211service.com
Nanotech on Display
På Samsung Advanced Institute of Technology, söder om Seoul, Sydkorea, spelar det som på avstånd ser ut som en vanlig 38-tums tv en oändlig slinga av reklamfilmer för James Bond-filmer. Liksom skärmarna som blir allt vanligare i amerikanska hem, är det en stor, platt rektangel av färg och rörelse i en högteknologisk plastram. Men till skillnad från bilderna på en vanlig TV, genereras bilderna på denna labbmodell av ett lager av kolnanorör som skjuter elektroner mot en fosforskärm som så många små kanonkulor. Runt om i världen är tv-skärmar emblem för tråkig hemlighet. Men den här är i spetsen för morgondagens nanoteknologiska revolution: det kan vara den första kommersiella produkten som för in nanoskalaelektronik i medelklassens hem.
Forskare runt om i världen tävlar för att fullända denna nya typ av skärm, som borde vara ljusare, skarpare och mindre energikrävande än nuvarande platt-TV. För tillfället verkar dock Samsung-institutet ha ledningen. Det är de som ska slå, säger Yahachi Saito, ledande forskare för en rivaliserande grupp vid Nagoya University i Japan. De har rört sig väldigt snabbt.
Den här historien var en del av vårt novembernummer 2004
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Samsung och sydkoreanska teknikföretag i allmänhet anses sällan vara de ledande utvecklarna av heta nya teknologier. Detta är dock en stereotyp som företaget är fast beslutet att förändra. Vi är fortfarande identifierade, korrekt, med lågkostnadstillverkning, säger Young Joon Gil, teknisk chef vid Samsung-institutet. Men när konkurrenter kommer fram från Kina och andra östasiatiska länder, säger han, måste Samsung gradvis gå över till högvinstgivande innovationer med hög risk för att överleva.
Nanoteknik är den viktigaste av de riskabla discipliner som företaget hoppas kunna bryta efter nya produkter, och nanorörs-TV-skärmarna är dess första frukt. Kända som fältutsläppsskärmar bör de finnas i butik, säger Young i slutet av 2006, bekvämt före konkurrenterna.
Att möta den förutsägelsen kommer inte att bli lätt. Att bara ta fältutsläppsskärmar från laboratoriet till butiksgolvet kommer att kräva att man löser en mängd svåra tekniska problem. Dessutom blir nuvarande platta bildskärmar, baserade på flytande kristaller och plasmateknologi, ständigt bättre och billigare, vilket innebär att nanoteknikforskare måste arbeta hårdare bara för att hänga med. Till och med framgång skulle skapa sin egen uppsättning problem, eftersom Samsung – en av världens ledande tillverkare av flytande kristaller och plasmaskärmar, såväl som vanliga katodstrålerör-TV – kommer att konkurrera mot sig själv.
Nanotech-skärmar är alltså både ett förebud om en kommande teknisk revolution och ett exempel på hur ett stort elektronikföretag – med lukrativa, etablerade marknader att skydda – försöker hantera och innehålla den revolutionen. Vi tror att vi måste bemästra detta område för att växa, säger Young. Men samtidigt kan vi inte låta det förstöra vårt företag. Vi måste titta mycket noga.
Gunning for the Future
Fältemissionsskärmar är en gammal idé som plötsligt blev mer attraktiv 1991, när Sumio Iijima, en elektronmikroskopspecialist vid NEC Research i Tsukuba, Japan, upptäckte att kolmolekyler kunde länka samman till långa, tunna cylindrar som senare kallades nanorör. (Nano, liksom nano inom nanoteknik, kommer från nanometer, en miljarddels meter.) Rören var som små ark av kolmolekyler som hade rullats ihop till cylindrar som var en tiotusendels bredd av ett människohår. Forskare lärde sig snabbt att dessa ovanliga strukturer hade en mängd intressanta egenskaper, inklusive stor styrka och hög elektrisk och termisk ledningsförmåga.
Men det som lockade Saito, Nagoya-forskaren, till kolnanorör var möjligheten att de kunde fungera som elektronkanoner. Placerade i ett korrekt inriktat elektriskt fält, sa teoretiska fysiker, skulle de små rören skjuta ut elektroner som slangar som avger vattenströmmar. Många material avger elektroner när tillräcklig spänning appliceras; Skillnaden, sa fysikerna, är att nanorör faktiskt skulle accelerera partiklarna längs deras längder, vilket skulle tillåta dem att avge elektroner med tillräcklig energi för att aktivera fosfor i mycket lågspänningsfält. Saito, numera professor i kvantteknik, visade denna effekt offentligt för första gången 1998. I samarbete med Noritake, ett stort keramik- och elektronikföretag från Nagoya, satte han ihop en liten uppsättning nanorör som sköt in elektroner i en fosforskärm och skapade ett starkt ljus.
Saitos experiment hade ett uppenbart kommersiellt mål: världsmarknaden för tv-apparater på 61 miljarder dollar per år. Katodstrålerören inuti traditionella TV-apparater har förändrats lite sedan de uppfanns på 1920-talet – i skarp kontrast till nästan alla andra delar av elektronisk konsumentutrustning. De skjuter elektroner från ledningsspetsarna till fosforskärmar och skapar mönster av glödande prickar som det mänskliga ögat tolkar som rörliga bilder. Katodstrålerör är i sig skrymmande, eftersom elektronpistolen måste luta sig tillräckligt långt bak för att träffa hela skärmen. Som ett resultat är bildröret i en typisk hemmabioskärm ett massivt föremål som nästan fyller ett rum; Tillverkarna tror att enheterna skulle vara mer populära om de var mer hanterbara.
För att göra tunnare, lättare storbilds-TV-apparater har tillverkare vänt sig till plasmaskärmar och LCD-skärmar, men dessa har sina egna nackdelar, som börjar med deras höga pris (se Screen Test, s. 65). Plasmaskärmar, till exempel, är känsliga för inbränning, där orörliga bilder, om de visas för länge, bränns permanent i glaset. De förbrukar också så mycket som 700 watt, tillräckligt för att få en del kritiker att oroa sig för miljökonsekvenserna om bildskärmarna blev allmänt antagna. På LCD-skärmar byter pixlar under tiden relativt långsamt från en färg till en annan, vilket gör att bilder som rör sig snabbt smetar ut eller lämnar spöken när cellerna inte hänger med i händelserna.
Fältemissionsskärmar kommer i teorin att lösa många av dessa problem. De är inte sårbara för inbränning, och de använder mycket mindre ström. Samtidigt kan pixlarna i en fältemissionsskärm slås på och av snabbare än de i en flytande kristallskärm, vilket innebär att snabbrörliga bilder inte smetar ut. Och dessa bilder kan ses från vilken vinkel som helst, medan skärmar med flytande kristaller kräver att tittarna är direkt framför skärmen.
Men att få kolnanorör att skjuta elektroner mot en skärm i en faktisk konsument-TV kommer att kräva mängder av innovationer inom flera områden – den typ av insatser som ofta bäst samordnas av mycket stora företag. Faktiskt, ungefär när Saito producerade sin första fältutsläppsskärm, fick han veta att han mötte konkurrens från en osannolik plats: Sydkorea.
S C R OCH OCH N T OCH S T | ||||
Katodstrålerör har dominerat TV-skärmstekniken i nästan 70 år, men idag är de låsta i ett fyrvägslopp om framtiden för hemunderhållning. | ||||
CATHODE RAY RÖR | Skärmar med flytande kristall | PLASMADISPLAYER | FÄLTUTSLÄPPSVISNINGAR | |
HUR DE FUNGERAR | En elektronstråle som styrs av magnetfält träffar fosfor på en glasskärm | Polariserat ljus lyser genom flytande kristallportar som styr pixlarnas färg och intensitet | En elektrisk puls sätter igång en skur av joniserad gas i varje pixel, som om det vore ett litet neonskylt | Kolnanorör limmade på ett substrat skjuter elektroner mot fosfor på en glasskärm |
STARKA POÄNG | Pålitlig | Tunn | Tunn | Tunn |
SVAGA PUNKTER | Elektronpistolen måste sitta långt bakom skärmen, vilket gör rören skrymmande och tunga | Tittaren måste placeras direkt framför skärmen | Hög strömförbrukning | Olösta tekniska problem, som att hålla ett vakuum mellan underlag och glas |
Bortom Sweatshop
Söder om Seoul ger huvudstadens urbana grus plats för frodiga, böljande, låga kullar med kontorsparker som inte skulle vara malplacerade i en förort till San Francisco eller Boston. I det planerade samhället Kiheung finns ett särskilt stort komplex – en uppsättning av fyra låga, parallella strukturer genomskurna av en central korridor – Samsung Advanced Institute of Technology, förmodligen Koreas främsta privata forskningscenter.
Institutet är till stor del visionen för Samsungs ordförande Lee Kun Hee, som etablerade det strax efter att han tog över företagets rodret 1987. Samsung är ett av Sydkoreas chaebol, de gigantiska familjekontrollerade holdingbolagen som fortfarande dominerar landets ekonomi. Vid tiden för Lees anslutning var det, som de flesta koreanska elektronikföretag, ett exempel på vad som ibland avvisande kallas sweatshopelektronik - att dra fördel av landets låga löner för att underskatta tillverkare i rikare områden. Den sålde de flesta av sina produkter som råvaror till mer kända företag, många av dem i närliggande Japan, som stoppade dem i lådor och smällde deras egna namn på dem.
Lee, den tredje sonen till Samsungs grundare, hävdade att företagets – och Koreas – växande framgång oundvikligen skulle locka till sig konkurrens från ännu lägre lönenationer, särskilt Kina. Samsung, sa han, skulle behöva gå in i nya företag för att överleva; Förändra allt utom din fru och dina barn! var hans samlingsrop. I praktiken innebar detta att man koncentrerade sig på mer avancerade produkter med högre vinst. Samsung skulle behöva bli ett varumärke, en kvalitetssymbol som Sony eller Honda.
För detta ändamål, hävdade Lee, skulle Samsung behöva förnya sig, vilket i sin tur innebar att dess forsknings- och utvecklingsinsatser drastiskt ökade. Samsung Advanced Institute of Technology var det logiska resultatet. Långsamt men ständigt expanderat sedan det skapades, sysselsätter laboratoriet nu 950 anställda, varav ungefär en fjärdedel arbetar med Samsungs kärnverksamhet av halvledare (företaget är världens största tillverkare av minneschips med slumpmässig åtkomst). Enligt företagsrepresentant Lee Hyunji samarbetar institutsforskare med cirka 120 universitet och forskningscentra i 15 länder.
Samsung säljer nu banbrytande produkter, från supertunna DVD-spelare till videospelschips. Det har blivit världens tredje största mobiltelefontillverkare, med en mycket populär premiumlinje av telefoner med skarpa färgskärmar. På en lista över de mest beundrade elektronikföretagen 2003 rankade tidningen Fortune Samsung på fjärde plats i världen. Samsung spenderade 2,9 miljarder USD på FoU 2003; Bruttoförsäljningen det året för Samsung-gruppen som helhet ökade med nästan 11 procent från 2002, till cirka 55 miljarder dollar.
Fyller vakuumet
Fältutsläppsskärmar exemplifierar nästa steg som Samsung försöker ta i sin företagsomvandling från en högteknologisk konkurrent till en branschledare. Displaytekniken är enormt komplex till att börja med, säger Kim Jong Min, vice vd och chef för materiallabbet vid institutet. Och att använda nanorör bidrar till det enormt, både på grund av de oundvikliga problem som alltid kommer från att utforska ett okänt område och det faktum att här finns ingen modell att följa. Enligt Kim är nanorörsbaserade fältutsläppsskärmar så komplexa att inget enskilt företag kan utveckla dem själv. Följaktligen delar forskare runt om i världen upp tekniken i dess komponenter och tilldelar informellt olika grupper att arbeta med var och en. Samsung planerar till exempel inte att tillverka sina egna nanorör, förutom för forskningsändamål. Istället kommer det att köpa dem i pulverform från Carbon Nanotechnologies, ett Houston-baserat företag med en betydande arsenal av patent inom området. Ett gram nanorörspulver i kol, tillräckligt för att göra ett halvdussin 40-tumsskärmar, kostade $100 förra året, säger Kim, men kommer att säljas för mindre än $10 om två år. Det är en tävling vi inte deltar i.
På samma sätt har Samsung inte för avsikt att fokusera på limet som fäster de små rören på deras glasartade bas, i sig en klibbig teknisk utmaning. Företaget samarbetar med DuPont för att komma fram till ett lim som är tunt nog att spridas, starkt nog att hålla de ultratunna rören i ändarna, fjädrande nog att behålla sitt grepp trots oundviklig expansion och sammandragning från värme, och lätt nog att ta bort tillverkaren. kan rensa bort löst lim från toppen av nanorören, så att de kan spraya ut elektroner.
Företaget försöker inte heller få en fördel genom att utveckla de fysiska komponenterna i själva skärmen – distanserna som håller isär skärmens övre och nedre ark, högvakuumförpackningen, drivkretsen och andra standardkomponenter för fältutsläpp och material. Istället har det gått med i ett konsortium av mer än ett halvdussin europeiska företag och universitet som skapats specifikt för att ta itu med dessa problem och införlivat gruppens tidiga resultat i den 38-tumsskärm som nu visar upp Pierce Brosnans Bond-blå ögon.
Att delegera dessa aspekter av fältutsläppsskärmsdesign lämnar fortfarande mycket för Samsung att arbeta på, med början på själva glaset. Nanorören måste skjuta sina elektroner över ett vakuum; annars skulle de absorberas eller avböjas av luftmolekyler. Ändå är det svårt att göra vad som motsvarar en mycket bred, arkliknande vakuumkammare, eftersom lufttrycket över ett stort område tenderar att krossa skärmens två sidor. Det självklara svaret är att sätta en stödpelare i mitten av skärmen. Men sedan, förklarar Saito, ser man stödet i mitten av bilden.
Lika problematiskt, enligt hans uppfattning, är den termiska expansionen och sammandragningen av displayen. När nanorören sänder ut elektroner blir skärmen varmare och allt dess material expanderar; när elektronstrålen är avstängd krymper de. Problemet är hur man ska tillgodose expansionen, säger Saito. Hans team var tvungna att hitta material vars värmeutvidgningskoefficient var densamma som glasets, så att hela displayen skulle expandera och dra ihop sig samtidigt.
Exakt hur Samsung drog ihop alla dessa bitar är vår hemlighet, säger Kim. Det är vad vi gör: vi är ett företag som tillverkar enheter. Men nyckeln till Samsungs beslut att fokusera på fältemissionsskärmar, erkänner han, är det lyckliga faktumet att de kan tolerera oprecision. Med nuvarande teknologi är det en inexakt process att rikta in nanorören över skärmens baksida. Rören pekar i ett virrvarr av olika riktningar, och de flesta är för trasiga eller böjda för att framgångsrikt avge elektroner. Lyckligtvis är nanorör små: cirka 10 000 täcker varje pixel på skärmen. Som ett resultat, säger Kim, förväntar vi oss att endast 30 till 50 procent av dem kommer att fungera, men vi behöver bara 30 till 50 procent för att lysa upp pixeln och lura det mänskliga ögat.
Samsung är tillräckligt nöjda med resultatet för att tillåta en journalist från Technology Review att vara den första icke-koreanska reportern att besöka Advanced Institute of Technology. När han går genom institutets labyrint av små fluorescerande upplysta laboratorier, var och en med sin kotteri av vitbelagda forskare och glödande datorskärmar, säger Kim att skärmen förbrukar cirka 100 watt, ungefär en tredjedel av den effekt som krävs för en genomsnittlig plasmaskärm av jämförbar storlek. Det är bara för nu, tillägger han. Bara två millimeter tjockt är glaset på skärmen tillräckligt tunt för att göra skärmen smalare än någonting som finns på marknaden.
När Kim anländer till utställningen presenterar Kim den med en lätt oro hos en stolt förälder i hopp om att främlingar kommer att uppskatta de speciella egenskaperna hos hans avkomma. Bilden är lika skarp som de som produceras av traditionella högupplösta bildrör med liknande skärmstorlekar, även om skärmen har flera små tomma fläckar. (Prototypsvårigheter, förklarar Kim.) På frågan om tekniken nästan är klar för marknaden tittar forskarna i rummet osäkert på varandra. Samsung, säger Kim slutligen, har precis börjat arbeta på den verkliga utmaningen med att föra nanoteknik till världen: att göra produkten överkomlig. De ekonomiska problemen, säger han, är mycket, mycket svårare än de tekniska.
Tur $7
Samsung är inte ensam. Två timmar bort i Japan ledde Saitos framgång – och rädsla för att bli översköljd av Korea – regeringens organisation för utveckling av ny energi och industriell teknologi att etablera ett 2,5-årigt nationellt projekt på 37 miljoner dollar för att kraschutveckla fältutsläppsskärmar. Projektet lanserades 2003 och har fyra huvuddeltagare: Hitachi; Asahi glas; ett Nagoya University-Noritake samarbete regisserat av Saito; och en gemensam insats av Mitsubishi, Kyoto University, Osaka University och Osaka Prefecture University. Koreanerna är fortfarande före oss, säger Saito. Men vi jobbar hårt för att komma ikapp.
Så är ett dussin andra företag i Japan, Europa och USA. Det anses allmänt att ledarna är Noritake, Mitsubishi, Motorola och det franska atomenergikommissariatets laboratorium för elektronik och informationsteknologi i Grenoble. Motorola demonstrerade en liten prototyp 2002; förra året visade det franska laboratoriet flera, liksom en liten hemlighetsfull Silicon Valley-startup, cDream.
Nanoteknik beskrivs ofta som en teknik med potential att kapsejsa den etablerade ordningen. I en teori som ofta hyllas av affärskonsulter, är det osannolikt att en industris största etablerade operatörer kommer att utveckla sådana tekniker, av två skäl: för det första är de mindre lönsamma i sina inledande skeden, och för det andra har de potential att undergräva befintliga produkter. Så småningom utvecklar en liten startup tekniken, använder dess skarpa tekniska fördel för att överväldiga konkurrensen och i slutändan skaka etableringen.
Om fältemissionsdisplayer passar denna modell återstår att se. Nanorör har uppenbara tekniska fördelar på pappret, men på marknaden är de långt ifrån överväldigande. Just nu säljs 42-tums plasmaskärmar vanligtvis för $2 500 till $3 500; stora skärmar med flytande kristaller sträcker sig från cirka 5 500 $ till 7 000 $. Men kostnaden för båda teknikerna rasar. Tillverkningskostnaden per diagonal tum av plasmaskärmar kommer att vara cirka $9 under 2005 och 2006, säger Kim. Men eftersom vi har startkostnader måste vi slå det med en avsevärd marginal – 7 USD per diagonal tum, säg.
Lyckligtvis för Samsung liknar produktionsmetoderna för fältutsläppsskärmar tillräckligt mycket de för plasmaskärmar så att den kan använda en av sina nuvarande tillverkningsanläggningar för att bygga enheterna, vilket undviker de allmänna kostnaderna för en dyr ny fabrik. Men om plasmaskärmar fortsätter att bli billigare, säger Kim, kommer vi att förlora vår möjlighet, och fältutsläppsskärmar kommer inte att ersätta dem. Och även om Samsung når det magiska $7-numret, säger han, för att förbli konkurrenskraftigt måste det skjuta förbi det, till kanske $5 per tum. Nanoteknik kan vara en störande teknik för skärmar, säger Kim. Men de konventionella metoderna kan störa det tillbaka.
Det kan de verkligen. I juli meddelade Samsung SDI, företagets skärmdotterbolag, att de nästa år kommer att introducera en standard CRT för en 32-tums tv-skärm som bara är 14 tum djup, halva djupet av befintliga bildrör. Televisioner med det nya Vixlim-röret, företaget lovade, kommer att krympa från två fots djup till 15 tum; de kommer också att ha bättre bilder än antingen plasma- eller flytande kristallskärmar och vara upp till en tredjedel billigare. I slutet av 2005, förutspår Samsung SDI, kommer de nya rören att finnas i alla stora standard-TV-apparater som tillverkas. Standardbildrör, enligt företagets representant Lee, kommer att gå in i en ny högkonjunktur.
På frågan om den nya Samsung CRT ger Kim ifrån sig ett skenbart stön. De är väldigt duktiga forskare, säger han. Om fältutsläppsskärmar kostar tre gånger så mycket som CRT och bara är något tunnare, erkänner han, kommer ingen att köpa dem. Ändå tror han att genom att täcka sina insatser kommer företaget som helhet att gå ut som en vinnare. Det gör även konsumenten, som kommer att njuta av stadigt fallande priser. Enligt Kims uppfattning kommer fältemissionsskärmar så småningom att segra och bli ledande på en annalkande våg av nanoteknologiska produkter. Men loppet kommer att vara mycket närmare än vad efterföljande affärshistorier kommer att göra det verka.