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Oct 20, 2023

Les écrans à métasurface ultra-mince visent l'écran LCD

Actuellement, les écrans LCD sont la technologie d'affichage la plus dominante et la plus populaire pour

Actuellement, les écrans LCD sont la technologie d'affichage la plus dominante et la plus populaire pour les téléviseurs et les moniteurs, mais il est peu probable qu'ils s'améliorent de manière significative à l'avenir. Maintenant, une nouvelle étude révèle que le type de physique qui rend possible les "capes d'invisibilité" microscopiques pourrait conduire à des écrans de "métasurface" de nouvelle génération d'environ 1/100 de l'épaisseur d'un cheveu humain moyen qui pourrait offrir 10 fois la résolution et en consommer moitié moins l'énergie que les écrans LCD.

La technologie LCD repose sur des cellules à cristaux liquides constamment éclairées par un rétroéclairage. Des polariseurs devant et derrière les pixels filtrent les ondes lumineuses en fonction de leur polarité ou de la direction dans laquelle elles vibrent, et les cellules à cristaux liquides peuvent tourner dans le sens où ces filtres sont orientés pour activer et désactiver les transmissions lumineuses.

Les écrans LCD continuent de voir des progrès en améliorant les cristaux liquides, la technologie d'affichage ou le rétroéclairage. "Cependant, les améliorations apportées aux technologies LCD ne sont désormais pour la plupart que progressives", déclare Eric Virey, analyste principal de l'affichage au sein de la société d'études de marché Yole Intelligence à Lyon, en France.

Le prototype d'appareil à quatre pixels peut commuter sa transmission lumineuse avec moins de 5 volts en seulement 625 microsecondes, ce qui se traduirait par plus de 1 000 images par seconde.

Une possibilité que les scientifiques explorent pour les écrans plats de nouvelle génération sont les métasurfaces, qui sont conçues pour posséder des caractéristiques que l'on ne trouve généralement pas dans la nature, telles que la capacité de plier la lumière de manière inattendue. La recherche sur les métasurfaces et autres métamatériaux a conduit à des capes d'invisibilité qui peuvent cacher des objets de la lumière, du son, de la chaleur et d'autres types d'ondes, entre autres découvertes.

Les métamatériaux optiques, qui sont conçus pour manipuler la lumière, contiennent des structures avec des motifs répétitifs à des échelles plus petites que les longueurs d'onde de la lumière qu'ils influencent. Cependant, leurs structures sont généralement statiques. Ceci est un obstacle pour de nombreuses applications qui nécessitent des propriétés optiques variables, telles que les écrans.

Des recherches antérieures ont étudié un certain nombre de façons différentes d'ajuster électriquement les propriétés de la métasurface. Cependant, jusqu'à présent, aucune de ces approches ne pouvait simultanément permettre un réglage rapide, large, transparent et à l'état solide, qui est nécessaire pour une utilisation dans les affichages et les lidars.

Dans une nouvelle étude, cependant, les chercheurs ont expérimenté des métasurfaces accordables électriquement compatibles avec les techniques de production CMOS standard. Ceux-ci reposent sur le grand effet thermo-optique du silicium, c'est-à-dire qu'un changement de température peut modifier considérablement les propriétés optiques du silicium.

"Nos pixels de métasurface sont compatibles avec les technologies actuelles de fabrication de puces en silicium, qui maintiennent les coûts de production bas", explique l'auteur principal de l'étude Mohsen Rahmani, professeur d'ingénierie à l'Université de Nottingham Trent, en Angleterre.

Le cœur du nouveau dispositif entièrement à l'état solide se compose d'une métasurface de silicium, plus précisément d'un film de 155 nanomètres d'épaisseur avec des trous de 78 à 101 nm de large disposés dans un réseau précis à l'intérieur. Cette métasurface est encapsulée par des bandes transparentes d'oxyde d'étain et d'indium électriquement conductrices de 380 nanomètres d'épaisseur qui peuvent servir de radiateurs électriques.

"L'une des directions importantes dans le domaine des métasurfaces est le besoin de reconfigurabilité", explique l'ingénieur électricien Andrea Alù du City University of New York Graduate Center, qui n'a pas participé à cette recherche. Ce nouveau travail "permet un moyen rapide, efficace et compact d'ajuster la réponse des métasurfaces, ce qui fait progresser le domaine".

"Il n'est pas nécessaire d'investir massivement dans de toutes nouvelles lignes de production pour intégrer cette technologie." —Mohsen Rahmani, Université de Nottingham Trent

Le prototype d'appareil à quatre pixels peut multiplier par neuf la quantité de lumière visible et proche infrarouge qu'il transmet avec moins de 5 volts en seulement 625 microsecondes, ce qui, sans tenir compte d'autres facteurs au moins, se traduirait par 1 600 images par seconde. En d'autres termes, la technologie a une fréquence d'images plus de 10 fois plus rapide que celle de la vidéo actuelle. Les chercheurs ont détaillé leurs découvertes en ligne le 22 février dans la revue Light: Science & Applications.

"Je trouve ce travail assez remarquable, en particulier la capacité de modifier dynamiquement l'état de la métasurface, et de le faire à une vitesse aussi élevée", déclare Virey, qui n'a pas pris part à la nouvelle étude. "Cela montre qu'il existe de nombreuses applications et propriétés potentielles encore inexplorées des métasurfaces et nous ne faisons probablement qu'effleurer la surface."

Les scientifiques notent un avantage clé de cette nouvelle approche est la stabilité. "Les nanostructures de silicium sont connues pour leur durabilité, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles elles sont toujours le matériau le plus populaire dans l'industrie des micropuces", explique Dragomir Neshev, auteur principal de l'étude et professeur de physique à l'Université nationale australienne de Canberra. "Nous avons exécuté nos échantillons prototypes plusieurs fois sur quelques mois et n'avons subi aucune dégradation."

Une question courante que les scientifiques reçoivent à propos de leur travail est la vitesse de refroidissement, "qui est toujours de l'ordre de la réponse de l'œil humain", explique Neshev. Il note "on peut augmenter considérablement l'effet de refroidissement avec une ingénierie plus poussée, comme l'utilisation de méthodes de refroidissement actives ou l'utilisation de rainures d'air autour des pixels".

Les chercheurs affirment que les nouvelles métasurfaces peuvent remplacer la couche de cristaux liquides dans les écrans LCD. En même temps, ils n'auraient pas besoin des polariseurs que font les cristaux liquides, qui sont responsables de la moitié de l'intensité lumineuse et de la consommation d'énergie gaspillées dans ces écrans.

"A plus long terme, il y a aussi beaucoup d'efforts sur les technologies microLED et les points quantiques électroluminescents. Donc, dans l'ensemble, l'industrie de l'affichage ne s'essouffle pas pour l'innovation."—Eric Virey, Yole Intelligence

Les lignes de production actuelles pour les écrans LCD peuvent, avec des modifications minimes, être mises à jour pour remplacer les pixels à cristaux liquides par des pixels à métasurface, note Rahmani. « Il n'est pas nécessaire d'investir massivement dans de toutes nouvelles lignes de production pour intégrer cette technologie », dit-il.

Aussi prometteurs que soient les écrans à métasurface, Virey prévient que les écrans à LED organiques (OLED), qui sont actuellement les principaux rivaux des écrans LCD, sont de puissants concurrents et n'ont pas besoin de couches de cristaux liquides.

"Les OLED sont déjà utilisées dans environ la moitié des smartphones", déclare Virey. "L'adoption dans la télévision décolle enfin, tout comme l'adoption dans les ordinateurs portables. L'écran LCD ne disparaîtra pas et restera probablement la technologie de choix pour la plupart des écrans d'entrée de gamme et de milieu de gamme, mais leur espace se rétrécit. En conséquence, alors que ils prévoient de conserver leur infrastructure de fabrication d'écrans LCD, les fabricants d'écrans ont, pour la plupart, cessé d'investir dans de nouvelles usines d'écrans LCD."

Rahmani soutient que les OLED sont "chers et ont une courte durée de vie", dit Rahmani. Le silicium a une durée de vie relativement longue, notent les chercheurs.

Cependant, "les OLED progressent rapidement en termes de coût, de performances et de processus de fabrication", note Virey. "Samsung a récemment commercialisé une nouvelle architecture OLED pour les téléviseurs et les moniteurs, combinant des OLED bleus et des points quantiques, alias" QD-OLED". Des matériaux OLED bleus plus efficaces devraient arriver sur le marché dans les deux prochaines années et aider à améliorer la luminosité, à augmenter la durée de vie et à réduire la consommation d'énergie. »

De plus, "à plus long terme, il y a aussi beaucoup d'efforts sur les technologies microLED et les QD électroluminescents", explique Virey. "Donc, dans l'ensemble, l'industrie de l'affichage ne s'essouffle pas pour l'innovation."

Dans l'espoir de percer sur le marché des écrans, les chercheurs espèrent maintenant optimiser leur appareil en modifiant les dimensions du chauffage, l'alimentation électrique et les approches de refroidissement. L'intelligence artificielle et les techniques d'apprentissage automatique pourraient également aider à concevoir des écrans de métasurface plus petits, plus fins et plus efficaces, ajoutent-ils. Alù, de la City University of New York, note que des tailles de pixels plus petites sont également souhaitables.

Les scientifiques visent à construire un prototype à grande échelle capable de générer des images dans les cinq prochaines années. Ils espèrent intégrer leur technologie dans les écrans plats accessibles au public dans les 10 prochaines années.

Un tel calendrier fait sens pour Virey. "En ce qui concerne les OLED, l'électroluminescence des matériaux polymères a été découverte dans les années 50, le premier appareil pratique a été démontré plus de 30 ans plus tard et les premiers écrans commerciaux n'ont été commercialisés qu'au début des années 2000", explique Virey. "La recherche sur les écrans microLED a commencé au début des années 2000, et nous ne nous attendons pas à avoir les premiers appareils commerciaux à haut volume avant 2025."

Étant donné que les fabricants d'écrans LCD ont dépensé plus de 100 milliards de dollars dans les usines actuelles, "les fabricants d'écrans pourraient être heureux de trouver une nouvelle technologie qui pourrait donner une seconde vie à leurs usines LCD vieillissantes", déclare Virey. « Les chercheurs doivent faire tous les efforts possibles pour s'assurer qu'il est aussi compatible que possible avec l'infrastructure de fabrication LCD existante. Le même processus de transistor à couche mince peut-il être utilisé ? Pouvez-vous intégrer la technologie dans une usine LCD existante avec un minimum de changements et d'investissements ?

Cet article apparaît dans le numéro imprimé de mai 2023 sous le titre "Metasurface Displays Target the LCD".