Учёные создали ультратонкий дисплей с метаповерхностью — он быстрее и экономичнее ЖК-экрана

В настоящее время жидкокристаллические (ЖК) экраны являются доминирующей технологией в телевизорах и мониторах, но их развитие практически остановилось. Последние исследования в области оптических метаматериалов могут привести к созданию дисплеев следующего поколения, которые будут примерно в сто раз тоньше человеческого волоса, и к тому же обеспечат в 10 раз большее разрешение и будут потреблять вдвое меньше энергии, чем жидкокристаллические экраны.

Метаповерхности обладают свойствами, обычно не встречающимися в природе, такими как способность преломлять свет неожиданным образом. Исследования метаповерхностей и других метаматериалов привели к созданию покрытий, которые могут скрывать объекты от света, звука, тепла и других типов волн. Оптические метаматериалы, предназначенные для управления светом, содержат структуры с повторяющимися узорами размером меньшим, чем длина волн света, на которые они влияют. Однако эти структуры обычно статичны и это являлось главным препятствием для создания устройств, требующих изменяемых оптических свойств, таких как дисплеи.

Исследователи экспериментировали с электрически настраиваемыми метаповерхностями, которые можно производить с помощью уже существующих методов выпуска матриц CMOS. Принцип действия основан на термооптическом эффекте кремния, который по разному пропускает свет в зависимости от температуры. Устройство состоит из кремниевой метаповерхности, а именно из плёнки толщиной 155 нанометров с отверстиями диаметром от 78 до 101 нм, расположенными в определённом порядке. В метаповерхность инкапсулированы прозрачные электропроводящие полоски оксида индия и олова толщиной 380 нанометров, выполняющие роль локальных электрических нагревателей.

Созданный прототип четырёхпиксельного устройства может пропускать заданное количество видимого и ближнего инфракрасного света (доступно 9 уровней) при напряжении менее 5 вольт всего за 625 микросекунд, что, без учёта других факторов, соответствует 1600 кадрам в секунду. Другими словами, частота кадров у этой технологии более чем в три раз выше, чем у самых скоростных современных дисплеев.

Другим важным преимуществом новой технологии является стабильность. «Кремниевые наноструктуры известны своей долговечностью, и это одна из причин, по которой они до сих пор остаются самым популярным материалом в индустрии микрочипов, — пояснил соавтор исследования Драгомир Нешев (Dragomir Neshev), профессор физики Австралийского национального университета в Канберре. — Мы испытывали наши прототипы в течение нескольких месяцев и не заметили никакой деградации».

«А главным вопросом, который ещё предстоит решить является низкая скорость охлаждения, заметная невооружённым глазом, — отметил Нешев. — Эффект охлаждения можно значительно увеличить с помощью дополнительных решений, таких как активное охлаждение или воздушные каналы вокруг пикселей».

Исследователи утверждают, что новые метаповерхности могут заменить жидкокристаллический слой в ЖК-дисплеях. При этом им не потребуются поляризаторы, которые ответственны за половину потерянной интенсивности света и использования энергии в ЖК-дисплеях. Существующие производственные линии для производства ЖК-дисплеев можно с минимальными модификациями модернизировать для замены жидкокристаллических пикселей на метаповерхностные. Для интеграции этой технологии нет необходимости в значительных инвестициях в совершенно новые производственные линии. Учитывая, что производители ЖК-дисплеев потратили более 100 миллиардов долларов на существующие фабрики, их может заинтересовать технология, которая даст их фабрикам вторую жизнь.

В надежде выйти на рынок дисплеев исследователи теперь надеются оптимизировать своё устройство, изменяя размеры нагревателя, потребляемую мощность и подходы к охлаждению. Они рассчитывают, что методы искусственного интеллекта и машинного обучения могут помочь в разработке более тонких и более эффективных дисплеев с метаповерхностями. Крупномасштабный прототип, который сможет генерировать изображения, должен появиться в течение следующих пяти лет. А интеграция этой технологии в реальные устройства возможна в течение следующих 10 лет.

Какими бы многообещающими не были метаповерхностные дисплеи, уже освоенная технология дисплеев на органических светодиодах (OLED) определённо является сильным конкурентом. Основным недостатком OLED-дисплеев считается их дороговизна и сравнительно небольшой срок службы, однако технология OLED быстро развиваются с точки зрения стоимости, производительности и эффективности. Кроме того, совершенствуются технологии microLED и квантовых точек, то есть в целом индустрия дисплеев не исчерпала себя для инноваций.