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Nanotecnologia sul display
Nel Samsung Advanced Institute of Technology, a sud di Seoul, in Corea del Sud, quello che da lontano sembra un normale televisore da 38 pollici riproduce un ciclo infinito di pubblicità per i film di James Bond. Come i display sempre più comuni nelle case americane, è un grande rettangolo piatto di colore e movimento in una cornice di plastica high-tech. Ma a differenza delle immagini su una normale TV, quelle su questo modello di laboratorio sono generate da uno strato di nanotubi di carbonio che sparano elettroni su uno schermo al fosforo come tante minuscole palle di cannone. In tutto il mondo, gli schermi televisivi sono l'emblema di una noiosa domesticità. Ma questo è all'avanguardia della rivoluzione nanotecnologica di domani: potrebbe essere il primo prodotto commerciale che porta l'elettronica su nanoscala nelle case della classe media.
I ricercatori di tutto il mondo stanno correndo per perfezionare questo nuovo tipo di display, che dovrebbe essere più luminoso, più nitido e meno affamato di energia rispetto agli attuali televisori a schermo piatto. Per il momento, però, l'istituto Samsung sembra essere in testa. Sono loro da battere, afferma Yahachi Saito, ricercatore capo di un gruppo rivale all'Università di Nagoya in Giappone. Si sono mossi molto velocemente.
Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2004
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Samsung e le aziende tecnologiche sudcoreane in generale sono raramente considerate i principali sviluppatori di nuove tecnologie. Questo è uno stereotipo, tuttavia, che l'azienda è determinata a cambiare. Siamo ancora identificati, correttamente, con la produzione a basso costo, afferma Young Joon Gil, chief technology officer presso l'istituto Samsung. Ma poiché i concorrenti emergono dalla Cina e da altri paesi dell'Asia orientale, afferma, Samsung deve gradualmente passare a un'innovazione ad alto profitto e ad alto rischio per sopravvivere.
La nanotecnologia è la più importante delle discipline rischiose che l'azienda spera di estrarre per nuovi prodotti e gli schermi TV a nanotubi sono i suoi primi frutti. Conosciuti come display a emissione di campo, dovrebbero essere nei negozi, dice Young, entro la fine del 2006, comodamente prima della concorrenza.
Soddisfare quella previsione non sarà facile. Portare semplicemente i display per le emissioni sul campo dal laboratorio al punto vendita richiederà la risoluzione di una serie di difficili problemi tecnici. Inoltre, gli attuali display a schermo piatto, basati sulla tecnologia a cristalli liquidi e al plasma, stanno diventando costantemente migliori e più economici, il che significa che i ricercatori nel campo delle nanotecnologie dovranno lavorare di più solo per tenere il passo. Anche il successo creerebbe una serie di problemi, dal momento che Samsung, uno dei principali produttori mondiali di display a cristalli liquidi e al plasma, nonché di normali televisori a tubo catodico, sarà in competizione con se stessa.
I display nanotecnologici sono quindi sia un presagio di una futura rivoluzione tecnologica sia un esempio di come una grande azienda di elettronica, con mercati redditizi e consolidati da proteggere, stia cercando di gestire e contenere quella rivoluzione. Crediamo che dobbiamo padroneggiare questo campo per crescere, dice Young. Ma allo stesso tempo non possiamo lasciare che distrugga la nostra azienda. Dobbiamo guardare con molta attenzione.
A caccia del futuro
I display a emissione di campo sono una vecchia idea che è diventata improvvisamente più attraente nel 1991, quando Sumio Iijima, uno specialista di microscopi elettronici presso la NEC Research di Tsukuba, in Giappone, ha scoperto che le molecole di carbonio potrebbero collegarsi tra loro in lunghi e sottili cilindri chiamati in seguito nanotubi. (Il nano, come il nano nella nanotecnologia, viene dal nanometro, un miliardesimo di metro.) I tubi erano come minuscoli fogli di molecole di carbonio che erano stati arrotolati in cilindri un decimillesimo della larghezza di un capello umano. Gli scienziati hanno rapidamente appreso che queste strutture insolite avevano una serie di proprietà interessanti, tra cui una grande resistenza e un'elevata conduttività elettrica e termica.
Ma ciò che ha attratto Saito, il ricercatore di Nagoya, verso i nanotubi di carbonio è stata la possibilità che potessero agire come cannoni elettronici. Collocati in un campo elettrico correttamente allineato, dicevano i fisici teorici, i tubicini dovrebbero emettere elettroni come tubi che emettono flussi d'acqua. Molti materiali emettono elettroni quando viene applicata una tensione sufficiente; la differenza, hanno detto i fisici, è che i nanotubi dovrebbero effettivamente accelerare le particelle lungo la loro lunghezza, il che consentirebbe loro di emettere elettroni di energia sufficiente per attivare i fosfori in campi a bassissima tensione. Saito, ora professore di ingegneria quantistica, ha dimostrato pubblicamente per la prima volta questo effetto nel 1998. Lavorando con Noritake, una grande azienda di ceramiche ed elettronica di Nagoya, ha assemblato una piccola serie di nanotubi che sparavano elettroni in uno schermo al fosforo, creando una luce brillante.
Gli esperimenti di Saito avevano un ovvio obiettivo commerciale: il mercato mondiale dei televisori da 61 miliardi di dollari l'anno. I tubi catodici all'interno dei televisori tradizionali sono cambiati poco da quando sono stati inventati negli anni '20, in netto contrasto con quasi tutti gli altri dispositivi elettronici di consumo. Sparano elettroni dalle punte dei fili su schermi al fosforo, creando schemi di punti luminosi che l'occhio umano interpreta come immagini in movimento. I tubi a raggi catodici sono intrinsecamente ingombranti, perché il cannone elettronico deve sedersi abbastanza lontano da colpire l'intero schermo. Di conseguenza, il cinescopio in un tipico schermo da home theater è un oggetto enorme che riempie quasi una stanza; i produttori ritengono che i dispositivi sarebbero più popolari se fossero più gestibili.
Per realizzare televisori a grande schermo più sottili e leggeri, i produttori si sono rivolti a schermi al plasma ea cristalli liquidi, ma questi hanno i loro svantaggi, a cominciare dal loro prezzo elevato (vedi Screen Test, p. 65). Gli schermi al plasma, ad esempio, sono vulnerabili al burn-in, in cui le immagini immobili, se visualizzate per troppo tempo, diventano permanentemente bruciate nel vetro. Consumano anche fino a 700 watt di potenza, abbastanza da far preoccupare alcuni critici per le conseguenze ambientali se i display fossero ampiamente adottati. Negli LCD, nel frattempo, i pixel passano relativamente lentamente da un colore all'altro, il che fa sì che le immagini in rapido movimento si sbiadiscano o lasci fantasmi poiché le cellule non riescono a tenere il passo con l'azione.
I display delle emissioni di campo, in teoria, risolveranno molti di questi problemi. Non sono vulnerabili al burn-in e consumano molta meno energia. Allo stesso tempo, i pixel in un display a emissione di campo possono accendersi e spegnersi più velocemente di quelli in un display a cristalli liquidi, il che significa che le immagini in rapido movimento non si macchiano. E quelle immagini possono essere visualizzate da qualsiasi angolazione, mentre i display a cristalli liquidi richiedono che gli spettatori siano direttamente davanti allo schermo.
Ma fare in modo che i nanotubi di carbonio emettano elettroni sullo schermo di un vero televisore di consumo richiederà dozzine di innovazioni in diversi campi, il tipo di sforzo che spesso è meglio coordinato da aziende molto grandi. In effetti, più o meno nel periodo in cui Saito produsse il suo primo display per le emissioni sul campo, apprese di dover affrontare la concorrenza di un luogo improbabile: la Corea del Sud.
S C R E E n T E S T | ||||
I tubi a raggi catodici hanno dominato la tecnologia dei display TV per quasi 70 anni, ma oggi sono impegnati in una corsa a quattro per il futuro dell'intrattenimento domestico. | ||||
TUBI A RAGGI CATODICI | DISPLAY A CRISTALLI LIQUIDI | DISPLAY AL PLASMA | VISUALIZZAZIONI EMISSIONI IN CAMPO | |
COME FUNZIONANO | Un raggio di elettroni guidato da campi magnetici colpisce i fosfori su uno schermo di vetro | La luce polarizzata risplende attraverso porte a cristalli liquidi che controllano il colore e l'intensità dei pixel | Un impulso elettrico fa scattare un'esplosione di gas ionizzato in ogni pixel, come se fosse una minuscola insegna al neon | I nanotubi di carbonio incollati a un substrato sparano elettroni ai fosfori su uno schermo di vetro |
PUNTI FORTI | Affidabile | Magro | Magro | Magro |
PUNTI DEBOLI | Il cannone elettronico deve essere posizionato molto dietro lo schermo, rendendo i tubi ingombranti e pesanti | Il visore deve essere posizionato direttamente davanti allo schermo | Elevato consumo energetico | Problemi tecnici irrisolti, come il mantenimento del vuoto tra supporto e vetro |
Oltre lo Sweatshop
A sud di Seoul, la grinta urbana della capitale lascia il posto a colline lussureggianti, ondulate e basse punteggiate da parchi per uffici che non sarebbero fuori luogo in un sobborgo di San Francisco o Boston. Nella comunità pianificata di Kiheung, un complesso particolarmente grande - un insieme di quattro strutture basse e parallele attraversate da un corridoio centrale - ospita il Samsung Advanced Institute of Technology, probabilmente il principale centro di ricerca privato della Corea.
L'istituto è in gran parte la visione del presidente di Samsung Lee Kun Hee, che lo ha fondato subito dopo aver preso il timone dell'azienda nel 1987. Samsung è una delle chaebol della Corea del Sud, le gigantesche holding a controllo familiare che ancora dominano l'economia della nazione. Al momento dell'adesione di Lee, era, come la maggior parte delle aziende di elettronica coreane, un esemplare di quella che a volte viene definita in modo sprezzante elettronica sfruttatrice: approfittare dei bassi salari della nazione per ridurre i produttori nelle aree più ricche. Vendeva la maggior parte dei suoi prodotti come merci a società più note, molte delle quali nel vicino Giappone, che li infilavano in scatole e ci mettevano sopra il proprio nome.
Lee, il terzo figlio del fondatore di Samsung, ha sostenuto che il crescente successo dell'azienda – e della Corea – attirerebbe inevitabilmente la concorrenza di nazioni con salari ancora più bassi, in particolare la Cina. Samsung, ha detto, dovrebbe entrare in nuove attività per sopravvivere; Cambia tutto tranne tua moglie e i tuoi figli! era il suo grido di battaglia. In pratica, ciò significava concentrarsi su prodotti di fascia più alta e più redditizi. Samsung dovrebbe diventare un marchio, un simbolo di qualità come Sony o Honda.
A tal fine, sosteneva Lee, Samsung avrebbe dovuto innovare, il che a sua volta significava aumentare drasticamente i suoi sforzi di ricerca e sviluppo. Il Samsung Advanced Institute of Technology è stato il risultato logico. Lentamente ma costantemente ampliato dalla sua creazione, il laboratorio impiega oggi 950 dipendenti, circa un quarto dei quali lavora nel core business dei semiconduttori di Samsung (l'azienda è il più grande produttore mondiale di chip di memoria ad accesso casuale). Secondo il rappresentante dell'azienda Lee Hyunji, i ricercatori dell'istituto collaborano con circa 120 università e centri di ricerca in 15 paesi.
Samsung ora vende prodotti all'avanguardia, dai lettori DVD supersottili ai chip per videogiochi. È diventato il terzo produttore di telefoni cellulari al mondo, con una linea di telefoni premium molto popolare con schermi a colori nitidi. In un elenco delle aziende di elettronica più ammirate del 2003, la rivista Fortune ha classificato Samsung al quarto posto nel mondo. Samsung ha speso 2,9 miliardi di dollari in ricerca e sviluppo nel 2003; le vendite lorde quell'anno per il gruppo Samsung nel suo insieme sono aumentate di quasi l'11% dal 2002, a circa 55 miliardi di dollari.
Riempire il vuoto
I display a emissione di campo esemplificano il prossimo passo che Samsung cerca di compiere nella sua trasformazione aziendale da concorrente high-tech a leader del settore. La tecnologia dei display è estremamente complessa per cominciare, afferma Kim Jong Min, vicepresidente e direttore del laboratorio materiali dell'istituto. E l'uso dei nanotubi si aggiunge enormemente a questo, sia per gli inevitabili problemi che derivano sempre dall'esplorazione di un'area sconosciuta, sia per il fatto che qui non esiste un modello da seguire. Secondo Kim, i display delle emissioni di campo basati su nanotubi sono così complessi che nessuna singola azienda può svilupparli da sola. Di conseguenza, i ricercatori di tutto il mondo stanno suddividendo la tecnologia nelle sue componenti e assegnando in modo informale diversi gruppi per lavorare su ciascuna di esse. Samsung, ad esempio, non ha intenzione di produrre i propri nanotubi, se non per scopi di ricerca. Invece, li comprerà in polvere da Carbon Nanotechnologies, un'azienda con sede a Houston con un considerevole arsenale di brevetti nel settore. Un grammo di polvere di nanotubi di carbonio, sufficiente per fare una mezza dozzina di display da 40 pollici, è costato 100 dollari l'anno scorso, dice Kim, ma sarà venduto a meno di 10 dollari in due anni. Questa è una competizione a cui non parteciperemo.
Allo stesso modo, Samsung non intende concentrarsi sulla colla che fissa i minuscoli tubi alla loro base vetrosa, di per sé una sfida tecnologica appiccicosa. L'azienda sta lavorando con DuPont per creare un adesivo abbastanza sottile da spargersi, abbastanza forte da trattenere i tubi ultrasottili per le estremità, abbastanza resistente da mantenere la presa nonostante l'inevitabile espansione e contrazione dal calore e abbastanza facile da rimuovere che i produttori possono pulire l'adesivo vagante dalle parti superiori dei nanotubi, in modo che possano spruzzare gli elettroni.
Né l'azienda sta cercando di ottenere un vantaggio sviluppando i componenti fisici del display stesso: i distanziatori che tengono separati i fogli superiore e inferiore dello schermo, l'imballaggio ad alto vuoto, i circuiti del driver e altri componenti standard di emissione di campo e materiali. Invece, si è unita a un consorzio di oltre una mezza dozzina di aziende e università europee create appositamente per affrontare questi problemi e ha incorporato i primi risultati del gruppo nel display da 38 pollici che ora mostra gli occhi blu Bond di Pierce Brosnan.
Delegare questi aspetti del design del display delle emissioni di campo lascia ancora molto a Samsung su cui lavorare, a cominciare dal vetro stesso. I nanotubi devono sparare i loro elettroni attraverso il vuoto; altrimenti verrebbero assorbiti o deviati dalle molecole d'aria. Tuttavia, è difficile realizzare ciò che equivale a una camera a vuoto molto ampia e simile a un foglio, perché su una vasta area la pressione dell'aria tenderà a schiacciare insieme i due lati dello schermo. La risposta ovvia è mettere un pilastro di supporto al centro dello schermo. Ma poi, spiega Saito, vedi il supporto al centro dell'immagine.
Altrettanto problematica, a suo avviso, è l'espansione e la contrazione termica del display. Quando i nanotubi emettono elettroni, il display diventa più caldo e tutti i suoi materiali si espandono; quando il fascio di elettroni è spento, si restringono. Il problema è come accogliere l'espansione, dice Saito. La sua squadra ha dovuto trovare materiali il cui coefficiente di dilatazione termica fosse lo stesso del vetro, in modo che l'intero display si espandesse e si contraesse di concerto.
Il modo esatto in cui Samsung ha messo insieme tutti questi pezzi è il nostro segreto, afferma Kim. Questo è quello che facciamo: siamo un'azienda che produce dispositivi. Ma la chiave della decisione di Samsung di concentrarsi sui display a emissioni di campo, ammette, è il fatto fortunato che possono tollerare l'imprecisione. Con la tecnologia attuale, l'allineamento dei nanotubi sul retro del display è un processo inesatto. I tubi puntano in un miscuglio di direzioni diverse e la maggior parte è troppo rotta o piegata per emettere elettroni con successo. Fortunatamente i nanotubi sono piccoli: circa 10.000 coprono ogni pixel del display. Di conseguenza, afferma Kim, ci aspettiamo che funzionino solo dal 30 al 50 percento, ma abbiamo bisogno solo del 30-50 percento per illuminare il pixel e ingannare l'occhio umano.
Samsung è abbastanza soddisfatta del risultato da consentire a un giornalista di Technology Review di essere il primo reporter non coreano a visitare l'Advanced Institute of Technology. Camminando attraverso il labirinto dell'istituto di piccoli laboratori illuminati a fluorescenza, ognuno con la sua cerchia di ricercatori in camice bianco e schermi di computer luminosi, Kim afferma che il display consuma circa 100 watt, circa un terzo della potenza richiesta per uno schermo al plasma medio di paragonabile dimensione. Questo è solo per ora, aggiunge. Con uno spessore di appena due millimetri, il vetro dello schermo è abbastanza sottile da rendere il display più sottile di qualsiasi cosa ora sul mercato.
Arrivando alla mostra, Kim la introduce con la leggera ansia di un genitore orgoglioso che spera che gli estranei apprezzino le qualità speciali della sua prole. L'immagine è nitida come quelle prodotte dai tradizionali tubi catodici ad alta definizione con dimensioni di visualizzazione simili, sebbene lo schermo abbia diversi piccoli punti vuoti. (Difficoltà del prototipo, spiega Kim.) Alla domanda se la tecnologia è quasi pronta per il mercato, gli scienziati nella stanza si guardano l'un l'altro incerti. Samsung, dice infine Kim, ha appena iniziato a lavorare sulla vera sfida nel portare la nanotecnologia nel mondo: rendere il prodotto accessibile. I problemi economici, dice, sono molto, molto più difficili di quelli tecnologici.
Fortunato $ 7
Samsung non è solo. A due ore di distanza in Giappone, il successo di Saito – e i timori di essere eclissato dalla Corea – hanno portato la New Energy and Industrial Technology Development Organization del governo a stabilire un progetto nazionale da 37 milioni di dollari e della durata di 2,5 anni per sviluppare display delle emissioni sul campo. Lanciato nel 2003, il progetto ha quattro partecipanti principali: Hitachi; vetro Asahi; una collaborazione Nagoya University-Noritake diretta da Saito; e uno sforzo congiunto di Mitsubishi, Università di Kyoto, Università di Osaka e Università della prefettura di Osaka. I coreani sono ancora davanti a noi, dice Saito. Ma stiamo lavorando duramente per recuperare.
Così come una dozzina di altre aziende in Giappone, Europa e Stati Uniti. Si ritiene generalmente che i leader siano Noritake, Mitsubishi, Motorola e il Laboratorio di elettronica e tecnologia dell'informazione del Commissariato francese per l'energia atomica a Grenoble. Motorola ha dimostrato un piccolo prototipo nel 2002; l'anno scorso, il laboratorio francese ne ha dimostrati diversi, così come una piccola e segreta startup della Silicon Valley, cDream.
La nanotecnologia è spesso descritta come una tecnologia con il potenziale di capovolgere l'ordine stabilito. In una teoria spesso propagandata dai consulenti aziendali, è improbabile che i maggiori operatori storici di un settore sviluppino tali tecnologie, per due motivi: in primo luogo, sono meno redditizi nelle fasi iniziali e, in secondo luogo, hanno il potenziale per minare i prodotti esistenti. Alla fine, una piccola startup sviluppa la tecnologia, usando il suo tagliente vantaggio tecnologico per sopraffare la concorrenza e, infine, scuotere l'establishment.
Resta da vedere se i display delle emissioni di campo si adattano a questo modello. I nanotubi hanno evidenti vantaggi tecnologici sulla carta, ma sul mercato sono tutt'altro che schiaccianti. In questo momento, i display al plasma da 42 pollici in genere vengono venduti al dettaglio da $ 2.500 a $ 3.500; i grandi display a cristalli liquidi vanno da circa $ 5.500 a $ 7.000. Ma il costo di entrambe le tecnologie sta precipitando. Il costo di produzione per pollice diagonale dei display al plasma sarà di circa $ 9 nel 2005 e nel 2006, afferma Kim. Ma poiché abbiamo costi di avvio, dobbiamo batterli con un margine considerevole, ad esempio $ 7 per pollice diagonale.
Fortunatamente per Samsung, i metodi di produzione per i display a emissione di campo sono abbastanza simili a quelli per i display al plasma da poter utilizzare uno dei suoi attuali impianti di fabbricazione per costruire i dispositivi, evitando i costi generali di una costosa nuova fabbrica. Tuttavia, se i display al plasma continuano a diventare più economici, afferma Kim, perderemo la nostra opportunità e i display a emissione di campo non li sostituiranno. E anche se Samsung raggiunge il magico numero di $ 7, dice, per rimanere competitivo dovrà superarlo, forse a $ 5 per pollice. La nanotecnologia può essere una tecnologia dirompente per i display, afferma Kim. Ma i metodi convenzionali possono interromperlo.
In effetti possono. A luglio, Samsung SDI, la consociata di display dell'azienda, ha annunciato che il prossimo anno introdurrà un CRT standard per uno schermo televisivo da 32 pollici profondo solo 14 pollici, metà della profondità dei tubi catodici esistenti. I televisori con il nuovo tubo Vixlim, ha promesso la società, si ridurranno da due piedi di profondità a 15 pollici; avranno anche immagini di qualità migliore rispetto ai display al plasma o ai cristalli liquidi e costano fino a un terzo in meno. Entro la fine del 2005, prevede Samsung SDI, i nuovi tubi saranno in ogni grande televisore standard che produce. I cinescopi standard, secondo il rappresentante dell'azienda Lee, entreranno in un nuovo periodo di boom.
Alla domanda sul nuovo Samsung CRT, Kim emette un finto lamento. Sono ottimi ricercatori, dice. Se i display a emissione di campo costano tre volte di più dei CRT e sono solo un po' più sottili, ammette, nessuno li comprerà. Tuttavia, crede che coprendo le sue scommesse, l'azienda nel suo insieme uscirà vincente. Così sarà il consumatore, che godrà di prezzi in costante calo. Secondo Kim, i display delle emissioni di campo alla fine prevarranno, diventando l'avanguardia di un'ondata in arrivo di prodotti nanotecnologici. Ma la gara sarà molto più ravvicinata di quanto le successive storie di affari possano far sembrare.