211service.com
Nanotech på display
I Samsung Advanced Institute of Technology, syd for Seoul, Sydkorea, afspiller det, der på afstand ligner et almindeligt 38-tommer fjernsyn, en endeløs løkke af reklamer for James Bond-film. Ligesom de displays, der bliver mere og mere almindelige i amerikanske hjem, er det et stort, fladt rektangel af farve og bevægelse i en højteknologisk plastramme. Men i modsætning til billederne på et almindeligt tv, er billederne på denne laboratoriemodel genereret af et lag af kulstofnanorør, der skyder elektroner mod en fosforskærm som så mange små kanonkugler. Rundt om i verden er fjernsynsskærme emblemer på klam husholdning. Men denne er i forkant med morgendagens nanoteknologiske revolution: Det kan være det første kommercielle produkt, der bringer elektronik i nanoskala ind i middelklassens hjem.
Forskere over hele verden ræser om at perfektionere denne nye type skærm, som burde være lysere, skarpere og mindre strømkrævende end nuværende fladskærms-tv. For øjeblikket ser det dog ud til, at Samsung-instituttet har føringen. Det er dem, der skal slås, siger Yahachi Saito, ledende forsker i en rivaliserende gruppe ved Nagoya Universitet i Japan. De har rykket sig meget hurtigt.
Denne historie var en del af vores november 2004-udgave
- Se resten af problemet
- Abonner
Samsung og sydkoreanske teknologivirksomheder generelt er sjældent opfattet som de førende udviklere af hotte nye teknologier. Dette er dog en stereotype, som virksomheden er fast besluttet på at ændre. Vi er stadig identificeret, korrekt, med lavprisfremstilling, siger Young Joon Gil, teknologichef ved Samsung-instituttet. Men efterhånden som konkurrenter dukker op fra Kina og andre østasiatiske lande, siger han, skal Samsung gradvist gå over til højprofit- og højrisiko-innovation for at overleve.
Nanoteknologi er den vigtigste af de risikable discipliner, som virksomheden håber at kunne finde nye produkter, og nanorør-tv-skærmene er dens første frugter. Kendt som feltemissionsskærme, bør de være i butikkerne, siger Young ved udgangen af 2006, komfortabelt foran konkurrenterne.
At møde den forudsigelse bliver ikke let. Blot at tage feltemissionsskærme fra laboratoriet til detailgulvet vil kræve løsning af en lang række svære tekniske problemer. Desuden bliver de nuværende fladskærme, baseret på flydende krystal- og plasmateknologi, konstant bedre og billigere, hvilket betyder, at nanoteknologiske forskere bliver nødt til at arbejde hårdere bare for at følge med. Selv succes ville skabe sit eget sæt af problemer, eftersom Samsung – en af verdens førende producenter af flydende krystal- og plasmaskærme, såvel som almindelige katodestrålerør-tv – vil konkurrere mod sig selv.
Nanotech-skærme er således både et varsel om en kommende teknologisk revolution og et eksempel på, hvordan en stor elektronikvirksomhed – med lukrative, etablerede markeder at beskytte – forsøger at styre og begrænse den revolution. Vi tror på, at vi skal mestre dette felt for at vokse, siger Young. Men samtidig kan vi ikke lade det ødelægge vores virksomhed. Vi skal holde meget øje med det.
Skydning for fremtiden
Felt-emissionsskærme er en gammel idé, der pludselig blev mere attraktiv i 1991, da Sumio Iijima, en elektron-mikroskopspecialist ved NEC Research i Tsukuba, Japan, opdagede, at kulstofmolekyler kunne forbindes til lange, tynde cylindre, der senere blev kaldt nanorør. (Nano, ligesom nano i nanoteknologi, kommer fra nanometer, en milliardtedel af en meter.) Rørene var som bittesmå plader af kulstofmolekyler, der var blevet rullet op til cylindre, der var en ti tusindedel af bredden af et menneskehår. Forskere lærte hurtigt, at disse usædvanlige strukturer havde et væld af interessante egenskaber, herunder stor styrke og høj elektrisk og termisk ledningsevne.
Men det, der tiltrak Saito, Nagoya-forskeren, til kulstofnanorør var muligheden for, at de kunne fungere som elektronkanoner. Anbragt i et korrekt afstemt elektrisk felt, sagde teoretiske fysikere, skulle de små rør skyde elektroner ud som slanger, der udsender vandstrømme. Mange materialer udsender elektroner, når der påføres tilstrækkelig spænding; Forskellen, sagde fysikerne, er, at nanorør faktisk skulle accelerere partiklerne langs deres længder, hvilket ville give dem mulighed for at udsende elektroner med tilstrækkelig energi til at aktivere fosfor i felter med meget lav spænding. Saito, nu professor i kvanteteknik, demonstrerede først offentligt denne effekt i 1998. I samarbejde med Noritake, et stort Nagoya keramik- og elektronikfirma, samlede han en lille række af nanorør, der skød elektroner ind i en fosforskærm og skabte et skarpt lys.
Saitos eksperimenter havde et åbenlyst kommercielt mål: verdensmarkedet for tv-apparater til 61 milliarder dollars om året. Katodestrålerørene inde i traditionelle tv'er har ikke ændret sig meget, siden de blev opfundet i 1920'erne - i skarp kontrast til næsten alle andre elektroniske forbrugerudstyr. De skyder elektroner fra spidserne af ledninger ind på fosforskærme og skaber mønstre af lysende prikker, som det menneskelige øje fortolker som levende billeder. Katodestrålerør er i sagens natur omfangsrige, fordi elektronkanonen skal læne sig langt nok tilbage til at ramme hele skærmen. Som et resultat er billedrøret i en typisk hjemmebiografskærm et massivt objekt, der næsten fylder et rum; producenterne mener, at enhederne ville være mere populære, hvis de var mere håndterbare.
For at lave tyndere, lettere storskærms-tv'er har producenterne vendt sig til plasma- og flydende krystalskærme, men disse har deres egne ulemper, begyndende med deres høje pris (se Screen Test, s. 65). Plasmaskærme, for eksempel, er sårbare over for indbrænding, hvor ubevægelige billeder, hvis de vises for længe, bliver svedet permanent ind i glasset. De bruger også så meget som 700 watt strøm, nok til at få nogle kritikere til at bekymre sig om de miljømæssige konsekvenser, hvis skærmene blev bredt udbredt. I LCD'er skifter pixels i mellemtiden relativt langsomt fra en farve til en anden, hvilket får billeder i hurtig bevægelse til at udtvære eller efterlade spøgelser, da cellerne ikke kan følge med handlingen.
Markemissionsskærme vil i teorien løse mange af disse problemer. De er ikke sårbare over for indbrænding, og de bruger meget mindre strøm. Samtidig kan pixels i et feltemissionsdisplay tænde og slukke hurtigere end dem i et flydende krystaldisplay, hvilket betyder, at billeder i hurtig bevægelse ikke udtværes. Og disse billeder kan ses fra enhver vinkel, mens flydende krystaller kræver, at seerne er direkte foran skærmen.
Men at få kulstofnanorør til at skyde elektroner mod en skærm i et egentligt forbruger-tv vil kræve snesevis af innovationer på flere områder – den slags indsats, der ofte bedst koordineres af meget store virksomheder. Faktisk, på det tidspunkt, hvor Saito producerede sin første feltemissionsskærm, lærte han, at han stod over for konkurrence fra et usandsynligt sted: Sydkorea.
S C R OG OG N T OG S T | ||||
Katodestrålerør har domineret tv-skærmteknologi i næsten 70 år, men i dag er de låst i et fire-vejs kapløb om fremtidens hjemmeunderholdning. | ||||
CATHODE RAY RØR | DISPLAY MED VÆSENDE KRYSTAL | PLASMA-DISPLAY | FELTEMISSIONSDISPLAY | |
HVORDAN DE ARBEJDER | En elektronstråle styret af magnetiske felter rammer fosfor på en glasskærm | Polariseret lys skinner gennem flydende krystal-porte, der styrer pixels farve og intensitet | En elektrisk puls udløser et udbrud af ioniseret gas i hver pixel, som om det var et lille neonskilt | Carbon nanorør limet til et substrat skyder elektroner mod fosfor på en glasskærm |
STÆRKE PUNKTER | Pålidelig | Tynd | Tynd | Tynd |
SVAGE PUNKTER | Elektronpistolen skal sidde langt bag skærmen, hvilket gør rør voluminøse og tunge | Seeren skal placeres direkte foran skærmen | Højt strømforbrug | Uløste tekniske problemer, såsom at opretholde et vakuum mellem underlag og glas |
Ud over Sweatshop
Syd for Seoul viger hovedstadens byer for frodige, bølgende, lave bakker med kontorparker, som ikke ville være malplacerede i en forstad til San Francisco eller Boston. I det planlagte samfund Kiheung huser et særligt stort kompleks - et sæt af fire lave, parallelle strukturer gennemskåret af en central korridor - Samsung Advanced Institute of Technology, sandsynligvis Koreas førende private forskningscenter.
Instituttet er i høj grad visionen for Samsung-formand Lee Kun Hee, som etablerede det kort efter, at han overtog virksomhedens roret i 1987. Samsung er en af Sydkoreas chaebol, de gigantiske familiekontrollerede holdingselskaber, der stadig dominerer nationens økonomi. På tidspunktet for Lees tiltrædelse var det, som de fleste koreanske elektronikvirksomheder, et eksempel på, hvad der nogle gange afvisende omtales som sweatshop-elektronik - at udnytte landets lave lønninger til at underbyde producenter i rigere områder. Det solgte de fleste af sine produkter som varer til bedre kendte virksomheder, mange af dem i det nærliggende Japan, som stak dem i kasser og slog deres egne navne på dem.
Lee, den tredje søn af Samsungs grundlægger, hævdede, at virksomhedens - og Koreas - voksende succes uundgåeligt ville tiltrække konkurrence fra endnu lavere lønninger, især Kina. Samsung, sagde han, ville være nødt til at gå ind i nye virksomheder for at overleve; Skift alt undtagen din kone og børn! var hans samlingsråb. I praksis betød det, at man koncentrerede sig om high-end produkter med højere profit. Samsung skulle blive et mærkenavn, et symbol på kvalitet som Sony eller Honda.
Til det formål, hævdede Lee, ville Samsung være nødt til at innovere, hvilket igen betød drastisk at øge sin forsknings- og udviklingsindsats. Samsung Advanced Institute of Technology var det logiske resultat. Langsomt, men konstant udvidet siden dets oprettelse, beskæftiger laboratoriet nu 950 medarbejdere, hvoraf omkring en fjerdedel arbejder med Samsungs kerneforretning med halvledere (virksomheden er verdens største producent af hukommelseschips med tilfældig adgang). Ifølge virksomhedens repræsentant Lee Hyunji samarbejder institutforskere med omkring 120 universiteter og forskningscentre i 15 lande.
Samsung sælger nu banebrydende produkter, fra supertynde DVD-afspillere til videospilchips. Det er blevet verdens tredjestørste mobiltelefonproducent med en vildt populær premium-linje af håndsæt med skarpe farveskærme. På en liste over de mest beundrede elektronikvirksomheder i 2003 rangerede Fortune magazine Samsung som nummer fire i verden. Samsung brugte 2,9 milliarder dollars på forskning og udvikling i 2003; Bruttosalget det år for Samsung-koncernen som helhed steg næsten 11 procent fra 2002 til omkring 55 milliarder dollars.
Påfyldning af vakuum
Emissionsskærme i marken eksemplificerer det næste skridt, Samsung søger at tage i sin virksomhedstransformation fra en højteknologisk konkurrent til en industrileder. Displayteknologi er enormt kompleks til at begynde med, siger Kim Jong Min, vicepræsident og direktør for materialelaboratoriet på instituttet. Og brugen af nanorør tilføjer det enormt, både på grund af de uundgåelige problemer, der altid kommer af at udforske et ukendt område, og det faktum, at der her ikke er nogen model at følge. Ifølge Kim er nanorør-baserede feltemissionsskærme så komplekse, at ingen enkelt virksomhed kan udvikle dem af sig selv. Som følge heraf opdeler forskere over hele verden teknologien i dens komponenter og tildeler uformelt forskellige grupper til at arbejde med hver enkelt. Samsung har for eksempel ikke planer om at lave sine egne nanorør, undtagen til forskningsformål. I stedet vil det købe dem i pulverform fra Carbon Nanotechnologies, et Houston-baseret firma med et betydeligt arsenal af patenter på området. Et gram kulstof nanorørpulver, nok til at lave et halvt dusin 40-tommer skærme, kostede 100 $ sidste år, siger Kim, men vil sælge for mindre end 10 $ om to år. Det er en konkurrence, vi ikke deltager i.
På samme måde har Samsung ikke til hensigt at fokusere på limen, der klæber de små rør til deres glasagtige base, hvilket i sig selv er en klæbrig teknologisk udfordring. Virksomheden arbejder sammen med DuPont om at finde på et klæbemiddel, der er tyndt nok til at sprede sig, stærkt nok til at holde de ultratynde rør ved deres ender, elastisk nok til at bevare sit greb på trods af uundgåelig udvidelse og sammentrækning fra varme, og let nok til at fjerne det fra producenterne. kan rense omstrejfende klæbemiddel fra toppen af nanorørene, så de kan sprøjte elektroner ud.
Virksomheden forsøger heller ikke at opnå en fordel ved at udvikle de fysiske komponenter i selve skærmen – afstandsstykkerne, der holder skærmens øverste og nederste ark fra hinanden, højvakuum-emballagen, driverkredsløbet og andre standard-feltemissionskomponenter og materialer. I stedet har den tilsluttet sig et konsortium af mere end et halvt dusin europæiske virksomheder og universiteter, der er oprettet specifikt for at tackle disse problemer, og har indarbejdet gruppens tidlige resultater i den 38-tommer skærm, der nu viser Pierce Brosnans Bond-blå øjne.
Uddelegering af disse aspekter af feltemissionsskærmdesign giver stadig masser for Samsung at arbejde på, begyndende med selve glasset. Nanorørene skal skyde deres elektroner hen over et vakuum; ellers ville de blive absorberet eller afbøjet af luftmolekyler. Alligevel er det vanskeligt at lave, hvad der svarer til et meget bredt, arklignende vakuumkammer, fordi lufttrykket over et stort område vil have tendens til at knuse de to sider af skærmen sammen. Det oplagte svar er at sætte en støttesøjle i midten af skærmen. Men så, forklarer Saito, ser man støtten i midten af billedet.
Lige så problematisk er den termiske udvidelse og sammentrækning af skærmen efter hans mening. Når nanorørene udsender elektroner, bliver skærmen varmere, og alle dens materialer udvider sig; når elektronstrålen er slukket, krymper de. Problemet er, hvordan man imødekommer udvidelsen, siger Saito. Hans team skulle finde materialer, hvis termiske udvidelseskoefficient var den samme som glas, så hele skærmen ville udvide sig og trække sig sammen.
Præcis hvordan Samsung har trukket alle disse brikker sammen, er vores hemmelighed, siger Kim. Det er det, vi gør: Vi er en virksomhed, der laver enheder. Men nøglen til Samsungs beslutning om at fokusere på feltemissionsskærme, indrømmer han, er det heldige faktum, at de kan tolerere unøjagtighed. Med den nuværende teknologi er det en upræcis proces at justere nanorørene på tværs af skærmens bagside. Rørene peger i et virvar af forskellige retninger, og de fleste er for knækkede eller bøjede til at udsende elektroner med succes. Heldigvis er nanorør små: omkring 10.000 dækker hver pixel på skærmen. Som et resultat, siger Kim, forventer vi, at kun 30 til 50 procent af dem vil virke, men vi behøver kun 30 til 50 procent for at lyse op i pixlen og bedrage det menneskelige øje.
Samsung er tilfredse nok med resultatet til at tillade en journalist fra Technology Review at være den første ikke-koreanske reporter til at besøge Advanced Institute of Technology. Når han går gennem instituttets labyrint af små fluorescerende-belyste laboratorier, hver med sin samling af hvidcoatede forskere og glødende computerskærme, siger Kim, at skærmen forbruger omkring 100 watt, cirka en tredjedel af den strøm, der kræves til en gennemsnitlig plasmaskærm af sammenlignelig størrelse. Det er lige for nu, tilføjer han. Bare to millimeter tykt er skærmens glas tyndt nok til at gøre skærmen slankere end noget andet på markedet.
Da Kim ankom til udstillingen, introducerer Kim den med en stolt forælders let angst, der håber, at fremmede vil værdsætte hans afkoms særlige egenskaber. Billedet er lige så skarpt som dem, der produceres af traditionelle high-definition billedrør med lignende skærmstørrelser, selvom skærmen har flere små tomme pletter. (Prototypevanskeligheder, forklarer Kim.) Forespurgt om teknologien næsten er klar til markedet, kigger forskerne i rummet usikkert på hinanden. Samsung, siger Kim endelig, er lige begyndt at arbejde på den virkelige udfordring i at bringe nanoteknologi til verden: at gøre produktet overkommeligt. De økonomiske problemer, siger han, er meget, meget sværere end de teknologiske.
Heldige $7
Samsung er ikke alene. To timer væk i Japan førte Saitos succes - og frygt for at blive formørket af Korea - regeringens organisation for udvikling af nye energi- og industriteknologier til at etablere et 2,5-årigt nationalt projekt på 37 millioner dollars for at nedbryde feltemissionsskærme. Projektet blev lanceret i 2003 og har fire hoveddeltagere: Hitachi; Asahi glas; et Nagoya University-Noritake samarbejde instrueret af Saito; og en fælles indsats af Mitsubishi, Kyoto University, Osaka University og Osaka Prefecture University. Koreanerne er stadig foran os, siger Saito. Men vi arbejder hårdt på at indhente det.
Det samme er et dusin andre virksomheder i Japan, Europa og USA. Det antages generelt, at lederne er Noritake, Mitsubishi, Motorola og det franske atomenergikommissariats laboratorium for elektronik og informationsteknologi i Grenoble. Motorola demonstrerede en lille prototype i 2002; sidste år demonstrerede det franske laboratorium flere, og det samme gjorde en lille hemmelighedsfuld Silicon Valley-startup, cDream.
Nanoteknologi beskrives ofte som en teknologi med potentiale til at kæntre den etablerede orden. I en teori, der ofte udråbes af forretningskonsulenter, er det usandsynligt, at en industris største etablerede virksomheder udvikler sådanne teknologier af to grunde: For det første er de mindre rentable i deres indledende faser, og for det andet har de potentialet til at underminere eksisterende produkter. Til sidst udvikler en lille startup teknologien ved at bruge sin skarpe teknologiske kant til at overvælde konkurrencen og i sidste ende ryste etablissementet.
Hvorvidt feltemissionsskærme passer til denne model, er endnu uvist. Nanorør har åbenlyse teknologiske fordele på papiret, men på markedet er de langt fra overvældende. Lige nu sælges 42-tommer plasmaskærme typisk for $2.500 til $3.500; store flydende krystalskærme spænder fra omkring $5.500 til $7.000. Men prisen på begge teknologier styrtdykker. Fremstillingsomkostningerne pr. diagonal tomme af plasmaskærme vil være omkring $9 i 2005 og 2006, siger Kim. Men fordi vi har opstartsomkostninger, er vi nødt til at slå det med en betydelig margin – 7 USD pr. diagonal tomme, for eksempel.
Heldigvis for Samsung svarer produktionsmetoderne til feltemissionsskærme nok til dem for plasmaskærme, at de kan bruge et af dets nuværende fabrikationsanlæg til at bygge enhederne og undgå de faste omkostninger ved en dyr ny fabrik. Men hvis plasmaskærme bliver ved med at blive billigere, siger Kim, vil vi miste vores mulighed, og feltemissionsskærme vil ikke erstatte dem. Og selv hvis Samsung når det magiske $7-tal, siger han, for at forblive konkurrencedygtig, bliver det nødt til at skyde forbi det, til måske $5 pr. tomme. Nanoteknologi kan være en forstyrrende teknologi til skærme, siger Kim. Men de konventionelle metoder kan forstyrre det tilbage.
Det kan de faktisk. I juli annoncerede Samsung SDI, virksomhedens skærmdatterselskab, at det næste år vil introducere en standard CRT til en 32-tommer tv-skærm, der kun er 14 tommer dyb, halvdelen af dybden af eksisterende billedrør. Fjernsyn med det nye Vixlim-rør, lovede virksomheden, vil krympe fra to fod i dybden til 15 tommer; de vil også have billeder af bedre kvalitet end enten plasma- eller flydende krystaller og være op til en tredjedel billigere. Ved udgangen af 2005 forudser Samsung SDI, at de nye rør vil være i alle de store standard-tv, den fremstiller. Standard billedrør vil ifølge virksomhedens repræsentant Lee gå ind i en ny boomperiode.
Adspurgt om den nye Samsung CRT udsender Kim et hånt støn. De er meget dygtige forskere, siger han. Hvis feltemissionsskærme koster tre gange så meget som CRT'er og kun er noget tyndere, erkender han, vil ingen købe dem. Alligevel mener han, at ved at dække sine indsatser, vil virksomheden som helhed vinde. Det samme vil forbrugeren, som vil nyde støt faldende priser. Efter Kims opfattelse vil feltemissionsskærme i sidste ende sejre og blive forkanten af en kommende bølge af nanoteknologiske produkter. Men kapløbet vil være meget tættere, end de efterfølgende forretningshistorier vil gøre det til.