Електрически регулируеми метаповърхности могат да заменят течнокристалния слой в LCD дисплеите (снимка: Australian National University)
Екраните с течни кристали (LCD) доминират в телевизорите и мониторите, но тяхното развитие на практика е спряло. Напредъкът в оптичните метаматериали може да доведе до създаване на дисплеи от следващо поколение, които са около сто пъти по-тънки от човешки косъм, но осигуряват 10 пъти по-висока разделителна способност и консумират половината от мощността на LCD дисплеите.
Метаповърхностите имат свойства, които обикновено не се срещат в природата, като например способност да пречупват светлината по неочаквани начини. Изследванията на метаповърхности и други метаматериали доведоха до създаване на покрития, които могат да скрият обекти от светлина, звук, топлина и други видове вълни.
Оптичните метаматериали, предназначени да контролират светлината, съдържат структури с повтарящи се модели, които са по-малки от дължината на вълната на светлината, върху която влияят. Тези структури обаче обикновено са статични и това е основна пречка за създаването на устройства с променливи оптични свойства, като дисплеите например.
Сега изследователи от Австралийския национален университет експериментират с електрически регулируеми метаповърхности, които могат да бъдат произведени с вече съществуващи техники за CMOS матрици. Принципът им на действие се основава на термооптичния ефект на силиция, който пропуска светлина по различен начин в зависимост от температурата.
Устройството, описано в научното издание Spectrum на IEEE, се състои от силициева метаповърхност, а именно филм с дебелина 155 нанометра с отвори с диаметър от 78 до 101 нм, подредени в определен ред. Метаповърхността капсулира прозрачни електропроводими ивици от индий и калаен оксид с дебелина 380 нм, които действат като локални електрически нагреватели.
Прототип на устройство с четири пиксела може да предава определено количество светлина във видимия и близкия инфрачервен спектър (налични са 9 нива) при напрежение по-малко от 5 волта само за 625 микросекунди, което, като се изключат други фактори, съответства на 1600 кадъра в секунда. С други думи, кадровата честота на тази технология е повече от три пъти по-висока от най-бързите съвременни дисплеи.
Друго важно предимство на новата технология е стабилността. „Силициевите наноструктури са известни със своята издръжливост, което е една от причините те все още да са най-популярният материал в индустрията на чиповете”, казва съавторът на изследването Драгомир Нешев, професор по физика в Австралийския национален университет в Канбера.
„Тествахме нашите прототипи в продължение на няколко месеца и не забелязахме никакво влошаване. Основният проблем, който остава за решаване, е ниската скорост на охлаждане, той е видим с „просто око”. Охлаждащият ефект може да бъде значително увеличен с допълнителни решения като активно охлаждане или въздушни канали около пикселите”, пояснява Нешев.
Изследователите казват, че новите метаповърхности могат да заменят течнокристалния слой в LCD дисплеите. При това те не се нуждаят от поляризатори, които са отговорни за половината от загубения интензитет на светлината и потреблението на енергия в дисплеите. С минимални модификации на съществуващите LCD производствени линии течнокристалните пиксели могат да се заменят с метаповърхностни.
За да се внедри тази технология, няма нужда от значителни инвестиции в изцяло нови производствени линии. LCD производителите, които харчат над 100 милиарда долара за съществуващите фабрики, вероятно ще се заинтересуват от технология, която ще даде втори живот на техните предприятия.
Надявайки се да пробият на пазара на дисплеи, изследователите оптимизират своето устройство чрез промяна на размерите на нагревателите, консумацията на енергия и подходите за охлаждане. Те вярват, че изкуственият интелект и машинното обучение могат да помогнат за разработване на по-тънки и по-ефективни дисплеи с метаповърхности.
Мащабен прототип, способен да генерира изображения, трябва да се появи през следващите пет години. Интегрирането на технологията в реални устройства е възможно в рамките на следващите 10 години. Но колкото и обещаващи да са дисплеите с метаповърхности, установената технология за дисплеи с органични светодиоди (OLED) определено е силен конкурент.
Основният недостатък на OLED екраните и високата им цена и сравнително краткият живот. Но OLED се развива бързо по отношение на цената, производителността и ефективността. Освен това технологиите microLED и квантовите точки се подобряват, т.е. като цяло индустрията на дисплеите не се е изчерпала за иновации.