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次世代ディスプレイは「メタサーフェス」によって、より安価で高性能になる可能性

英国ノッティンガム・トレント大学、オーストラリア国立大学(ANU)、キャンベラ大学(UNSW)の研究者は、より薄く、より高解像度で、よりエネルギー効率の高いスクリーンや電子機器の「新時代」の幕開けに繋がる重要な新技術「メタサーフェス画素」を開発したことを発表した。

「従来のディスプレイの性能はピークに達しており、複数の制限により将来的に大幅に改善される可能性は低い。今日、高解像度と高速リフレッシュレートの完全固体フラットディスプレイ技術が探求されています。私たちは、次世代ディスプレイに最適なメタサーフェス画素を設計・開発しました。液晶とは異なり、我々の画素は機能するために偏光を必要としないので、スクリーンのエネルギー消費量を半減させることができます。」と、ARC Centre for Excellence in Transformative Meta-Optical Systems(TMOS)のディレクターでオーストラリア国立大学物理学教授のDragomir Neshev氏は、プレスリリースで述べている。

KhosroZangeneh
オーストラリア国立大学の博士号取得者であるKhosro Zangeneh Kamali氏と、チームの電気的にプログラム可能なシリコン メタサーフェスの概念実証
(Credit: Khosro Zangeneh Kamali)

電磁波(光)の波長よりも細かな構造体を利用して,物質の電磁気学(光)的な特性を人工的に操作した疑似物質をメタマテリアルと呼ぶが、これを2次元にしたものが、「メタサーフェス(metasurface)」と呼ばれる。

研究チームは、「メタサーフェス」を設計し、LCDやLEDよりも優れた性能と複数の利点を提供することができるようにした。メタサーフェスは液晶セルよりも100倍薄く、解像度は「10倍」高く、消費電力は50%少ない。

また、個々の画素を高い変調度で制御するために、概念実証プラットフォームでは、透明導電性酸化物を電気駆動ヒーターとして用い、液晶セルの100倍、人間の髪の毛の200倍という薄さのシリコンメタサーフェイスセルの光学特性を迅速に変化させることができると報告されている。この技術により、応答時間は1ミリ秒以下となり、人間の目の検出限界の10倍以上の速さになるという。

「フラットパネルディスプレイの最も重要な指標は、画素サイズと解像度、重量、そして消費電力です。私たちは、このメタディスプレイのコンセプトで、これらすべてに対応しました」と、主任研究員であるノッティンガム・トレント大学工学部教授のMohsen Rahmani氏は述べている。

Dr Lei Xu
研究チームのDr Lei Xu (Credit: Nottingham Trent University)

研究者は、この技術の最も大きな利点は、消費電力の大幅な削減であると考えている。「家庭や企業で毎日多くのモニターやテレビが使われていることを考えると、これは素晴らしいニュースです。過去10〜20年の間にかつてのブラウン管テレビと同じように、液晶ディスプレイやLEDディスプレイも段階的に廃止される時期に来ていると考えています」とRahmani氏は述べている。

「この画素はシリコンでできており、既存の代替品に必要な有機材料とは対照的に、長寿命を実現しています。さらに、シリコンは広く入手可能で、成熟した技術であるCMOSと互換性があり、製造コストも安い」とUNSWキャンベラのナノフォトニクスチームの主任研究者であるAndrey Miroshnichenko氏は、この技術の優位性を強調している。

また、メタサーフェスアレイは今日のディスプレイの液晶層を効果的に置き換えることができるため、メーカーはパネルを製造するためにまったく新しい生産ラインに投資する必要はない事も大きな利点だろう。

研究者らは、高精細画像の生成とともに、今後5年以内に大規模なプロトタイプが実現することを望んでいる。それが実現すれば、この技術はフラットスクリーンに組み込まれ、10年以内に一般に公開されることになるだろう。

ノッティンガム・トレント大学のチームメンバーであるLei Xu博士は、「人工知能と機械学習技術を採用し、さらに小さく、薄く、効率のよいメタサーフェイスディスプレイを設計・実現することで、さらなる改善の余地が大いにあります」と述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

ここ数十年、メタサーフェスはその並外れた光散乱特性から注目を集めてきた。しかし、その本質的に静的な形状は、光学的挙動の動的な調整が必要とされる多くの応用にとって障害となります。現在、メタサーフェスの特性を動的に調整することが求められており、特に、高速な調整速度、小さな電気信号による大きな変調、固体状態、複数のピクセルに渡るプログラム可能性が求められています。私たちは、熱光学効果とフラッシュヒーティングによって電気的に調整可能なメタサーフェスをシリコン上で実現しました。5V以下のバイアス電圧で9倍の透過率変化と625µs以下の変調立ち上がり時間を実現しました。このデバイスは、局所的なヒーターとして透明導電性酸化物でカプセル化されたシリコンホールアレイメタサーフェスで構成されています。このデバイスは、電気的にプログラム可能な複数のピクセルにわたって、ビデオフレームレートの光スイッチングを可能にします。提案する調整方法は、他の方法と比較して、可視および近赤外領域での変調に適用できること、変調深度が大きいこと、透過領域で動作すること、光損失が小さいこと、入力電圧が低いこと、ビデオレートよりも高いスイッチング速度で動作することなどが利点として挙げられます。さらに、このデバイスは、最新の電子ディスプレイ技術と互換性があり、高速で固体、透明な光スイッチが必要とされるフラットディスプレイ、バーチャルリアリティ・ホログラフィ、光検出・測距などのパーソナル電子機器に最適であると考えられる。

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