Una pantalla de emisión de campo ( FED ) es una tecnología de pantalla plana que utiliza fuentes de emisión de electrones de campo de gran área para proporcionar electrones que chocan con fósforo coloreado para producir una imagen en color. En un sentido general, un FED consta de una matriz de tubos de rayos catódicos , cada tubo produce un único subpíxel, agrupados en tres para formar píxeles rojo-verde-azul (RGB) . Los FED combinan las ventajas de los CRT, es decir, sus altos niveles de contraste y tiempos de respuesta muy rápidos, con las ventajas de los LCD y otras tecnologías de pantalla plana. También ofrecen la posibilidad de requerir menos energía, aproximadamente la mitad que un sistema LCD. Los FED también pueden hacerse transparentes. [1]
Sony fue el principal defensor del diseño FED y dedicó un considerable esfuerzo de investigación y desarrollo al sistema durante la década de 2000, planificando la producción en masa en 2009. [2] Los esfuerzos de Sony FED comenzaron a debilitarse en 2009, cuando la pantalla LCD se convirtió en la tecnología de pantalla plana dominante. . [3] En enero de 2010, AU Optronics anunció que adquirió activos esenciales de FED de Sony y tiene la intención de continuar con el desarrollo de la tecnología. [4] A partir de 2023 [actualizar], no se ha llevado a cabo ninguna producción comercial de FED a gran escala.
Los FED están estrechamente relacionados con otra tecnología de visualización en desarrollo, la pantalla de emisor de electrones de conducción superficial (SED), y se diferencian principalmente en los detalles del sistema de emisión de electrones.
La pantalla FED funciona como un tubo de rayos catódicos (CRT) convencional con un cañón de electrones que utiliza alto voltaje (10 kV) para acelerar los electrones, que a su vez excitan los fósforos, pero en lugar de un único cañón de electrones, una pantalla FED contiene una rejilla de Cañones de electrones nanoscópicos individuales. Consta de 2 láminas de vidrio espaciadas a intervalos regulares y enfrentadas, una de las cuales contiene los emisores, espaciadores y la rejilla, y la otra que contiene los fósforos.
Una pantalla FED se construye colocando una serie de franjas metálicas sobre una placa de vidrio para formar una serie de líneas catódicas. La fotolitografía se utiliza para establecer una serie de filas de puertas de conmutación en ángulo recto con las líneas catódicas, formando una cuadrícula direccionable. En la intersección de cada fila y columna se deposita un pequeño parche de hasta 4500 emisores [5] , normalmente utilizando métodos desarrollados a partir de impresoras de inyección de tinta . La rejilla metálica se coloca encima de las compuertas de conmutación para completar la estructura del arma. [6]
Se crea un campo gradiente de alto voltaje entre los emisores y una malla metálica suspendida sobre ellos, extrayendo electrones de las puntas de los emisores. Este es un proceso altamente no lineal y pequeños cambios en el voltaje harán que rápidamente se sature la cantidad de electrones emitidos. La red se puede abordar individualmente, pero solo los emisores ubicados en los puntos de cruce del cátodo energizado y las líneas de compuerta tendrán suficiente energía para producir un punto visible y cualquier fuga de energía a los elementos circundantes no será visible. [6] La no linealidad del proceso permite evitar esquemas de direccionamiento de matriz activa : una vez que el píxel se ilumina, brillará naturalmente. La no linealidad también significa que el brillo del subpíxel se modula por ancho de pulso para controlar la cantidad de electrones que se producen, [6] como en las pantallas de plasma .
La tensión de la red envía los electrones a la zona abierta entre los emisores situados en la parte trasera y la pantalla en la parte delantera, donde una segunda tensión de aceleración los acelera adicionalmente hacia la pantalla, proporcionándoles suficiente energía para encender los fósforos. Dado que los electrones de cualquier emisor se disparan hacia un único subpíxel, los electroimanes de barrido no son necesarios. [6]
Los CNT-FED utilizan nanotubos de carbono dopados con nitrógeno y/o boro como emisores. Samsung ha trabajado anteriormente en el desarrollo de este tipo de pantalla, sin embargo, Samsung nunca ha lanzado ningún producto que utilice esta tecnología. CNT-FED coloca los emisores de nanotubos de carbono en el centro inferior de unas cavidades llamadas orificios de entrada, que están hechas con material aislante eléctrico. Se deposita una película de oro encima de este material sin bloquear los orificios de entrada para permitir el paso de los electrones de los nanotubos de carbono. La película de oro actúa como una puerta o rejilla que acelera los electrones. El oro también se utiliza como cátodo y encima se construyen nanotubos de carbono. El cátodo se dispone mediante fotolitografía para crear una cuadrícula direccionable. Se colocan espaciadores a intervalos regulares que mantienen ambos paneles de vidrio a 300 micras de distancia. El espacio creado por los espacios contiene un vacío. El ánodo puede estar hecho de aluminio u óxido de indio y estaño (ITO) y puede colocarse debajo o encima de los fósforos. [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]
Al igual que cualquier otra pantalla con subpíxeles direccionables individualmente, las pantallas FED pueden sufrir problemas de fabricación que resultarán en píxeles muertos . Sin embargo, los emisores son tan pequeños que muchas "pistolas" pueden alimentar un subpíxel, [13] se puede examinar la pantalla en busca de emisores muertos y corregir el brillo del píxel aumentando el ancho del pulso para compensar la pérdida por el aumento de emisiones del otros emisores alimentan el mismo píxel.
Los FED eliminan gran parte de la complejidad eléctrica de los tubos de rayos catódicos , incluidos los filamentos calentados en el cañón de electrones utilizados para generar electrones y los electroimanes en los yugos de desviación utilizados para dirigir el haz, y por lo tanto son mucho más eficientes energéticamente que un CRT de tamaño similar. . Sin embargo, los FED son técnicamente peores que los CRT, ya que no son capaces de realizar escaneos múltiples . [ cita necesaria ]
Las pantallas LCD planas utilizan una fuente de luz brillante y filtran la mitad de la luz con un polarizador, y luego filtran la mayor parte de la luz para producir fuentes rojas, verdes y azules (RGB) para los subpíxeles. Eso significa que, en el mejor de los casos, sólo 1/6 (o menos en la práctica) de la luz que se genera en la parte posterior del panel llega a la pantalla. En la mayoría de los casos, la propia matriz de cristal líquido filtra luz adicional para cambiar el brillo de los subpíxeles y producir una gama de colores. Entonces, a pesar de utilizar fuentes de luz extremadamente eficientes como lámparas fluorescentes de cátodo frío o LED blancos de alta potencia , la eficiencia general de una pantalla LCD no es muy alta. Aunque el proceso de iluminación utilizado en el FED es menos eficiente, sólo los subpíxeles iluminados requieren energía, lo que significa que los FED son más eficientes que los LCD. Se ha demostrado que los prototipos FED de 36" de Sony consumen sólo 14 W cuando muestran escenas muy iluminadas, mientras que una pantalla LCD convencional de tamaño similar normalmente consumiría más de 100 W.
Evitar la necesidad de un sistema de retroiluminación y una matriz activa de transistores de película delgada también reduce en gran medida la complejidad del conjunto en su conjunto, al tiempo que reduce su grosor de adelante hacia atrás. Si bien un FED tiene dos láminas de vidrio en lugar de la de un LCD, es probable que el peso total sea menor que el de un LCD de tamaño similar. [16] También se afirma que los FED son más baratos de fabricar, ya que tienen menos componentes y procesos totales involucrados. Sin embargo, no son dispositivos fáciles de fabricar como dispositivo comercial fiable y se han encontrado considerables dificultades de producción. Esto llevó a una carrera con otras dos tecnologías de vanguardia que apuntan a reemplazar las pantallas LCD en el uso de televisión: el OLED de matriz activa y la pantalla de emisor de electrones de conducción superficial (SED).
Las células de diodos emisores de luz orgánicos ( OLED ) emiten luz directamente. Por lo tanto, los OLED no requieren una fuente de luz independiente y son muy eficientes en términos de salida de luz. Ofrecen los mismos niveles de alto contraste y tiempos de respuesta rápidos que ofrece FED. Los OLED son un serio competidor de los FED, pero sufren el mismo tipo de problemas que los llevan a la producción en masa.
Los SED son muy similares a los FED; la principal diferencia entre las dos tecnologías es que los SED utilizan un único emisor para cada columna en lugar de los puntos individuales del FED. Mientras que un FED utiliza electrones emitidos directamente hacia el frente de la pantalla, el SED utiliza electrones que se emiten desde las proximidades de un pequeño "espacio" en una pista conductora de superficie colocada paralela al plano del panel y extraída lateralmente para su dirección original de movimiento. SED utiliza una matriz de emisores basada en óxido de paladio depositado mediante un proceso de inyección de tinta o serigrafía . [17] Se ha considerado que SED es la variante de FED que es factible de producir en masa; sin embargo, a finales de 2009 la industria no ha puesto a disposición ningún producto comercial de visualización SED.
El primer esfuerzo concentrado para desarrollar sistemas FED comenzó en 1991 por Silicon Video Corporation, más tarde Candescent Technologies. Sus pantallas "ThinCRT" utilizaban emisores metálicos, originalmente construidos con pequeños conos de molibdeno conocidos como puntas Spindt . Sufrieron erosión debido a los altos voltajes de aceleración. Los intentos de reducir los voltajes de aceleración y encontrar fósforos adecuados que funcionaran a niveles de potencia más bajos, así como abordar el problema de la erosión mediante mejores materiales, no tuvieron éxito.
Candescent siguió adelante con el desarrollo a pesar de los problemas, iniciando la construcción de una nueva instalación de producción en Silicon Valley en 1998, asociándose con Sony . Sin embargo, la tecnología no estaba lista y la empresa suspendió la compra de equipos a principios de 1999, alegando "problemas de contaminación". [18] La planta nunca se completó y, después de gastar 600 millones de dólares en su desarrollo, se acogieron al Capítulo 11 de protección en junio de 2004 y vendieron todos sus activos a Canon en agosto de ese año. [19]
Advance Nanotech, una subsidiaria de SI Diamond Technology de Austin, Texas , hizo otro intento de abordar los problemas de erosión. Advance Nanotech desarrolló un polvo de diamante dopado, cuyas esquinas afiladas parecían ser un emisor ideal. Sin embargo, el desarrollo nunca tuvo éxito y fue abandonado en 2003. Luego, Advance Nanotech aplicó sus esfuerzos a una pantalla SED similar y otorgó la licencia de su tecnología a Canon. Cuando Canon contrató a Toshiba para ayudar a desarrollar la pantalla, Advance Nanotech presentó una demanda, pero finalmente perdió en sus esfuerzos por renegociar los contratos basándose en su afirmación de que Canon transfirió la tecnología a Toshiba.
La investigación de la FED posterior al año 2000 se centró en los nanotubos de carbono (CNT) como emisores. Pantalla nanoemisiva (NED) fue el término que utilizó Motorola para referirse a su tecnología FED basada en nanotubos de carbono. En mayo de 2005 se demostró un modelo prototipo, pero ahora Motorola ha detenido todo desarrollo relacionado con la FED.
Futaba Corporation había estado ejecutando un programa de desarrollo tipo Spindt desde 1990. Produjeron prototipos de sistemas FED más pequeños durante varios años y los demostraron en varias ferias comerciales, pero, al igual que los esfuerzos de Candescent, no se había producido ninguna producción en pantalla grande. Posteriormente, el desarrollo continuó con una versión basada en nanotubos.
Sony, habiendo abandonado sus esfuerzos con Candescent, obtuvo la licencia de tecnología CNT de Carbon Nanotechnologies Inc., [20] de Houston, Texas , que era el agente público de licencias para una serie de tecnologías desarrolladas en el Laboratorio de Nanotecnología de Carbono de la Universidad Rice . En 2007, demostraron una pantalla FED en una feria comercial en Japón y afirmaron que introducirían modelos de producción en 2009. [21] Más tarde, escindieron sus esfuerzos de FED en Field Emission Technologies Inc., que continuó apuntando a un lanzamiento en 2009. [22]
Sus planes de iniciar la producción en una antigua fábrica de Pioneer en Kagoshima se retrasaron por problemas financieros a finales de 2008. [23] El 26 de marzo de 2009, Field Emission Technologies Inc. (FET) anunció que cerraría debido a la incapacidad de reunir capital. . [24]
En enero de 2010, la taiwanesa AU Optronics Corporation (AUO) anunció que había adquirido activos de FET y FET Japón de Sony, incluidas "patentes, conocimientos técnicos, invenciones y equipos relevantes relacionados con la tecnología y los materiales FED". [4] En noviembre de 2010, Nikkei informó que AUO planeaba comenzar la producción en masa de paneles FED en el cuarto trimestre de 2011, sin embargo, AUO comentó que la tecnología aún estaba en la etapa de investigación y no había planes para comenzar la producción en masa. [25]
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