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Nanodrähte für Displays
Forscher der University of Illinois in Urbana Champaign haben ein einfaches Verfahren entwickelt, um aufrecht stehende Kupfer-Nanodrähte auf verschiedenen Oberflächen zu züchten. Die Nanodraht-Arrays könnten in Feldemissions-Displays Verwendung finden, einer neuen Art von Display-Technologie, die hellere, lebendigere Bilder als bestehende Flachbildschirme verspricht. In einer solchen Anwendung würden die Nanodrähte verwendet, um Elektronen auf Phosphorpartikel auf einem Bildschirm abzufeuern und diese zum Leuchten zu bringen.
Klein und scharf: Eine Anordnung aufrechter Kupfer-Nanodrähte mit fünfeckigen Spitzen könnte als Elektronenemitter in Feldemissionsdisplays dienen. Die Emitter feuern Elektronen auf farbige Leuchtstoffpartikel auf einem Glasschirm und zünden sie an, um Bilder zu erzeugen. Das untere Bild zeigt einen Prototyp, der von Forschern der University of Illinois in Urbana-Champaign hergestellt wurde.
Das neue Herstellungsverfahren, entwickelt von Kyekyoon Kim und Hyungsoo Choi , führt zu Kupfer-Nanodrähten zwischen 70 Nanometern und 250 Nanometern Breite. Mit dem Verfahren können die Forscher die Nanodrähte auf verschiedenen Oberflächen wachsen lassen, darunter Silizium, Glas, Metall und Kunststoff. Sie beschreiben das Nanodraht-Array und demonstrieren einen Prototyp einer Feldemissionsanzeige in einem Online-Artikel zu Advanced Materials.
Vertikale Arrays aus Metallnanodrähten versprechen neben Elektronenemittern in Feldemissionsdisplays (FEDs) auch chemische und biologische Sensoren. Aber die Schwierigkeit, gut definierte Arrays zu züchten, hat diese Technologien in Schach gehalten, sagt Yugang Sun, ein Wissenschaftler am Argonne National Laboratory Zentrum für Nanoskalige Materialien . Die Kontrolle des vertikalen Wachstums von Nanodrähten beinhaltet typischerweise das Wachsen in einer Schablone, die aus einem anderen Material besteht. Das Anfertigen und anschließende Abwaschen der Schablone ist zeitaufwändig. Darüber hinaus beinhalten viele dieser Verfahren das Übertragen der Nanodrähte auf die gewünschte Oberfläche.
Die neue Methode erfordert keine Vorlage. Die Forscher verwenden eine gängige Synthesemethode namens Chemical Vapour Deposition. Sie setzen das Substrat bei 200 bis 300 Grad Celsius den Dämpfen einer speziell hergestellten kupferhaltigen Verbindung aus. Die resultierenden Kupfer-Nanodrähte, die auf dem Substrat wachsen, sind fünfseitig mit einer scharfen fünfeckigen Spitze. Die Herausforderung besteht darin, einen Vorläufer und geeignete Bedingungen zu entwickeln und zu synthetisieren, unter denen schöne Drähte wachsen werden, sagt Kim.
Die Kupfer-Nanodrähte eignen sich für den Einsatz in FEDs, da sie einheitlich sind und eine sehr spitze Spitze haben. Je kleiner die Spitzengröße, desto stärker das elektrische Feld, sagt Kim. Deshalb werden sie selbst bei einer sehr kleinen Spannung ... zu sehr effizienten Elektronenemittern. Die Nanodrähte emittieren Elektronen bei niedrigen Spannungen von 100 Volt, anders als der Wolframfaden, der in herkömmlichen, sperrigen Kathodenstrahlröhrenfernsehern (CRTs) verwendet wird, die viele Kilovolt benötigen.
Feldemissionsdisplays versprechen, weniger Strom zu verbrauchen als Plasmabildschirme und Flüssigkristalldisplays, während sie die Helligkeit und Schärfe einer CRT beibehalten. Sie funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie CRTs, sind aber nur wenige Millimeter dick. Anstatt eine einzelne Elektronenkanone zu verwenden, verwenden sie Millionen winziger Elektronenemitter, um Elektronen auf rote, grüne und blaue Leuchtstoffe zu schießen, die auf einem Bildschirm beschichtet sind.
Unternehmen wie Sony und Motorola haben vor etwa 10 Jahren versucht, Displays mit Feldemission zu kommerzialisieren. Diese Displays verwendeten mikrometergroße Metallspitzen als Elektronenemitter. Aber die Spitzen erforderten hohe Spannungen und konnten nicht auf großen Flächen hergestellt werden. Einige Hersteller lenkten daraufhin die Aufmerksamkeit auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Sowohl Samsung als auch Motorola haben eine auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen basierende FED-Technologie entwickelt (siehe Nanotech on Display und High-Definition-Carbon-Nanotube-Fernseher). Feldemissionstechnologien , ein Spin-off von Sony, geht einen anderen Weg. Sie verwenden Metall-Nanospitzen als Emitter. Das Unternehmen plant, im Jahr 2009 professionelle FED-Videomonitore auf Basis dieser Technologie auszuliefern.
Aber all diese Displays sind teuer und noch nicht reif für den kommerziellen TV-Markt. Der Grund dafür ist sowohl wirtschaftlich als auch technisch, sagt David Barnes , Analyst bei DisplaySearch, einem Beratungsunternehmen in Austin, TX. Eine der wichtigsten technologischen Barrieren besteht darin, ein Vakuum zwischen den Elektronenemittern und dem phosphorbeschichteten Glas zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Die Emitter können sich aufgrund der extrem hohen Energien, die sich an ihren Spitzen bilden, auch im Laufe der Zeit abbauen. Die Aufrechterhaltung des Vakuums und der Emitter für die 10-jährige Lebensdauer eines Fernsehers ist eine Herausforderung.
Feldemissionsdisplays, die Kupfer-Nanodrähte verwenden, werden mit denselben Problemen konfrontiert sein. Allerdings, sagt Barnes, könnte Kupfer etwas robuster sein.
Chris Chinock, Gründer und Präsident von Insight-Medien , ein Beratungsunternehmen mit Sitz in Norwalk, CT, das sich auf die Displayindustrie konzentriert, bezeichnet die neue Entwicklung als vielversprechendes Forschungsergebnis, obwohl es noch zu früh ist, um es auf unserem Radar zu sehen. Er weist darauf hin, dass die Nanodrähte dünner als 70 bis 250 Nanometer sein müssen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Metall-Nanospitzen sind nur wenige Nanometer groß, was zu 10.000 oder mehr Emittern pro Pixel führt. Auch wenn die Hälfte davon nicht funktioniert, sind es immer noch genug, um die Pixel zum Leuchten zu bringen.
Während die Industrie nicht erwartet, dass kommerzielle FED-Displays in absehbarer Zeit erscheinen, sagt Barnes, dass mehr Forschung zu verschiedenen neuen Technologien gerechtfertigt ist. Wenn Leute Laborprototypen gemacht haben, ist das ziemlich überzeugend, sagt er. Es gibt diese helle Lebendigkeit, die Sie erhalten würden, wenn Sie eine traditionelle CRT sehen.