Teksti Markku Leskelä
Eräs jakso suomalaista innovaatiohistoriaa päättyi, kun EL-näyttöjen valmistus lopetettiin viime vuoden lopulla. ”50-vuotinen panostus EL-näyttöjen tutkimukseen ei mennyt hukkaan, sillä se oli merkittävästi vaikuttamassa ALD-menetelmän kehittymiseen”, huomauttaa kirjeenvaihtajamme, emeritusprofessori Markku Leskelä.
Tänä vuonna on tullut kuluneeksi tasan 50 vuotta eräästä merkittävästä suomalaisesta keksinnöstä. Suomalainen fyysikko ja tekniikan tohtori Tuomo Suntola patentoi atomikerrosepitaksia (ALE) -menetelmän elektroluminoivien ohutkalvonäyttöjen valmistamiseen syksyllä 1974. Nykyisin menetelmä tunnetaan paremmin nimellä atomikerroskasvatus, ALD.
1970-luvulla epäorgaanisiin materiaaleihin perustuvat litteät ohutkalvonäytöt olivat houkutteleva tutkimuskohde. Ideana on, että valo saadaan näytöistä sähkökentällä, ja näytön rakenne on yksinkertainen:
Keskellä on ohut luminoiva kalvo ja sen molemmilla puolilla eristekalvot. Lisäksi tarvitaan eristeiden molemmin puolin kapeat ristikkäiset johteet.
Ohutkalvorakenne kasvatetaan lasin päälle, joten toisen johteen on oltava läpinäkyvä. Kun johteiden risteyskohtaan johdetaan jännite, valopikseli syttyy. Tällainen näyttö on erittäin robusti eli kestävä, koska se sisältää erittäin stabiileja ja lämpöä kestäviä epäorgaanisia materiaaleja, eikä lainkaan liikkuvia osia.
Ohutkalvorakenteen ongelmana oli se, että vaadittava sähköjännite on aika korkea ja siksi kalvojen pitää olla reiättömiä. Pienetkin reiät aiheuttavat läpilyöntejä.
Suntolan idea oli kehittää menetelmä, jolla tuottaa reiättömiä ohuita kalvoja. Hän keksi, että kaasumaisia lähdeaineita voisi syöttää vuorotellen kasvatettavalla pinnalle. Pinta kyllästetään ensin yhdellä lähdeaineella ja huuhdotaan. Sitten syötetään toinen lähdeaine, jonka annetaan reagoida ensimmäisen lähtöaineen kanssa ja kaasumaiset reaktiotuotteet huuhdellaan pois.
Kasvu tapahtuu pinnan itsekontrollin avulla ja jokaisella kasvatussyklillä pintaan jää aina sama määrä ainetta. Kalvon paksuutta voidaan helposti säätää kasvatussyklien määrää säätämällä eikä menetelmä ole riippuvainen kasvatettavan pinnan koosta tai muodosta.
Liike-elämästä yliopistomaailmaan
Elektroluminoivissa näytöissä paras luminoiva materiaali on mangaanilla seostettu sinkkisulfidi (ZnS:Mn), joka emittoi keltaista valoa. Eristemateriaalina toimii alumiinioksidikalvo tai alumiini-titaanioksidi-monikerroskalvo. Läpinäkyvä johde on indium-tinaoksidi, ITO.
Kesti vuosia kehittää ALE-prosesseja ja reaktoreita siihen pisteeseen, että laajamittainen näyttöjen tuotanto voitiin aloittaa. Lohja Elektroniikka käynnisti tuotannon vuonna 1983. Myös näyttöjen ohjauselektroniikan kehittäminen oli vaativaa.
Kun siinä onnistuttiin, perustettiin Elcoteq Oy, josta kehittyi suuri kuluttajaelektroniikan valmistaja.
1970-luvulla EL-näyttöjen, ALE-prosessien ja -reaktoreiden kehittäminen tapahtui Lohja Elektroniikka yrityksen sisällä. Sen jälkeen yritys käynnisti tutkimusyhteistyön teknillisten korkeakoulujen kanssa.
Prosesseista tehtiin diplomitöitä, ja jo 1980-luvun alkupuolella ohutkalvojen ja näyttöjen karakterisointien tutkiminen johti fysiikan alan väitöskirjoihin.
Teknillisen korkeakoulun kemian osastolla ALE-tutkimus käynnistyi vuonna 1981. Ensimmäinen Suomen Akatemian rahoittama tutkimusprojekti väri-EL-näyttöjen kehittämiseksi alkoi vuonna 1984.
Sinisen värin kanssa tehtiin eniten töitä.
EL-näytöt haluttiin saada laajamittaiseen käyttöön. Tiedossa oli, että tarvittaisiin täysvärinäyttöjä, ja niihin sinistä, vihreää ja punaista väriä emittoivaa loisteainekalvoa.
Tätä väritutkimusta jatkettiin yli 15 vuoden ajan sekä TKK:lla, VTT:llä että 1990 lähtien Helsingin yliopistossa. Rahoittajana oli useimmin Teknologian kehittämiskeskus TEKES yhdessä teollisuuden kanssa.
Tutkimus oli mukana Suomen Akatemian hankkeissa ja myös yhdessä Ranskasta koordinoidussa EU-projektissa. Vuosina 1994–1998 Helsingin yliopisto oli mukana amerikkalaisessa Phosphor Technology -huippuyksikössä, jossa tutkittiin litteitä näyttöjä. Tutkimuksen pääpaino oli kenttäemissionäytöissä, mutta myös EL-näytöt olivat mukana tutkimuksessa.
Miten värit sitten syntyvät?
ZnS:Mn emittoi tehokkaasti leveällä spektrillä ja suodattamalla siitä saadaan punaista ja vihreää väriä. Tämä tekee mahdolliseksi monivärinäytön.
Jotta kaikki värit saadaan toistettua televisioissa ja tietokoneiden näyttöruuduilla, täysvärinäyttö vaatii syvän sinisen väriaineen. Suodattaminen vie kirkkaudesta suuren osan, joten myös tehokas vihreä ja punainen loisteaine olisivat hyödyllisiä.
Paras löydetty vihreä loisteaine oli terbiumilla seostettu sinkkisulfidi ja punainen europiumilla seostettu kalsiumsulfidi. ZnS:Tb pystyi kilpailemaan suodatetun ZnS:Mn kanssa, mutta CaS:Eu oli vain värisävyltään parempi kuin suodatettu ZnS:Mn – sen valoteho ja kestävyys jäivät selvästi huonommaksi.
Sinisen värin kanssa tehtiin eniten töitä. Parhaiten toimi ceriumilla seostettu strontiumsulfidi. Sen ongelmana oli vihertävä värisävy ja voimakas ikääntyminen. Väriltään parempia sinisiä olivat lyijyllä seostettu kalsiumsulfidi, kuparilla seostettu strontiumsulfidi sekä ceriumilla seostettu kalsiumtiogallaatti.
Valohyötysuhde näissä materiaaleissa oli vain 5–10 prosenttia ZnS:Mn hyötysuhteesta. Lisäksi kaikkia maa-alkalisulfideja vaivaa niiden reaktiivisuus, joka näkyy valotehon laskuna ajan funktiona.
Suomessa käytettiin ALD-menetelmää ohutkalvojen tekoon, muualla lähinnä höyrystystä.
Suomi edelläkävijänä
Kelta-musta-EL-näyttöjä valmistettiin teollisesti USAssa, Japanissa ja Suomessa. Tutkimus oli vilkasta myös Etelä-Koreassa ja Saksassa.
Vain Suomessa käytettiin ALD-menetelmää ohutkalvojen tekoon, muualla käytettiin lähinnä höyrystystä. ALD-menetelmällä tehtyjen näyttöjen laatu oli parempi kuin muilla menetelmillä tehtyjen.
Amerikkalainen EL-näyttöjen valmistaja Planar International osti Lohja Elektroniikalta Suomen toiminnot 1991 ja jatkoi toimintaa vuoteen 2012 saakka. Tämän jälkeen EL-näyttöjen valmistus siirtyi Beneq Oy:lle, joka oli jo vuodesta 2005 lähtien valmistanut ALD-reaktoreita.
Beneq erotti myöhemmin näyttöjen valmistuksen omaksi Lumineq-yhtiöksi, joka perinteisten EL-näyttöjen rinnalla tutki ja valmisti läpinäkyviä EL-näyttöjä erityisesti erilaisten kulkuvälineiden käyttöön.
Epäorgaaniset EL-näytöt eivät koskaan päässeet massamarkkinoille televisioiden ja tietokoneiden näytöiksi. Suurin este oli sinisen värin puute, ja toisena haittana oli näyttöjen vaatima suuri jännite (> 150 V).
Pitkä tutkimus- ja kehityspanostus ei mennyt hukkaan.
Kilpailevia litteitä näyttötekniikoita ovat nestekidenäytöt ja orgaaniset valoa emittoivat diodit, OLEDit. Nestekidenäytöissä on valkoinen taustavalo, josta suodattamalla saadaan kaikki tarvittavat värit. Taustavalo saadaan perinteisistä valoa emittoivista diodeista (LED).
OLEDit taas perustuvat orgaanisiin väriaineisiin, jotka emittoivat punaista, vihreää ja sinistä valoa. Väriaineet voivat olla joko pieniä molekyylejä tai polymeereja.
Ensimmäinen raportti onnistuneesta OLED-kokeesta on vuodelta 1987, ajalta, jolloin keltainen epäorgaaninen EL-näyttö oli jo kypsää tekniikkaa. OLEDien kehittämisessä sininen väri oli haastavin erityisesti kestävyyden ja väripuhtauden takia. Ongelmat saatiin kuitenkin ratkaistua runsaassa 15 vuodessa ja OLED-televisiot tulivat markkinoille 2005 tienoilla.
Ei turhaa tutkimusta
Eräs jakso suomalaista historiaa päättyi viime vuoden lopulla, kun espoolainen Lumineq Oy lopetti EL-näyttöjen valmistuksen. Lumineqin lopetusilmoitus tarkoitti merkittävän teknologisen panostuksen päättymistä.
ALD-tutkimus keskittyi ensimmäiset 15 vuotta pelkästään EL-näyttöihin. Pitkä tutkimus- ja kehityspanostus ei mennyt hukkaan, vaikka EL-näytöistä ei tullutkaan suurta menestystä. EL-näytöt toimivat pohjana ALD-menetelmälle, joka osoittautui hyvin monipuoliseksi. ALD on levinnyt monille aloille, joista tärkein on mikroelektroniikka.
ALD sopii kaikkiin sovelluksiin, joissa tarvitaan laadukkaita, reiättömiä ohuita kalvoja. Menetelmän suosio jatkaa kasvuaan: Suomessa ALD-tuotteita valmistaa neljä yritystä ja tutkimusta tehdään viidessä yliopistossa ja VTT:llä.
Kirjoittaja Markku Leskelä on toiminut epäorgaanisen kemian apulaisprofessorina ja professorina Oulun yliopistossa, Teknillisessä korkeakoulussa, Turun yliopistossa ja Helsingin yliopistossa. Hän on edelleen aktiivisesti mukana tutkimuksessa.
Lue myös: Mihin kemiaa enää tarvitaan?
