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May 27, 2023

Las pantallas de metasuperficie ultrafinas apuntan a la pantalla LCD

Actualmente, las pantallas LCD son la tecnología de visualización más dominante y popular para

Actualmente, las pantallas LCD son la tecnología de visualización más dominante y popular para televisores y monitores, pero es poco probable que mejoren significativamente en el futuro. Ahora, un nuevo estudio encuentra que el tipo de física que hace posibles las "capas de invisibilidad" microscópicas puede conducir a la "metasuperficie" de próxima generación que muestra aproximadamente 1/100 del grosor del cabello humano promedio que podría ofrecer 10 veces la resolución y consumir la mitad. energía como pantallas LCD.

La tecnología LCD depende de celdas de cristal líquido que están constantemente iluminadas por una luz de fondo. Los polarizadores delante y detrás de los píxeles filtran las ondas de luz en función de su polaridad o la dirección en la que vibran, y las células de cristal líquido pueden girar en la forma en que estos filtros están orientados para encender y apagar las transmisiones de luz.

Las pantallas LCD continúan viendo avances al mejorar los cristales líquidos, la tecnología de visualización o la luz de fondo. "Sin embargo, las mejoras en las tecnologías LCD ahora son en su mayoría incrementales", dice Eric Virey, analista senior de pantallas de la firma de investigación de mercado Yole Intelligence en Lyon, Francia.

El dispositivo prototipo de cuatro píxeles puede cambiar su transmisión de luz con menos de 5 voltios en solo 625 microsegundos, lo que se traduciría en más de 1000 fotogramas por segundo.

Una posibilidad que los científicos están explorando para las pantallas planas de próxima generación son las metasuperficies, que están diseñadas para poseer características que generalmente no se encuentran en la naturaleza, como la capacidad de curvar la luz de formas inesperadas. La investigación sobre metasuperficies y otros metamateriales ha dado lugar a capas de invisibilidad que pueden ocultar objetos de la luz, el sonido, el calor y otros tipos de ondas, entre otros descubrimientos.

Los metamateriales ópticos, que están diseñados para manipular la luz, contienen estructuras con patrones repetidos a escalas que son más pequeñas que las longitudes de onda de la luz en las que influyen. Sin embargo, sus estructuras son típicamente estáticas. Este es un obstáculo para muchas aplicaciones que requieren propiedades ópticas cambiantes, como las pantallas.

Investigaciones anteriores han investigado varias formas diferentes de ajustar eléctricamente las propiedades de la metasuperficie. Sin embargo, hasta ahora, ninguno de estos enfoques podía permitir simultáneamente una capacidad de ajuste de estado sólido rápida, grande y transparente, que se necesita para su uso en pantallas y lidars.

Sin embargo, en un nuevo estudio, los investigadores experimentaron con metasuperficies sintonizables eléctricamente compatibles con las técnicas de producción CMOS estándar. Estos se basan en el gran efecto termo-óptico del silicio, es decir, un cambio en la temperatura puede alterar significativamente las propiedades ópticas del silicio.

"Nuestros píxeles de metasuperficie son compatibles con las tecnologías actuales de fabricación de chips de silicio, que mantienen bajos los costos de producción", dice el coautor principal del estudio, Mohsen Rahmani, profesor de ingeniería en la Universidad de Nottingham Trent, en Inglaterra.

El núcleo del nuevo dispositivo de estado sólido consiste en una metasuperficie de silicio, específicamente, una película de 155 nanómetros de espesor con orificios de 78 a 101 nm de ancho dispuestos en una matriz precisa dentro de ella. Esta metasuperficie está encapsulada por tiras transparentes de óxido de indio y estaño de 380 nanómetros de espesor eléctricamente conductoras que pueden servir como calentadores accionados eléctricamente.

"Una de las direcciones importantes en el campo de las metasuperficies es la necesidad de reconfigurabilidad", dice el ingeniero eléctrico Andrea Alù del Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, que no participó en esta investigación. Este nuevo trabajo "permite una forma rápida, eficiente y compacta de ajustar la respuesta de las metasuperficies, lo que hace avanzar el campo".

"No hay necesidad de inversiones significativas en nuevas líneas de producción para integrar esta tecnología". —Mohsen Rahmani, Universidad de Nottingham Trent

El dispositivo prototipo de cuatro píxeles puede multiplicar por nueve la cantidad de luz visible e infrarroja cercana que transmite con menos de 5 voltios en solo 625 microsegundos, lo que, sin tener en cuenta al menos otros factores, se traduciría en 1.600 fotogramas por segundo. La tecnología, en otras palabras, tiene una velocidad de fotogramas más de 10 veces más rápida que la del video actual. Los investigadores detallaron sus hallazgos en línea el 22 de febrero en la revista Light: Science & Applications.

"Encuentro este trabajo bastante notable, especialmente la capacidad de modificar dinámicamente el estado de la metasuperficie y hacerlo a una velocidad tan alta", dice Virey, quien no participó en el nuevo estudio. "Muestra que hay muchas aplicaciones y propiedades potenciales aún sin explorar de las metasuperficies y probablemente solo estemos raspando la superficie".

Los científicos señalan que una ventaja clave de este nuevo enfoque es la estabilidad. "Las nanoestructuras de silicio son conocidas por su durabilidad, que es una de las razones por las que siguen siendo el material más popular en la industria de los microchips", dice el coautor principal del estudio, Dragomir Neshev, profesor de física en la Universidad Nacional de Australia en Canberra. "Hemos analizado nuestras muestras prototipo muchas veces durante unos meses y no experimentamos ninguna degradación".

Una pregunta común que reciben los científicos sobre su trabajo es la velocidad de enfriamiento, "que todavía está en el orden de la respuesta del ojo humano", dice Neshev. Señala que "uno puede aumentar significativamente el efecto de enfriamiento con más ingeniería, como el empleo de métodos de enfriamiento activo o el uso de ranuras de aire alrededor de los píxeles".

Los investigadores dicen que las nuevas metasuperficies pueden reemplazar la capa de cristal líquido en las pantallas LCD. Al mismo tiempo, no requerirían los polarizadores que requieren los cristales líquidos, que son responsables de la mitad de la intensidad de la luz desperdiciada y el uso de energía en estas pantallas.

"A más largo plazo, también hay muchos esfuerzos en tecnologías microLED y puntos cuánticos electroluminiscentes. Por lo tanto, en general, la industria de las pantallas no se está quedando sin energía para innovar".—Eric Virey, Yole Intelligence

Las líneas de producción actuales para pantallas LCD pueden, con modificaciones mínimas, actualizarse para reemplazar los píxeles de cristal líquido con píxeles de metasuperficie, señala Rahmani. "No hay necesidad de inversiones significativas en nuevas líneas de producción para integrar esta tecnología", dice.

A pesar de lo prometedoras que son las pantallas de metasuperficie, Virey advierte que las pantallas LED orgánicas (OLED), que actualmente son los principales rivales de las LCD, son fuertes competidores y no necesitan capas de cristal líquido.

"Los OLED ya se utilizan en aproximadamente la mitad de los teléfonos inteligentes", dice Virey. "La adopción en la televisión finalmente está despegando, al igual que la adopción en las computadoras portátiles. La pantalla LCD no desaparecerá y probablemente seguirá siendo la tecnología preferida para la mayoría de las pantallas de nivel de entrada y de rango medio, pero su espacio se está reduciendo. Como resultado, mientras planean mantener su infraestructura de fabricación de LCD, los fabricantes de pantallas, en su mayoría, han dejado de invertir en nuevas fábricas de LCD".

Rahmani argumenta que los OLED son "caros y tienen una vida útil corta", dice Rahmani. El silicio tiene una vida útil relativamente larga, señalan los investigadores.

Sin embargo, "los OLED están progresando rápidamente en términos de costos, rendimiento y procesos de fabricación", señala Virey. “Samsung comercializó recientemente una nueva arquitectura OLED para televisores y monitores, que combina OLED azul y puntos cuánticos, también conocido como 'QD-OLED'. Los materiales OLED azules más eficientes deberían llegar al mercado en los próximos años y ayudar a mejorar el brillo, aumentar la vida útil y reducir el consumo de energía".

Además, "a más largo plazo, también hay muchos esfuerzos en tecnologías microLED y QD electroluminiscentes", dice Virey. "Entonces, en general, la industria de las pantallas no se está quedando sin energía para innovar".

Con la esperanza de entrar en el mercado de las pantallas, los investigadores ahora esperan optimizar su dispositivo jugando con las dimensiones del calentador, la entrada eléctrica y los enfoques de enfriamiento. La inteligencia artificial y las técnicas de aprendizaje automático también podrían ayudar a diseñar pantallas de metasuperficie más pequeñas, delgadas y eficientes, agregan. Alù, de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, señala que también son deseables tamaños de píxeles más pequeños.

Los científicos tienen como objetivo construir un prototipo a gran escala que pueda generar imágenes en los próximos cinco años. Esperan integrar su tecnología en pantallas planas disponibles para el público dentro de los próximos 10 años.

Tal línea de tiempo tiene sentido para Virey. "Mirando hacia atrás a los OLED, la electroluminiscencia de los materiales poliméricos se descubrió en los años 50, el primer dispositivo práctico se demostró más de 30 años después y las primeras pantallas comerciales no llegaron al mercado hasta principios de la década de 2000", dice Virey. "La investigación sobre pantallas microLED comenzó a principios de la década de 2000 y no esperamos tener los primeros dispositivos comerciales de gran volumen antes de 2025".

Dado que los fabricantes de LCD han gastado más de 100.000 millones de dólares en las fábricas actuales, "los fabricantes de pantallas podrían estar contentos de encontrar una nueva tecnología que podría dar una segunda vida a sus viejas fábricas de LCD", dice Virey. "Los investigadores deben hacer todos los esfuerzos posibles para garantizar que sea lo más compatible posible con la infraestructura de fabricación de LCD existente. ¿Se puede usar el mismo proceso de transistor de película delgada? ¿Se puede integrar la tecnología en una fábrica de LCD existente con cambios e inversiones mínimos?"

Este artículo aparece en la edición impresa de mayo de 2023 como "Metasurface Displays Target the LCD".