycy wciąż nas wyprzedzają, mówi Saito. Ale ciężko pracujemy, aby nadrobić zaległości.
Podobnie jak kilkanaście innych firm w Japonii, Europie i Stanach Zjednoczonych. Powszechnie uważa się, że liderami są Noritake, Mitsubishi, Motorola oraz Laboratorium Elektroniki i Technologii Informacyjnych Francuskiego Komisariatu Energii Atomowej w Grenoble. Motorola zademonstrowała mały prototyp w 2002 roku; W zeszłym roku francuskie laboratorium zademonstrowało kilka, podobnie jak mały, tajny start-up z Doliny Krzemowej, cDream.
Nanotechnologię często opisuje się jako technologię, która może przewrócić ustalony porządek. W teorii często głoszonej przez konsultantów biznesowych jest mało prawdopodobne, aby najwięksi operatorzy zasiedziali w branży opracowali takie technologie z dwóch powodów: po pierwsze, są one mniej opłacalne na początkowych etapach, a po drugie, mają potencjał, aby osłabić istniejące produkty. W końcu mały startup rozwija technologię, wykorzystując swoją ostrą przewagę technologiczną, aby przytłoczyć konkurencję i ostatecznie wstrząsnąć establishmentem.
To, czy wyświetlacze emisji polowej pasują do tego modelu, dopiero się okaże. Nanorurki mają oczywiste zalety technologiczne na papierze, ale na rynku nie są one przytłaczające. Obecnie 42-calowe wyświetlacze plazmowe zwykle kosztują od 2500 do 3500 dolarów; duże wyświetlacze ciekłokrystaliczne kosztują od około 5500 do 7000 USD. Ale koszt obu technologii gwałtownie spada. Koszt produkcji jednego cala przekątnej wyświetlacza plazmowego wyniesie około 9 dolarów w latach 2005 i 2006, mówi Kim. Ale ponieważ mamy koszty początkowe, musimy je pobić o znaczną marżę – powiedzmy 7 USD za cal po przekątnej.
Na szczęście dla Samsunga metody produkcji wyświetlaczy do emisji w terenie są na tyle podobne do tych stosowanych w wyświetlaczach plazmowych, że firma może wykorzystać jeden z obecnych zakładów produkcyjnych do budowy urządzeń, unikając kosztów ogólnych nowej, drogiej fabryki. Jeśli jednak wyświetlacze plazmowe będą coraz tańsze, mówi Kim, stracimy szansę, a wyświetlacze z emisją polową ich nie zastąpią. I nawet jeśli Samsung osiągnie magiczną liczbę 7 USD, mówi, aby pozostać konkurencyjnym, będzie musiał przebić się przez nią, być może do 5 USD za cal. Nanotechnologia może być przełomową technologią dla wyświetlaczy, mówi Kim. Ale konwencjonalne metody mogą go z powrotem zakłócić.
Rzeczywiście mogą. W lipcu Samsung SDI, spółka zależna firmy zajmująca się wyświetlaczami, ogłosiła, że w przyszłym roku wprowadzi standardowy CRT do 32-calowego ekranu telewizyjnego, który ma tylko 14 cali głębokości, czyli połowę głębokości istniejących kineskopów. Telewizory z nową lampą Vixlim, jak obiecała firma, zmniejszą się z dwóch stóp do 15 cali; będą miały również obrazy lepszej jakości niż wyświetlacze plazmowe lub ciekłokrystaliczne i będą tańsze nawet o jedną trzecią. Samsung SDI przewiduje, że do końca 2005 roku nowe lampy będą dostępne w każdym dużym standardowym telewizorze, jaki produkuje. Według przedstawiciela firmy Lee, standardowe kineskopy wejdą w nowy okres boomu.
Zapytany o nowy Samsung CRT, Kim wydaje z siebie udawany jęk. To bardzo dobrzy badacze, mówi. Przyznaje, że jeśli wyświetlacze emisyjne kosztują trzy razy więcej niż monitory CRT i są tylko nieco cieńsze, nikt ich nie kupi. Mimo to wierzy, że pokrywając swoje zakłady, firma jako całość wyjdzie zwycięsko. Podobnie będzie z konsumentem, który będzie cieszył się stale spadającymi cenami. Zdaniem Kima, wyświetlacze emisji polowej ostatecznie zwyciężą, stając się czołową krawędzią nadchodzącej fali produktów nanotechnologicznych. Ale wyścig będzie znacznie bliższy, niż mogą się wydawać późniejsze historie biznesowe.