Briljanta, böjbara och billiga bildskärmar

(Datateknik 3.0)

En OLED-prototyp från UDC i Princeton, New Jersey.

Föreställ dig en handdator i form av en kulspetspenna, där bildskärmen ligger ihoprullad i dess mitt, eller en storbildsteve i form av en rullgardin. Eller vad sägs om plastbildskärmar som spottas ut ur tryckpressar ungefär som andra pressar producerar papperstidningar? Detta är än så länge bara visioner, men den nya organiska bildskärmstekniken – OLED - har börjat leverera både prototyper och några produkter. ”OLED har en väldigt stor potential,” säger Steven Abramson, operativ chef för Universal Display Corporation (UDC) utanför Princeton.

(Princeton, New Jersey) Motorolas TimePort är en av de första kommersiella produkterna baserade på organiska lysdioder (OLED står för Organic Light Emitting Diodes.) Man slås av dess fosforiserande bildskärm, men det är fortfarande en monokrom skärm som knappast förklarar varför ett 60-tal företag, däribland IBM, Kodak, Phillips, Pioneer, Sanyo, Seiko-Epson och Sony satsar stora pengar på den.
-OLED har alla element man kan önska sig när man arbetar med ljus och bildskärmar. Tekniken är enkel, stabil och potentiellt väldigt billig. Den ger oss briljanta och ljusstarka bilder som kan ses från en bred vinkel. Skärmarna är dessutom överlägsna LCD när det gäller video, säger Steven Abramson på UDC, som ligger i Ewing, en halvtimma väster om Princetonuniversitetet där mycket av företagets teknik utvecklats.

Bildskärmen är både en av de viktigaste och dyraste komponenterna i en portföljdator. De bästa skärmarna är s k aktiv matris LCD-skärmar (AM LCD.) Tills för några år sedan var de nära nog oöverkomliga i pris, eftersom de var mycket svåra att tillverka och andelen skrämar som måste kasseras var hög. Idag har de dock kommit ner i pris och börjat ersätta de tunga och skrymmande CRT-skärmarna, både som datorskärmar och TV-apparater. Men det finns mycket att önska när det gäller LCD-tekniken, vilket alla vet som försökt ta sin portföljdator ut i trädgården en solig dag. Den inomhus så briljanta bilden blir plötsligt oläsbar, eller ”washed out” som man så träffade säger på engelska. Inte nog med det: De drar dessutom mycket ström, är svåra att läsa från sidan, fungerar inte så bra i kyla och är i långsammaste laget för video. (Det tar enligt Abramson en tusendels sekund för en LCD-pixel att slå om, medan det bara tar en miljondels sekund för en OLED-pixel.)


Steven Abramson, operativ chef för UDC.

Det pågår ett intensivt utvecklingsarbete för att förbättra dagens bildskärmar och ta fram nya alternativ. En av de mest omtalade är ”digitalt bläck” eller ”digitalt papper,” men detta ser än så länge ut att bli en nischlösning för elektroniska böcker och tidningar och andra media som inte kräver färg. Nya generationer av LCD-skärmar är också på väg och några av dem visades nyligen upp på SID 2001 i San Jose, men den teknik som förefaller att ha störst potential att revolutionera bildskärmsbranschen är OLED.

Kodak och Sony har nyligen visat upp prototyper till organiska aktiv matris färgskärmar och de har väckt sensation genom sin skärpa, ljusstyrka och snabbhet. Kodaks prototyp som de utvecklat tillsammans med Sanyo var på 5,5 tum, medan Sony i våras visade upp en 13 tums skärm.

OLED-tekniken pekar mot nya typer av datorer, TV-apparater och annan konsumentelektronik, men kan också leda till en internationell maktförskjutning när det gäller var bildskärmarna tillverkas. Detta eftersom det på sikt kan bli möjligt att tillverka OLED-skärmar i en tryckprocess som påminner om hur man tillverkar tidningar (web based printing.)
-De flesta skärmar tillverkas idag i Japan, Tawian och Korea, men nya processer kan låta oss tillverka dem var som helst. Vi tror att denna produktionsteknik kommer att finnas om 3-5 år, säger Janice Mahon, som ansvarar för kommersialiseringen av UDC:s teknik. Hon tror att den nya tekniken ska ligga väl till för företag som t ex Dupont, 3M och Dow Chemical.

UDC är i likhet med brittiska Cambridge Display Technology ett litet utvecklingsföretag som jobbar i nära samarbete med både universitet, privata företag och - åtminstone för UDC:s del - försvaret. Pentagons forskningsgren Darpa gick i somras in med ytterligare 15 miljoner kr utöver de 15 miljoner kr man redan satsat på UDC. Syftet är dels att få fram nya och bättre bildskärmar för militärt bruk och dels för att minska beroendet av utländska bildskärmar.

Det är ett litet företag, men de har tunga partners. Motorola har investerat i företaget och gett UDC rätten att licensera dess betydande patentportfölj inom OLED. Sony tecknade i våras ett avtal med UDC om att gemensamt utveckla stora aktiv matris OLED-skärmar.
UDC:s expertis är dels kunnandet om vilka organiska ämnen och kombinationer som är bäst för att bygga OLED-skärmar och dels kunnande om hur man bygger dem. Målet är att kunna licensera tekniken till världens stora bildskärmfabriker.

Vanliga LCD-skärmar (både passiv matris och aktiv matris) har till skillnad från OLED-skärmar ingen egen ljuskälla, utan använder reflekterat ljus, alternativt en ljuskälla bakom skärmen. En LCD-skärm består grovt sett av ett skikt med flytande kristaller mellan två tunna glasskivor. Poängen med kristallerna är att de kan styras så att de endera släpper igenom eller blockerar ljus. Passiv matris betyder att man styr kristallernas beteende med hjälp av elektronik längs skärmens kanter, medan en aktiv matris-skärm har en tunn film av transistorer (TFT) - en bakom varje pixel.

Bilden på en AM LCD-skärm skapas när ljus sänds genom glaspaketet och stoppas eller illåts passera genom LCD-skiktet för att sedan nå ett färgfilter där varje pixel får sin färg.
(Varje sådan bildpunkt består egentligen av tre subpixel, ett vardera för grundfärgerna röd, grön och blå. Alla andra färger följer av att man kombinerar de tre.)

Den organiska bildskärmen behöver ingen extra lampa, eftersom den använder lysdioder som är självlysande. De ”tänds” genom att man tillför ström, varvid elektroner tvingas ut i banor längre ut (de exciteras) och sedan avger ljusenergi när de faller tillbaks. Forskarna har idag lärt sig att driva upp mängden ljus man kan utvinna från organiska material så att de idag överträffar vanliga glödölampor. Stephen Forrest, chef för Princetons elektronikforskning och vetenskaplig rådgivare till UDC, skrev förra sommaren i tidskriften ”IEEE Spectrum” att OLED:s snart kommer att nå en effektivitet på 80 lumens per Watt, dvs samma som för lysrör. Janice Mahon säger, att UDC nu nått detta mål för grönt ljus. Hon säger också att OLED faktiskt skulle kunna användas som högeffektiva lampor i allt från julgransbelysning till ljuskällor för LCD-skärmar.

På konferensbordet framför mig radar hon upp ett antal elektroniska komponenter, som ser ut som om de tagits från en elektronisk byggsats, men detta är några av UDC:s bidrag till OLED-tekniken.

Den första apparaten har ett antal olikfärgade sockerbitsstora fyrkanter som lyser klart och starkt. Det illustrerar att en OLED-pixel kan se ut lite hur som helst. Vill man göra en skärm för utomhusreklam vid en motorväg kan man använda stora bildpunkter, men man kan också gå åt andra hållet och göra dem riktigt små, vilket kan vara bra om man ska tillverka en mikrobildskärm att ha framför ögat.

Den andra komponenten har en liten genomskinlig glasplatta mitt i, men om man trycker på en knapp förvandlas den till en bildskärm. Detta är en genomskinlig (Translucent OLED, eller TOLED.) Om man sedan tar flera sådana TOLED:s och lägger dem ovanpå varandra får man en stackbar OLED (SOLED,) och det är så UDC hoppas kunna bygga ett nytt slags färgbildskärmar. Kodaks prototyp till AM OLED-skärm monterar precis som vanliga AM LCD-skärmar tre färgdioder (röd, grön, blå) sida vid sida, men UDC hoppas med TOLED kunna uppnå samma resultat genom att så att säga lägga färgerna ovanpå varandra, vilket i sin tur skulle göra det möjligt att få tre gånger högre upplösning. Den trejde komponenten vi får se är just en sådan TOLED. En fjärde variant av OLED kallas FOLED, där F:et står för flexibel. UDC visade nyligen på sin bolagsstämma en millimetertunn monokrom plastskärm som visade en videofilm helt obekymrad om att den böjdes fram och tillbaka.

Det finns två grundläggande sätt att tillverka organiska lysdioder. Den ena är att arbeta med små molekyler i en fotolitografisk process där man lägger ner tunna lager av organiska material ovanpå varandra med hjälp av masker, ungefär som man gör när man tillverkar datorchips. Man får fram olika färger och ljusintensiteter genom att variera de organiska ämnena och hur tjocka lagren görs. Ett av de största problemen vid tillverklingen av OLED-skärmar är att organiska material lätt förstörs om de kommer i kontakt med syre, ultraviolett strålning, eller vatten. Tillverkningen måste därför ske i en extremt ren miljö och i vacuum. UDC har ett ”Clean Room” av klass 100 vägg i vägg med ett som har klass 10.000.

Den andra metoden är att använda halvledande filmer av polymera material som plast. De består av långa kedjor av molekyler, vilka har fördelen att de är flexibla och tåliga, men de reser också en del svåra hinder för produktionen. Man använder en kemisk process för att etsa in mönster i polymerfilmen, men kruxet är att om man använder samma lösningsmedel en andra gång förstör man det man just åstadkommit. Detta gör det svårt att bygga mer komplicerade strukturer.


Janice Mahon, UDC.

Janice Mahon säger att kapitalinvesteringarna för en OLED-fabrik troligen kommer att ligga på 80-90 procent av dem för en LCD-fabrik. OLED-processen använder enligt henne bara hälften så mycket material som man använder vid motsvarade LCD-tillverkning.
-Detta är en mycket enklare och elegantare produkt, vilket leder till stora besparingar. Flera studier tror att OLED-skärmar kommer att kosta 60-70 procent av LCD-skärmar, säger hon.
-Enligt en uppskattning krävs det 86 tillverkningssteg för att tillverka en OLED-skärm mot över 200 steg för motsvarande LCD-skärm.

Det ser ut som om OLED har goda förutsättningar för att utmana LCD-tekniken, men det faktum att inte ens Sony kan visa upp mer än en 13 tums skärm bör kanske tas som en tankeställare.
-Det finns definititvt tekniska frågor som det återstår att lösa, säger Steve Abramson. Det gäller både processen med små molekyler och i ännu högre utsträckning den där man använder polymerfilm, vilket är den process som har den största ekonomiska potentialen. Han tar dock Sonys satsning på OLED som ett tecken på att det ska gå att övervinna tillverkningsproblemen även för större skärmar.

UDC:s mål är att utveckla tekniker som man sedan licenserar till industrin. Det kommer dock att ta tid innan det finns en industriell infrastruktur för tillverkning av OLED-skärmar.
-LCD-tillverkningen har en lång kurva bakom sig, medan vi startar i liten skala, säger Janice Mahon. Vi kommer troligen att börja med rätt enkla displayer där olika delar av skärmen ges olika färger (typ instrumentpanel,) och sedan fortsätta till passiv matris LCD för att slutligen fortsätta till AM LCD. Vi kommer att börja med mobilskärmar och sedan gå vidare mot större skärmar, säger hon.

Mobiltelefoner och handdatorer är givna kandidater för OLED, men man ska inte glömma digitala kameror och videokameror, som definitivt skulle kunna dra nytta av en färgskärm som är ljusstark nog att klara direkt soljus och dessutom är liten och energisnål.

Var står tekniken idag? När har jag en Palm med OLED?
-Vi licenserar tekniken, men de flesta tillverkare av bildskärmar vi pratat med tror att den kommer att dyka upp runt 2002. De flesta talar om PM OLED för mobiltelefoner, sedan AM OLED med full färg, så att folk t ex ska kunna titta på video på sina mobiltelefoner.
-Det finns många spelare i Asien som gör sig klara för att tillverka AM OLED runt 2002-2003. Vår roll är att ta fram en teknik som vi kan licensera till dem, att ha material som de kan använda. Jag tror att utvecklingen kommer att explodera under under de närmaste åren, säger Steven Abramson.

Tror du att OLED kommer att ersätta LCD?
-Det tar lång tid för en teknik att försvinna, längre än prognosmakarna tror. Jag skulle tro att det blir nya nischer för LCD, precis som skett för CRT. Det finns dessutom en massa smarta människor som jobbar på andra tekniker. Man får inte glömma det.

Hur ser läget ut på patentfronten?
-Vi har över 400 utfärdade eller sökta patent över hela världen. En del har vi skaffat oss genom vårt samarbete med Princeton, University och University of Southern California. Andra har vi skaffat oss genom att köpa rätten att licensera Motrorolas patentportfölj för OLED-teknik.

Hans Sandberg

Drömmen om glasdatorn - Forskare vill bygga in datorn i skärmen (Januari 1992)

(Jag skrev den här artikeln vintern 1991-92 för facktidningen Datateknik.)

Tänk dig en fullkomligt platt PC, bara några millimeter tjock! En dator där hela systemet ryms i bildskärmen: mikroprocessorer, minne och nätaggregat. Omöjligt? Nej, vi är snart där, om vi får tro dr. Michael Ettenberg på Sarnoff Center, ett av USAs främsta privata forskningsinstitut.

Michael Ettenberg, vid Sarnoff Research Center i Princeton, NJ.
Foto: Hans Sandberg

Ettenberg är övertygad om, att det det går att tillverka helt platta datorer, som dessutom kommer att vara extremt billiga. Han är chef för Sarnoffs forskning om integrerade kretsar, halvledare och optoelektronik.

Datorerna blir redan plattare för var dag som går. Dataföretagen har till sin hjälp allt mer integrerade mikrochips, allt mindre hårddiskar, effektivare och lättare batterier, samt bättre LCD-skärmar. För Ettenberg är "glasdatorn," om vi i brist på bättre ord får kalla den så, en naturlig utväxt på dagens trender inom bildskärmstekniken.

Denna har hittills varit den svagaste länken i byggandet av lätta portföljdatorer och "notebooks." Vad hjälper en kraftig processor, om man inte utan ansträngning kan läsa vad som står på skärmen?

Här sker dock en snabb utveckling, ffa i Japan där man bemästrat tekniken för massproduktion av vätskekristallskärmar (LCD) med aktiva matriser (AM-LCD). De "gamla" LCD-skärmarna använde sig av två rader transistorer, en vågrät och en lodrät, för att sända ut elektriska pulser, vilka när de möttes slog på eller av en bildpunkt (en pixel) på skärmen. Aktiv-matris-skärmar har istället en transistor vid varje pixel. Det går åt runt en miljon transistorer för en färg-VGA-skärm. 

-Den stora förändringen, säger Ettenberg, är att man tar alla dessa drivkretsar och placerar ut dem på glaset, vid varje pixel. De blir dessutom allt mer sofistikerade.

En monokrom AM-LCD-skärm har en transistor per pixel, en färgskärm har tre, en för varje grundfärg.

Datorkretsar görs vanligen av kisel -- silicon. Övergången till AM-LCD-skärmar innebär att man ersätter ämnet kisel med glas. 

-När vi nu börjar fästa integrerade kretsar på glas, kan vi fråga oss varför vi överhuvudtaget har kopplingen till (separata) kiselkretsar, säger han. Om jag ändå måste ta fram IC-masker för LCD-skärmen, varför inte även göra en sådan mask för mikroprocessorn och minnet?

Dessa masker är detaljerade scheman, eller kartor, som linjerar upp hur kretsarna är integrerade på ett chips. Tillverkningen av kretsar sker genom att maskerna stegvis krymps i en fotolitografisk process, för att slutligen etsas in på ett kiselunderlag. Det säger sig självt, att det är synnerligen svårt att skapa en karta/mask, som på ett effektivt sätt vägleder elektronernas färd bland miljoner transistorer. Ju fler transistorer man kan klämma in per kvadratmillimeter, desto kraftfullare datorer kan man bygga (tack vare mer logik, mer minne och kortare färdsträcka elektronströmmen). Dagens mest avancerade integrerade kretsar har ett par tre miljoner transistorer på en yta mindre än en tumnagel.

Varje krets måste dock kommunicera med omvärlden, dvs med andra kretsar och ytterst med oss människor via bildskärmen (än så länge!). Datorns interna kommunikation mellan kretsarna och mellan kretsarna och andra delar i systemet går via kopparledningar, som sett ur ett elektroniskt perspektiv, är förfärande många och långa. Varje gång man kan eliminera koppartråd, genom att flytta över funktioner till centralprocessorn (CPU), vinner datorn i snabbhet, förutsatt att kretsen inte försinkas av sina nya uppgifter.

Om vi öppnar en portföljdators lock, där skärmen sitter, finner vi ett antal breda band, som rymmer hundratals tunna kopparledningar. Det är transportvägar för kommunikationen mellan skärmen och datorns CPU och grafikprocessorer.

-När vi placerar transistorerna direkt på glaset kan vi ta bort alla dessa koppartrådar. Därmed ökar vi även tillförlitligheten i förbindelserna, säger han.

Ettenberg säger att tekniken för att placera integrerade kretsar på glas idag befinner sig ungefär där kiseltekniken befann sig i mitten på 70-talet.

-Kom ihåg att utvecklingen mot mindre och mindre storlek (på "glaskretsarna") kan komma att gå snabbare, eftersom det är en teknik som kommit senare.

-Ingen har hittills placerat en mikroprocessor på glas och ingen har placerat minneskretsar på glas, men vi vet att det går, eftersom vi kan placera transistorer på glas, säger han.

-De skulle med dagens 5-mikron-teknik (dvs avståndet mellan två linjer på ett chips är 5/1000 mm, mot typiskt 1/1000 mm för kiselkretsar) bli ungefär fem gånger större än med kisel.

-Du skulle ändå t ex kunna placera en megabyte minne på glaset, t ex en "frame buffer" (en tillfällig "parkeringsplats" för de data som datorn behöver för att skapa bildskärmens text & bild). För närvarande arbetar mikroprocessorn hela tiden på att uppdatera bilden. Med en sådan "buffer" skulle den avlastas det bekymret.

-Bildskärmen skulle bli en enda stor integrerad krets, en IC i "notebook"-format, säger Ettenberg.

-Det är klart att en sådan mikroprocessor inte kommer att vara av samma kvalitet, i fråga om feature-size (dvs graden av förminskning av ett chips beståndsdelar) och hastighet, som en kiselkrets. Den kommer emellertid att bli mycket billigare, för nu kan vi tillverka systemet samtidigt med LCD-skärmen. På kort sikt tror jag att detta kan vara ett alternativ för lågprisdatorer, t ex för speldatorer.

-Du skulle kunna tillverka "notebook"-datorer, som kostade ett par hundra dollar, eller kanske t o m under hundralappen.

-Den låga kostnaden skulle öppna för fundamentala förändringar i det sätt på vilket vi använder datorer. Det skulle förändra vår värld. Vi skulle kunna ha intelligenta bildskärmar överallt, på kylskåpet som talar om vad du har i det, på garderobsdörren osv.

-Vi skulle kunna ha telefoner i form av små tunna glasplattor. Du kan ha datorer överallt, precis som de mycket enkla mikroprocessorer du nu har i din tvättmaskin. Men vi är inte där än. För även om det bör gå att stoppa in ett helt datorsystem i en glasskiva, återstår det bevisa detta och omsätta denna idé i massproduktion.

-Du måste kunna tillverka stora glasskivor, som är helt fria från defekter, säger Ettenberg.

Detta rör sig om en mycket dyr teknologi, vilket gör det svårt att tro sig att vi kommer att få se något ungt "garageföretag" ta fram de första helt platta datorerna.

-Det är för dyrt, säger han. Vi kan idag tillverka aktiv-matris-skärmar som är 6 gånger 8 tum i storlek, men för massproduktion behöver vi en fabrik, som kostar en halv miljard dollar. Det klarar vi inte utan en nationell satsning.

David Sarnoff Research Center har ett stort kunnande på detta område, eftersom man är djupt engagerat i bildskärmsforskning. Man driver t ex ett digitalt högskärpeprojekt (HDTV), för bl a franska Thomson. Man arbetar också tillsammans med Sun Microsystemes på en arbetsstation för multimedia, som innefattar mycket avancerade bildskärmar. Detta projekt finansieras av Pentagons forskningsgren, Darpa.

-Det finns fler som jobbar med detta i Japan, men den ledande teknologin finns här i USA, säger Ettenberg.

Trots det är chansen stor, att de första billiga glasdatorer kommer att komma från Japan.

-Det handlar om finansiering, säger han. Det finns idag ingen stor tillverkare av LCD-skärmar i USA och vi har ingen stor satsning på att driva forskningen framåt på detta område.

Bush-regeringen var kallsinnig till federala satsningar på strategiska nyckeltekniker, som inte var exklusivt militära. Bill Clinton och hans vicepresident Al Gore Jr., har inga sådana restriktioner, men deras förmåga att pumpa in pengar i avancerad bildskärmsteknik är begränsade pga budgetunderskottet.

Möjligen skulle storföretag som AT&T/NCR och IBM kunna investera i uppbygget av know-how och produktionsanläggningar. Fast frågan är om det inte redan är för sent. För närvarande pågår inga sådana projektka Toshiba om bildskärmsutveckling skulle kunna tolkas i den riktningen.