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May 27, 2023

LCDを狙う超薄型メタサーフェスディスプレイ

Attualmente, gli schermi LCD sono la tecnologia di visualizzazione più dominante e popolare.

現在、LCD スクリーンはテレビやモニター用の最も主流で人気のあるディスプレイ技術ですが、将来的に大幅に改善される可能性は低いです。 今回新たな研究で、微細な「透明マント」を可能にする物理学が、平均的な人間の毛髪の約1/100の厚さの次世代「メタサーフェス」ディスプレイにつながる可能性があることを発見した。これにより、10倍の解像度を提供し、半分の消費量を実現できる可能性がある。液晶画面のようなエネルギー。

LCD テクノロジーは、バックライトによって常に照らされる液晶セルに依存しています。 ピクセルの前後にある偏光板は、その極性、つまり振動方向に基づいて光波をフィルタリングし、液晶セルはこれらのフィルタの向きに合わせて回転して、光の透過をオンまたはオフに切り替えることができます。

LCD スクリーンは、液晶、表示技術、またはバックライトの改良により進歩し続けています。 「しかし、現在、LCD 技術の改善はほとんどが漸進的です」と、フランスのリヨンにある市場調査会社 Yole Intelligence のシニア ディスプレイ アナリストである Eric Virey 氏は言います。

プロトタイプの 4 ピクセル デバイスは、わずか 625 マイクロ秒で 5 ボルト未満で光の透過率を切り替えることができます。これは、1 秒あたり 1,000 フレーム以上に相当します。

科学者が次世代フラットスクリーンディスプレイについて研究している可能性の1つは、予期せぬ方法で光を曲げる能力など、自然界では通常見られない機能を持つように設計されたメタサーフェスです。 メタサーフェスやその他のメタマテリアルの研究により、光、音、熱、その他の種類の波から物体を隠すことができる透明マントなどが発見されています。

光を操作するように設計された光学メタマテリアルには、影響を与える光の波長よりも小さいスケールで繰り返しパターンを持つ構造が含まれています。 ただし、それらの構造は通常は静的です。 これは、ディスプレイなど、変更可能な光学特性を必要とする多くのアプリケーションにとって障害となります。

これまでの研究では、メタサーフェスのプロパティを電気的に調整するさまざまな方法が調査されてきました。 しかし、これまでのところ、これらのアプローチのいずれも、ディスプレイやライダーでの使用に必要な、高速、大型、透明なソリッドステート調整機能を同時に実現することはできませんでした。

しかし、ある新しい研究では、研究者らは標準的な CMOS 製造技術と互換性のある電気的に調整可能なメタサーフェスを実験しました。 これらはシリコンの大きな熱光学効果に依存しています。つまり、温度の変化によりシリコンの光学特性が大きく変化する可能性があります。

「当社のメタサーフェスピクセルは、現在のシリコンチップ製造技術と互換性があり、製造コストを低く抑えられます」と、研究の共同著者で英国ノッティンガム・トレント大学工学部教授のモーセン・ラフマニ氏は言う。

新しい完全ソリッドステート デバイスのコアは、シリコン メタサーフェス、具体的には、その中に正確な配列で配置された幅 78 ～ 101 nm の穴を備えた厚さ 155 ナノメートルの膜で構成されています。 このメタサーフェスは、電気駆動ヒーターとして機能する透明な導電性の 380 ナノメートル厚のインジウムスズ酸化物ストリップによってカプセル化されています。

「メタサーフェスの分野における重要な方向性の 1 つは、再構成可能性の必要性です」と、この研究には参加していないニューヨーク市立大学大学院センターの電気技師、アンドレア アル氏は述べています。 この新しい研究により、「メタサーフェスの応答を調整するための高速、効率的、コンパクトな方法が可能になり、この分野が進歩します。」

「このテクノロジーを統合するために、真新しい生産ラインに多額の投資をする必要はありません。」 —モーセン・ラフマニ、ノッティンガム・トレント大学

プロトタイプの 4 ピクセル デバイスは、わずか 625 マイクロ秒で、5 ボルト未満で透過する可視光と近赤外光の量を 9 倍に切り替えることができます。これは、少なくとも他の要因を考慮しなければ、1 秒あたり 1,600 フレームに相当します。 言い換えれば、この技術は現在のビデオの 10 倍以上のフレーム レートを持っています。 研究者らは、オンラインジャーナル「Light: Science & Applications」に2月22日、研究結果の詳細を掲載した。

「この研究は非常に注目に値すると思います。特に、メタサーフェスの状態を動的に変更し、それを非常に高速に実行できる能力です」と、新しい研究には参加しなかった Virey 氏は言います。 「これは、メタサーフェスの潜在的な用途や特性がまだ解明されていないことがたくさんあることを示しており、おそらく私たちはほんの表面をなぞっただけなのです。」

科学者らは、この新しいアプローチの主な利点は安定性であると指摘しています。 「シリコンナノ構造は耐久性が高いことで知られており、それがシリコンナノ構造が依然としてマイクロチップ業界で最も人気のある材料である理由の1つです」と研究の共著者でキャンベラのオーストラリア国立大学物理学教授ドラゴミル・ネシェフ氏は言う。 「数か月にわたってプロトタイプのサンプルを何度も実行しましたが、いかなる劣化も発生しませんでした。」

科学者たちが自分たちの研究に関して受ける一般的な質問は、冷却速度だが、「これはまだ人間の目の反応の程度だ」とネシェフ氏は言う。 同氏は、「アクティブな冷却方法を採用したり、ピクセルの周囲に空気溝を使用したりするなど、さらなるエンジニアリングによって冷却効果を大幅に高めることができる」と述べています。

研究者らは、新しいメタサーフェスはLCDディスプレイの液晶層を置き換えることができると述べている。 同時に、これらのディスプレイでは、無駄な光強度とエネルギー使用の半分の原因となる液晶のような偏光子が不要になります。

「長期的には、microLED 技術やエレクトロルミネセンス量子ドットにも多くの取り組みが行われています。したがって、全体として、ディスプレイ業界はイノベーションへの勢いが尽きているわけではありません。」—Yole Intelligence 社、Eric Virey 氏

現在のLCDディスプレイの生産ラインは、最小限の変更で、液晶ピクセルをメタサーフェスピクセルに置き換えるように更新できるとラフマニ氏は指摘する。 「このテクノロジーを統合するために、真新しい生産ラインに多額の投資をする必要はありません」と彼は言います。

メタサーフェスディスプレイは有望であるのと同様に、Virey氏は、現在LCDの主なライバルとなっている有機LED（OLED）ディスプレイは強力な競争相手であり、液晶層を必要としないと警告する。

「OLEDはすでにスマートフォンの約半数に使用されています」とVirey氏は言う。 「テレビでの採用がようやく始まりつつあり、ノートブックでの採用も進んでいます。LCD は消えることはなく、エントリーレベルからミッドレンジのディスプレイの大部分に選ばれる技術であり続けるでしょうが、そのスペースは縮小しています。その結果、一方で彼らはLCD製造インフラを維持するつもりだが、ディスプレイメーカーはほとんどが新しいLCD工場への投資をやめている。」

ラフマニ氏は、OLEDは「高価で寿命が短い」と主張する。 シリコンの寿命は比較的長いと研究者らは指摘している。

しかし、「OLEDはコスト、性能、製造プロセスの点で急速に進歩している」とVirey氏は指摘する。 「サムスンは最近、青色OLEDと量子ドットを組み合わせた、テレビとモニター用の新しいOLEDアーキテクチャ、別名「QD-OLED」を商品化しました。 より効率的な青色 OLED 材料が今後数年以内に市場に投入され、輝度の向上、寿命の延長、消費電力の削減に役立つはずです。」

さらに、「長期的には、microLED 技術とエレクトロルミネセンス QD にも多くの取り組みが行われています」と Virey 氏は言います。 「全体として、ディスプレイ業界はイノベーションへの勢いが尽きているわけではありません。」

ディスプレイ市場への参入を目指して、研究者らは現在、ヒーターの寸法、電気入力、冷却アプローチを調整してデバイスを最適化したいと考えている。 人工知能と機械学習技術は、より小さく、より薄く、より効率的なメタサーフェス ディスプレイの設計にも役立つ可能性があると彼らは付け加えています。 ニューヨーク市立大学の Alù 氏は、ピクセル サイズが小さいことも望ましいと指摘しています。

研究者らは、今後 5 年以内に画像を生成できる大規模なプロトタイプを構築することを目指しています。 彼らは、今後 10 年以内にその技術を一般に利用できるフラット スクリーンに統合したいと考えています。

ヴィレイにとって、そのようなタイムラインは理にかなっています。 「OLED を振り返ると、ポリマー材料のエレクトロルミネッセンスは 50 年代に発見され、最初の実用的なデバイスは 30 年以上後に実証され、最初の商用ディスプレイが市場に登場したのは 2000 年代初頭でした」と Virey 氏は言います。 「microLED ディスプレイの研究は 2000 年代初頭に始まりましたが、2025 年までに最初の大量商用デバイスが登場するとは予想していません。」

LCDメーカーが現在の工場に1000億ドル以上を費やしたことを考えると、「ディスプレイメーカーは、老朽化し​​たLCD工場に第二の人生を与えられる新技術を見つけて喜んでいるかもしれない」とVirey氏は言う。 「研究者らは、既存のLCD製造インフラと可能な限り互換性があることを保証するためにあらゆる努力をすべきだ。同じ薄膜トランジスタプロセスを使用できるだろうか？最小限の変更と投資で既存のLCD工場に技術を統合できるだろうか？」

この記事は、2023 年 5 月の印刷号に「Metasurface Displays Target the LCD」として掲載されます。