Концепция развития «зеленых» технологий в дисплейной индустрии

Введение

Первая волна, характеризующая развитие дисплейной TFT-LCD технологии, была
направлена в основном на улучшение параметров цветных фильтров, углов обзора,
яркости, контраста, быстродействия ЖК-ячеек и качества движущегося изображения.
Вторая волна прогресса в ЖК-дисплейной
индустрии была ориентирована на уменьшение цены продукции, чтобы стимулировать
массовое потребление ЖК-мониторов и ЖК-телевизоров. Сегодня развитие дисплейной
индустрии проходит под девизами «Зеленые
технологии», «Зеленый дисплей», Green
Design, «Эко-дисплей». Основная идея таких
технологий — уменьшение энергопотребления, снижение расходов материалов и отходов на всем цикле жизни продукта, начиная
от его производства, включая эксплуатацию
и кончая утилизацией. Учитываются даже
косвенные факторы влияния на социальные
и экологические процессы.

Увеличение размеров экранов современных ЖК-телевизоров, а также количества
телевизоров и компьютерных мониторов
привело к резкому увеличению суммарной
мощности, потребляемой этими приборами.
Между тем производство большеформатных ЖК-панелей продолжает наращиваться,
компании вводят в строй все новые и новые
фабрики 8G, 9G и 10G. Оборудование этих
фабрик также потребляет огромное количество электроэнергии в процессе непрерывной круглосуточной работы. Правительства
многих стран, а также международные регулирующие организации всерьез озабочены
уровнем энергопотребления, а также уровнем выброса вредных веществ, сопровождающих процессы производства. Потребитель
тоже в определенной степени заинтересован
в приобретении «зеленых» товаров, в которых используются экологичные материалы,
обеспечивающие минимальный вред в процессе эксплуатации и последующей утилизации. Следует заметить, что во многих цивилизованных странах потребитель по закону
отвечает за правильную утилизацию отработанной бытовой техники и ее компонентов,
а также расходных материалов и элементов
питания.

«Зеленые»
дисплейные технологии

Применительно к дисплейной индустрии
можно выделить три направления для внедрения «зеленых» технологий: конечный
продукт (ЖК-панель, ЖК-телевизор, ЖК-монитор), технологический процесс и оборудование самой фабрики. Основная стратегия
таких технологий по направлениям:

«Зеленый» дисплей:

• дисплеи с пониженным энергопотреблением;
• использование светодиодной подсветки
  с технологией локального диммирования;
• повышение коэффициента пропускания
  ЖК-панелей;
• эффективная система энергопотребления.

«Зеленые» технологические процессы:

• сокращение числа технологических операций;
• сокращение применения высокотемпературных процессов;
• уменьшение температуры процессов;
• сокращение расходных технологических
  материалов (воздух, вода);
• активное внедрение процессов струйной
  печати вместо вакуумных процессов.

«Зеленые» фабрики (оборудование, инфраструктура):

• уменьшение выбросов углекислого газа
  и других технологических газов;
• использование оборудования с низким
  энергопотреблением;
• использование процессов регенерации
  и рециркуляции материалов.

С одной стороны, производитель отчасти
и сам заинтересован в этих процессах, поскольку это приводит к уменьшению себестоимости конечного продукта. С другой —
при разработке и внедрении альтернативных
технологий необходимы дополнительные затраты средств и времени. Внедрение новых
технологий стимулируют регламенты национальных и международных стандартов.
Стандартизация технологических процессов также приводит к экономии материалов
и энергии и уменьшению отходов.

«Зеленый» дисплей (эко-дисплей)

Уменьшение энергопотребления современных ЖК-телевизоров в первую очередь
достигается за счет использования более эффективной задней и локальной динамической подсветки, эффективных источников
питания, эффективных дисплейных интерфейсов с уменьшением как энергопотребления, так и уровня ЭМИ. Светодиодная подсветка с источниками с эффективностью
80 лм/Вт дает экономию на 40% по сравнению с люминесцентными лампами.

Уменьшение энергопотребления достигается и за счет увеличения коэффициента
пропускания панели. Лучший коэффициент
пропускания на данный момент обеспечивает технология с вертикальной ориентацией
ЖК-материала (VA). Увеличение апертуры
ЖК-ячейки также дает выигрыш по яркости,
а значит, дает ресурс для уменьшения потребления источника подсветки.

Уменьшение весаитолщины ЖК —
телевизора также способствует сокращению
затрат на материалы. Разработаны стандарты
спецификаций Energy Star, EuP и TCO, регламентирующие соответствие классу Green TV.

Другим важным критерием соответствия
продукта этим спецификациям является
отсутствие вредных материалов, таких как
свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный
хром, бром и т. п. (требования Restriction of
Hazardous Substances, RoHS).

«Зеленые» технологические процессы

Ключевыми направлениями в этом случае
являются:

• сокращение числа технологических циклов
  и введение альтернативных процессов;
• исключение операций с большими энергозатратами;
• уменьшение энергозатрат отдельных технологических операций;
• уменьшение температуры технологических операций за счет разработки новых
  решений;
• исключение материалов, требующих энергозатрат, или технологий, приводящих
  к загрязнению среды;
• замена вакуумных операций на альтернативные;
• сокращение операций «мокрого» травления для сокращения использования воды
  и реактивов;
• внедрение операций струйной печати вместо фотолитографии;
• сокращение числа циклов фотолитографии при изготовлении транзисторной матрицы до четырех.

«Зеленые» фабрики

На рис. 1 показана структура фабрики
и система использования ресурсов в процессе
производства TFT ЖК-панелей. Представлен
полный цикл производства и утилизации
продукта.

Рис. 1. Структура процессов «зеленой» фабрики ЖК-дисплеев

Ключевыми направлениями внедрения
«зеленых» процессов в данном секторе являются:

• сокращение энергопотребления технологическим оборудованием;
• сокращение выбросов парниковых газов;
• сокращение потребления воды;
• активное использование регенерации воды
  и реактивов.

На фабриках новых поколений используются эффективные энергосистемы, позволяющие значительно снизить затраты
на освещение, обогрев и вентиляцию производственных площадей. Активно применяется светодиодное освещение. На заводе 10-го
поколения Sharp на крышах цехов установлены солнечные батареи, которые позволяют
частично уменьшить потребление электроэнергии из магистральной электросети.

Электрическая энергия, вода и парниковые газы (главным образом CO₂, SF₆ и NF₃)
являются наиболее критичными ресурсами, которые могут непосредственно влиять
на окружающую среду.

За последние годы крупнейшими производителями ЖК-дисплеев были предприняты
значительные усилия для сокращения энергопотребления, а также потребления воды
и технологических газов. В результате, например, достигнуто снижение потребления
воды и энергии на 40–70% на предприятиях компании AUO. Компания AUO снизила годовой уровень выброса углекислого
газа на 87 000 т по сравнению с 2000 годом.
Введение контуров рециркуляции теплового
воздуха и воды позволило сократить расход
энергии и воды в системах поддержки чистых комнат. За год экономия электроэнергии составила 1 200 000 кВт/ч.

Стандарты, регламентирующие
уровень потребления
ЖК-телевизоров

Правительства развитых стран в последнее
время озабочены возросшим числом и уровнем потребления бытовой техники. Для сокращения расходов электроэнергии в бытовом секторе принимаются законы, в соответствии с которыми будет ограничиваться ввоз
и продажа бытовой техники с высоким энергопотреблением. В Евросоюзе почти на всей
бытовой технике имеется специальная евронаклейка с обозначением класса энергосбережения — от A до G. К классу А относятся
наиболее экономичные приборы. На той же
наклейке указывают и годовое потребление
электроэнергии в киловатт-часах.

Как уже отмечалось ранее, широкое распространение телевизоров с большим размером экрана привело к резкому повышению потребления электрической энергии
в бытовом секторе. Так, только в одной
Калифорнии 35 млн телевизоров потребляют в год 8,772 ГВт·ч, что составляет 10% бытового потребления электричества в этом
штате США! Конкретно для данного штата
был принят закон, который регламентирует уровень энергопотребления телевизоров
с диагоналями менее 58 дюймов. Плазменные
телевизоры в Калифорнии пока не запрещены, они просто должны соответствовать
этим требованиям. Предполагается, что использование ограничительных мер позволит
уже в 2011 году снизить потребление энергии
в Калифорнии только от сектора плоских
телевизоров на 33%.

В соответствии с принятым стандартом, например, телевизор с экраном 42 дюйма должен
потреблять не более 183 Вт в 2011 году и 115 Вт
к 2013-му, а 36-дюймовый экран — не более
148 Вт в 2011-м и 95 Вт в 2013 году. На тип технологии экрана ограничений нет. Однако телевизорам с плазменными панелями в этих условиях «выжить» будет довольно тяжело.

32-дюймовый ЭЛТ-телевизор образца
1999 года (рис. 2) весил 20 кг и имел потребление 150 Вт. Сейчас 32-дюймовый ЖК-телевизор весит всего 11 кг и потребляет
меньше 90 Вт.

Рис. 2. Типичный 32-дюймовый ЭЛТ-телевизор образца 1999 года

С одной стороны, использование таких
телевизоров даст экономию в $50–250 и самому пользователю: только за счет экономии
электрической энергии за время эксплуатации телевизора.

Уже сейчас в продаже доступны модели
телевизоров, которые соответствуют этим
требованиям. Безусловно, это будет стимулировать покупку новых телевизоров и доминирование на рынке новых моделей с малым потреблением энергии.

В 2009 году был разработан международный
стандарт IEC 62430 “Environmentally conscious
design for electrical and electronic products”,
в котором регламентируются базовые экологические требования, которым должны соответствовать бытовые электронные и электрические приборы. Европейская директива
2002/96/EC устанавливает порядок утилизации электрического и электронного оборудования (Waste electrical and electronic equipment,
WEEE), а директива 2002/95/EC ограничивает
применение опасных материалов в электрических и электронных приборах (RoHS).

Уровень потребляемой энергии в процессе
работы бытовой техники ограничен отдельными требованиями. В 2005 году в Европе
была разработана директива 2005/32/EC
Оn Ecodesign of energy-using products (EuP).
Стандарт EuP определяет уровни потребления
для рабочих и дежурных режимов определенных категорий приборов, в том числе телевизоров, компьютеров и мониторов. Товары,
не удовлетворяющие этим требованиям,
не будут допущены на европейский рынок.

Стандарт Commission regulation (EC) No
642/2009 устанавливает требования к дизайну телевизионных приемников. В частности,
начиная с 20 августа 2010 года в рабочем режиме потребляемая мощность телевизоров
с экраном размером площади «А» в квадратных дюймах не должна превышать следующих пороговых значений:

• экраны с разрешением Full HD:
  20 Вт + A×1,12×4,3224 Вт/дюйм²;
• все остальные экраны:
  20 Вт + A×4,3224 Вт/дюйм².

Начиная с 1 апреля 2012 года требования
по потреблению еще более ужесточаются.
Предел потребления для всех типов разрешений экрана телевизоров должен быть меньше
порога: 16 Вт + A×3,4579 Вт/дюйм².

Требования также регламентируют и минимальный уровень яркости телевизора, чтобы на рынок не попали модели, соответствующие требованиям по энергопотреблению,
но с чрезмерно низкой яркостью.

Проблемы утилизации продуктов
высоких технологий

Надежность современной электронной бытовой электроники довольно высока, поэтому
выбрасывают ее практически в исправном состоянии. Морально устаревшая электроника,
как правило, заканчивает жизнь на свалке либо
на мусороперерабатывающем заводе (рис. 3).
Увы, из обращения каждый год выводятся десятки миллиардов единиц электрической и электронной продукции, в том числе и дисплеев.
Общий вес электронного мусора составляет,
по оценкам экспертов, более 50 000 000 т. Если
все эти отходы загрузить в железнодорожные
вагоны, получится состав длиною с экватор.

Рис. 3. Фабрика по утилизации ЭЛТ-мониторов в работе

Какие же варианты утилизации возможны?

Повторное использование

Это лучший вариант для продления
жизни электронных приборов, однако
в Европе или в США вряд ли найдется массовый покупатель б/у техники. Только в странах третьего мира.

Переработка

Это лучший способ вернуть хотя бы
часть ресурсов продукции и снова пустить
их в дело. Мусороперерабатывающие заводы как раз и предназначены для этого.
Современный мусороперерабатывающий завод, ориентированный на утилизацию электроники, довольно дорог, а процесс непростой. Количество таких заводов ограничено
и физически не может обеспечить переработку огромных объемов электронного мусора.

Свалка

При таком способе захоронения ядовитые
химические соединения в течение долгого
времени вымываются в окружающую среду
или испаряются в атмосферу. Такая практика
борьбы с ненужной электроникой используется практически во всех странах мира, кроме, разве что, Европы.

Сжигание

При этом в атмосферу выбрасываются
и оседают в почве тяжелые металлы: свинец,
ртуть и кадмий. При сжигании ПВХ в атмосферу выбрасываются также диоксины и бромированные антипирены.

Практически же бóльшая часть электроники перерабатывается вручную: с выжиганием
кабелей и проводов на открытом огне и выплавкой цветных металлов в печах. А пластмассовые детали просто сжигаются.

Экспорт

В последнее время развитые страны с высоким уровнем потребления предпочитают
сокращать гигантские расходы по утилизации своего электронного мусора, вывозя
электронные отходы в страны Азии и Африки
(рис. 4, 5). В большинстве случаев этот экспорт — незаконный. Проверка 18 европейских
морских портов, проведенная в 2005 году, показала, что 47% отходов, в том числе электронных, экспортируются из стран ЕС нелегально.
Только из Великобритании в 2003 году в страны Азии и Африки было незаконно вывезено
по меньшей мере 23 000 кубометров электронного мусора.

Рис. 4. Мониторы разбирают вручную
в поисках цветных металлов (Гана)

Рис. 5. Китай. Дети разбирают электронный хлам

В США, по некоторым оценкам, от 50
до 80% собранных на переработку отходов заканчивают свою жизнь в Индии или Китае.

В 2000 году КНР попыталась остановить
поток электронного хлама, запретив его
ввоз в страну. Такие центры есть и в Индии.
На свалках в Дели занято до 25 000 человек.
За год они вручную перебирают 10 000–20 000 т
электронного мусора, который на четверть состоит из старых компьютеров.

Заключение

Реально роль человека в изменении климата ничтожна. Солнце нагревает поверхность Земли с такой энергией, что всеми
остальными источниками разогрева можно пренебречь. Опасность глобального потепления сильно преувеличена, и влияние
парниковых газов тоже. Углекислый газ участвует в биосинтезе планеты и активно усваивается растениями. Процент его выброса
вследствие производственной деятельности
человека по сравнению с естественными
источниками животного и растительного
происхождения просто ничтожен и вряд ли
может заметно повлиять на экологию планеты. Вулканическая деятельность и прочие геопроцессы имеют уровни энергии,
на несколько порядков превосходящие
уровни энергии, используемые при деятельности человека. А вот локальные загрязнения воды и почвы — более актуальны и наносят реальный вред.

Так или иначе, уменьшение расхода
энергии и отходов производства — весьма
достойная цель. На этом фоне шаги, предпринимаемые производителями электр
ники, можно расценивать как бутафорию,
направленную на привлечение покупателей,
которым не чуждо чувство заботы о природе.
Пока что рано рассуждать о том, заметен ли
эффект от внедрения «зеленых» технологий:
слишком мало времени прошло с момента
внедрения первых стандартов и начала выпуска первых экологически чистых технологических продуктов.

Литература

1. Souk J. H., Whangbo S. Green Technology in LCD //
   Digest SID’10. LCD Division, Samsung Electronics.
   Nongseo-Dong, Giheung-Gu, Yongin-City,
   Gyeonggi-Do, Korea.
2. Po-Lun Chen. Green TFT-LCD Technologies // Digest
   SID’10. AU Optronics Corporation.
3. Kerofsky L., Daly S., Xu X., Deshpande S., Yuan C.
   Power-Efficient LC-TV with Smart Grid Demand
   Response Functionality // Digest SID’10.
4. Advanced Video & Display Technologies, Sharp
   Laboratories of America, Camas, WA, USA.
5. http://www.energ y.ca.gov/appliances/TV_Standards_Facts.pdf
6. Teunissen K. (C.), Schoenmakers T. JM, Olde L. J.
   de. EcoDesign for TV Displays Philips Consumer
   Lifestyle, Eindhoven, the Netherlands // Digest
   SID’10.
7. California Energy Commission TV-FAQ — http://www.energy.ca.gov/appliances/tv_faqs.html