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La nanotechnologie à l'affiche
Dans le Samsung Advanced Institute of Technology, au sud de Séoul, en Corée du Sud, ce qui ressemble de loin à un téléviseur ordinaire de 38 pouces diffuse une boucle sans fin de publicités pour les films de James Bond. Comme les écrans de plus en plus courants dans les foyers américains, il s'agit d'un grand rectangle plat de couleur et de mouvement dans un cadre en plastique de haute technologie. Mais contrairement aux images d'un téléviseur ordinaire, celles de ce modèle de laboratoire sont générées par une couche de nanotubes de carbone projetant des électrons sur un écran au phosphore comme autant de minuscules boulets de canon. Partout dans le monde, les écrans de télévision sont les emblèmes d'une domestique pesante. Mais celui-ci est à l'avant-garde de la révolution nanotechnologique de demain : il pourrait être le premier produit commercial qui apportera l'électronique à l'échelle nanométrique dans la maison de la classe moyenne.
Les chercheurs du monde entier se précipitent pour perfectionner ce nouveau type d'affichage, qui devrait être plus lumineux, plus net et moins gourmand en énergie que les téléviseurs à écran plat actuels. Pour le moment, cependant, l'institut Samsung semble avoir la tête. Ce sont eux à battre, déclare Yahachi Saito, chercheur principal d'un groupe rival à l'Université de Nagoya au Japon. Ils ont bougé très vite.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2004
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Samsung, et les entreprises technologiques sud-coréennes en général, sont rarement considérés comme les principaux développeurs de nouvelles technologies à la mode. Il s'agit toutefois d'un stéréotype que l'entreprise est déterminée à changer. Nous sommes toujours identifiés, à juste titre, avec la fabrication à faible coût, explique Young Joon Gil, directeur de la technologie à l'institut Samsung. Mais au fur et à mesure que des concurrents émergent de Chine et d'autres pays d'Asie de l'Est, dit-il, Samsung doit progressivement passer à une innovation à haut rendement et à haut risque pour survivre.
La nanotechnologie est la plus importante des disciplines à risque que l'entreprise espère exploiter pour de nouveaux produits, et les écrans de télévision à nanotubes en sont les premiers fruits. Connu sous le nom d'écrans à émission de champ, ils devraient être dans les magasins, dit Young, d'ici la fin de 2006, confortablement en avance sur la concurrence.
Répondre à cette prédiction ne sera pas facile. Le simple transport des écrans d'émission de champ du laboratoire au magasin de détail nécessitera la résolution d'une multitude de problèmes techniques difficiles. De plus, les écrans plats actuels, basés sur la technologie à cristaux liquides et plasma, sont de plus en plus performants et moins chers, ce qui signifie que les chercheurs en nanotechnologie devront travailler plus dur juste pour suivre le rythme. Même le succès créerait son propre lot de problèmes, puisque Samsung - l'un des principaux fabricants mondiaux d'écrans à cristaux liquides et plasma, ainsi que de téléviseurs à tube cathodique ordinaires - sera en concurrence avec lui-même.
Les écrans nanotechnologiques sont donc à la fois un signe avant-coureur d'une révolution technologique à venir et un exemple de la façon dont une grande entreprise d'électronique - avec des marchés lucratifs et établis à protéger - essaie de gérer et de contenir cette révolution. Nous pensons que nous devons maîtriser ce domaine pour grandir, dit Young. Mais en même temps, nous ne pouvons pas laisser cela anéantir notre entreprise. Nous devons surveiller très attentivement.
Tirer pour l'avenir
Les écrans à émission de champ sont une vieille idée qui est soudainement devenue plus attrayante en 1991, lorsque Sumio Iijima, un spécialiste du microscope électronique à NEC Research à Tsukuba, au Japon, a découvert que les molécules de carbone pouvaient se lier entre elles en de longs cylindres minces, plus tard surnommés nanotubes. (Le nano, comme le nano en nanotechnologie, vient du nanomètre, un milliardième de mètre.) Les tubes étaient comme de minuscules feuilles de molécules de carbone qui avaient été enroulées en cylindres d'un dixième de millième de la largeur d'un cheveu humain. Les scientifiques ont rapidement appris que ces structures inhabituelles avaient une multitude de propriétés intéressantes, notamment une grande résistance et une conductivité électrique et thermique élevée.
Mais ce qui a attiré Saito, le chercheur de Nagoya, vers les nanotubes de carbone, c'est la possibilité qu'ils puissent agir comme des canons à électrons. Placés dans un champ électrique correctement aligné, ont déclaré les physiciens théoriciens, les petits tubes devraient projeter des électrons comme des tuyaux émettant des jets d'eau. De nombreux matériaux émettent des électrons lorsqu'une tension suffisante est appliquée ; la différence, selon les physiciens, est que les nanotubes devraient en fait accélérer les particules sur leur longueur, ce qui leur permettrait d'émettre des électrons d'une énergie suffisante pour activer les luminophores dans des champs à très basse tension. Saito, aujourd'hui professeur d'ingénierie quantique, a démontré publiquement cet effet pour la première fois en 1998. En collaboration avec Noritake, une grande entreprise de céramique et d'électronique de Nagoya, il a assemblé un petit réseau de nanotubes qui projetaient des électrons dans un écran au phosphore, créant une lumière vive.
Les expériences de Saito avaient une cible commerciale évidente : le marché mondial de 61 milliards de dollars par an des téléviseurs. Les tubes cathodiques à l'intérieur des téléviseurs traditionnels ont peu changé depuis leur invention dans les années 1920, ce qui contraste fortement avec presque tous les autres équipements électroniques grand public. Ils projettent des électrons des extrémités des fils sur des écrans au phosphore, créant des motifs de points lumineux que l'œil humain interprète comme des images en mouvement. Les tubes à rayons cathodiques sont intrinsèquement volumineux, car le canon à électrons doit être suffisamment en retrait pour toucher tout l'écran. En conséquence, le tube image dans un écran de cinéma maison typique est un objet massif qui remplit presque une pièce ; les fabricants pensent que les appareils seraient plus populaires s'ils étaient plus faciles à gérer.
Pour fabriquer des téléviseurs grand écran plus minces et plus légers, les fabricants se sont tournés vers les écrans plasma et à cristaux liquides, mais ceux-ci ont leurs propres inconvénients, à commencer par leur prix élevé (voir Screen Test, p. 65). Les écrans plasma, par exemple, sont vulnérables au burn-in, dans lequel les images immobiles, si elles sont affichées trop longtemps, se gravent en permanence dans le verre. Ils consomment également jusqu'à 700 watts de puissance, suffisamment pour que certains critiques s'inquiètent des conséquences environnementales si les écrans étaient largement adoptés. Dans les écrans LCD, pendant ce temps, les pixels passent relativement lentement d'une couleur à l'autre, ce qui provoque des bavures ou des images fantômes sur les images en mouvement rapide, car les cellules ne parviennent pas à suivre l'action.
Les écrans à émission de champ résoudront, en théorie, bon nombre de ces problèmes. Ils ne sont pas vulnérables au burn-in et consomment beaucoup moins d'énergie. Dans le même temps, les pixels d'un écran à émission de champ peuvent s'allumer et s'éteindre plus rapidement que ceux d'un écran à cristaux liquides, ce qui signifie que les images en mouvement rapide ne s'étalent pas. Et ces images peuvent être visualisées sous n'importe quel angle, tandis que les écrans à cristaux liquides nécessitent que les téléspectateurs soient directement devant l'écran.
Mais obtenir des nanotubes de carbone pour projeter des électrons sur un écran dans un téléviseur grand public nécessitera des dizaines d'innovations dans plusieurs domaines - le genre d'efforts souvent mieux coordonnés par de très grandes entreprises. En effet, à peu près au moment où Saito a produit son premier écran d'émission sur le terrain, il a appris qu'il était confronté à la concurrence d'un endroit improbable : la Corée du Sud.
S C R ET ET N T ET S T | ||||
Les tubes à rayons cathodiques ont dominé la technologie d'affichage TV pendant près de 70 ans, mais aujourd'hui, ils sont enfermés dans une course à quatre pour l'avenir du divertissement à domicile. | ||||
TUBES À RAYONS CATHODIQUES | ÉCRAN À CRISTAUX LIQUIDES | ÉCRAN PLASMA | AFFICHAGE DES ÉMISSIONS SUR LE TERRAIN | |
COMMENT ILS TRAVAILLENT | Un faisceau d'électrons dirigé par des champs magnétiques frappe des phosphores sur un écran de verre | La lumière polarisée brille à travers des portes à cristaux liquides qui contrôlent la couleur et l'intensité des pixels | Une impulsion électrique déclenche une explosion de gaz ionisé dans chaque pixel, comme s'il s'agissait d'une minuscule enseigne au néon | Des nanotubes de carbone collés à un substrat projettent des électrons sur des phosphores sur un écran de verre |
POINTS FORTS | Fiable | Mince | Mince | Mince |
POINTS FAIBLES | Le canon à électrons doit être placé loin derrière l'écran, ce qui rend les tubes volumineux et lourds | Le spectateur doit être positionné directement devant l'écran | Consommation d'énergie élevée | Problèmes techniques non résolus, tels que le maintien d'un vide entre le substrat et le verre |
Au-delà de l'atelier de misère
Au sud de Séoul, le grain urbain de la capitale cède la place à des collines luxuriantes, vallonnées et basses parsemées de parcs de bureaux qui ne seraient pas déplacés dans une banlieue de San Francisco ou de Boston. Dans la communauté planifiée de Kiheung, un complexe particulièrement grand - un ensemble de quatre structures basses et parallèles coupées par un couloir central - abrite le Samsung Advanced Institute of Technology, probablement le premier centre de recherche privé de Corée.
L'institut est en grande partie la vision du président de Samsung, Lee Kun Hee, qui l'a créé peu de temps après avoir pris la tête de l'entreprise en 1987. Samsung est l'un des chaebol de Corée du Sud, les sociétés holding familiales géantes qui dominent toujours l'économie du pays. Au moment de l'adhésion de Lee, c'était, comme la plupart des entreprises d'électronique coréennes, un exemple de ce que l'on appelle parfois avec mépris l'électronique des ateliers clandestins - profitant des bas salaires du pays pour saper les fabricants dans les zones plus riches. Il vendait la plupart de ses produits en tant que marchandises à des sociétés plus connues, dont beaucoup au Japon voisin, qui les collaient dans des boîtes et y affichaient leur propre nom.
Lee, le troisième fils du fondateur de Samsung, a fait valoir que le succès croissant de l'entreprise - et de la Corée - attirerait inévitablement la concurrence de pays à bas salaires, en particulier la Chine. Samsung, a-t-il dit, devrait entrer dans de nouvelles entreprises pour survivre ; Changez tout sauf votre femme et vos enfants ! était son cri de ralliement. En pratique, cela signifiait se concentrer sur des produits haut de gamme et plus rentables. Samsung devrait devenir une marque, un symbole de qualité comme Sony ou Honda.
À cette fin, a expliqué Lee, Samsung devrait innover, ce qui impliquait d'augmenter considérablement ses efforts de recherche et développement. Le Samsung Advanced Institute of Technology était le résultat logique. Lentement mais constamment agrandi depuis sa création, le laboratoire emploie aujourd'hui 950 personnes, dont environ un quart travaillent sur le cœur de métier de Samsung, les semi-conducteurs (l'entreprise est le plus grand fabricant mondial de puces mémoire vive). Selon le représentant de l'entreprise Lee Hyunji, les chercheurs de l'institut collaborent avec environ 120 universités et centres de recherche dans 15 pays.
Samsung vend désormais des produits de pointe, des lecteurs DVD ultrafins aux puces de jeux vidéo. Il est devenu le troisième plus grand fabricant de téléphones portables au monde, avec une gamme de téléphones haut de gamme très populaires avec des écrans couleur nets. Dans une liste des sociétés d'électronique les plus admirées de 2003, le magazine Fortune a classé Samsung au quatrième rang mondial. Samsung a dépensé 2,9 milliards de dollars en R&D en 2003 ; Cette année-là, les ventes brutes du groupe Samsung dans son ensemble ont augmenté de près de 11 % par rapport à 2002, pour atteindre environ 55 milliards de dollars.
Remplir le vide
Les écrans à émission de champ illustrent la prochaine étape que Samsung cherche à franchir dans sa transformation d'entreprise d'un concurrent de haute technologie à un leader de l'industrie. La technologie d'affichage est extrêmement complexe au départ, déclare Kim Jong Min, vice-président et directeur du laboratoire des matériaux de l'institut. Et l'utilisation des nanotubes ajoute énormément à cela, à la fois en raison des problèmes inévitables qui viennent toujours de l'exploration d'un domaine inconnu et du fait qu'ici il n'y a pas de modèle à suivre. Selon Kim, les écrans à émission de champ à base de nanotubes sont si complexes qu'aucune entreprise ne peut les développer seule. En conséquence, les chercheurs du monde entier divisent la technologie en ses composants et assignent de manière informelle différents groupes pour travailler sur chacun. Samsung, par exemple, n'envisage pas de fabriquer ses propres nanotubes, sauf à des fins de recherche. Au lieu de cela, il les achètera sous forme de poudre à Carbon Nanotechnologies, une entreprise basée à Houston avec un arsenal considérable de brevets dans le domaine. Un gramme de poudre de nanotubes de carbone, suffisant pour fabriquer une demi-douzaine d'écrans de 40 pouces, a coûté 100 $ l'année dernière, dit Kim, mais se vendra moins de 10 $ dans deux ans. C'est un concours auquel nous ne participerons pas.
De même, Samsung n'entend pas se focaliser sur la colle qui fixe les minuscules tubes à leur base vitreuse, elle-même un défi technologique collant. La société travaille avec DuPont pour proposer un adhésif suffisamment fin pour s'étaler, suffisamment solide pour maintenir les tubes ultrafins par leurs extrémités, suffisamment résistant pour conserver son adhérence malgré l'expansion et la contraction inévitables de la chaleur, et suffisamment facile à retirer que les fabricants peut nettoyer l'adhésif parasite des sommets des nanotubes, afin qu'ils puissent projeter des électrons.
L'entreprise n'essaie pas non plus d'obtenir un avantage en développant les composants physiques de l'écran lui-même - les entretoises qui maintiennent les feuilles supérieure et inférieure de l'écran, l'emballage sous vide poussé, les circuits de commande et d'autres composants d'émission de champ standard et matériaux. Au lieu de cela, il a rejoint un consortium de plus d'une demi-douzaine d'entreprises et d'universités européennes créées spécifiquement pour s'attaquer à ces problèmes et a intégré les premiers résultats du groupe dans l'écran de 38 pouces montrant maintenant les yeux bleus Bond de Pierce Brosnan.
Déléguer ces aspects de la conception de l'affichage à émission de champ laisse encore beaucoup de travail à Samsung, à commencer par le verre lui-même. Les nanotubes doivent projeter leurs électrons dans le vide ; sinon, ils seraient absorbés ou déviés par les molécules d'air. Pourtant, il est difficile de réaliser ce qui équivaut à une chambre à vide en forme de feuille très large, car sur une grande surface, la pression d'air aura tendance à écraser les deux côtés du tamis. La réponse évidente est de mettre un pilier de support au milieu de l'écran. Mais ensuite, explique Saito, vous voyez le support au milieu de l'image.
À son avis, la dilatation et la contraction thermiques de l'écran sont tout aussi problématiques. Lorsque les nanotubes émettent des électrons, l'écran devient plus chaud et tous ses matériaux se dilatent ; lorsque le faisceau d'électrons est éteint, ils rétrécissent. Le problème est de savoir comment s'adapter à l'expansion, dit Saito. Son équipe a dû trouver des matériaux dont le coefficient de dilatation thermique était le même que celui du verre, afin que l'ensemble de l'écran se dilate et se contracte de concert.
La manière exacte dont Samsung a rassemblé toutes ces pièces est notre secret, déclare Kim. C'est ce que nous faisons : nous sommes une entreprise qui fabrique des appareils. Mais la clé de la décision de Samsung de se concentrer sur les écrans à émission de champ, admet-il, réside dans le fait qu'ils peuvent tolérer l'imprécision. Avec la technologie actuelle, l'alignement des nanotubes au dos de l'écran est un processus inexact. Les tubes pointent dans un fouillis de directions différentes, et la plupart sont trop cassés ou pliés pour émettre des électrons avec succès. Heureusement, les nanotubes sont petits : environ 10 000 couvrent chaque pixel de l'écran. En conséquence, dit Kim, nous nous attendons à ce que seulement 30 à 50 % d'entre eux fonctionnent, mais nous n'avons besoin que de 30 à 50 % pour éclairer le pixel et tromper l'œil humain.
Samsung est suffisamment satisfait du résultat pour permettre à un journaliste de Technology Review d'être le premier journaliste non coréen à visiter l'Advanced Institute of Technology. En parcourant le labyrinthe de petits laboratoires à éclairage fluorescent de l'institut, chacun avec sa coterie de chercheurs en blouse blanche et d'écrans d'ordinateur brillants, Kim dit que l'écran consomme environ 100 watts, soit environ un tiers de la puissance requise pour un écran plasma moyen de comparable Taille. C'est juste pour le moment, ajoute-t-il. Avec à peine deux millimètres d'épaisseur, le verre de l'écran est suffisamment fin pour rendre l'écran plus mince que tout ce qui existe actuellement sur le marché.
En arrivant à l'exposition, Kim la présente avec la légère anxiété d'un parent fier espérant que des étrangers apprécieront les qualités particulières de sa progéniture. L'image est aussi nette que celles produites par les tubes à images haute définition traditionnels avec des tailles d'affichage similaires, bien que l'écran ait plusieurs petits points blancs. (Les difficultés du prototype, explique Kim.) Lorsqu'on leur a demandé si la technologie était presque prête pour le marché, les scientifiques présents dans la salle se regardent avec incertitude. Samsung, dit enfin Kim, vient juste de commencer à travailler sur le véritable défi de la nanotechnologie dans le monde : rendre le produit abordable. Les problèmes économiques, dit-il, sont beaucoup, beaucoup plus difficiles que les problèmes technologiques.
Chanceux 7 $
Samsung n'est pas seul. À deux heures de route au Japon, le succès de Saito - et les craintes d'être éclipsé par la Corée - ont conduit l'Organisation pour le développement des nouvelles énergies et des technologies industrielles du gouvernement à établir un projet national de 37 millions de dollars sur 2,5 ans pour développer des écrans d'émission sur le terrain. Lancé en 2003, le projet compte quatre acteurs principaux : Hitachi ; Verre Asahi; une collaboration Université de Nagoya-Noritake dirigée par Saito ; et un effort conjoint de Mitsubishi, de l'Université de Kyoto, de l'Université d'Osaka et de l'Université de la préfecture d'Osaka. Les Coréens sont toujours devant nous, dit Saito. Mais nous travaillons dur pour rattraper notre retard.
Il en va de même d'une douzaine d'autres entreprises au Japon, en Europe et aux États-Unis. On pense généralement que les leaders sont Noritake, Mitsubishi, Motorola et le Laboratoire d'électronique et d'informatique du Commissariat à l'énergie atomique de Grenoble. Motorola a présenté un petit prototype en 2002 ; l'année dernière, le laboratoire français en a démontré plusieurs, tout comme une petite startup secrète de la Silicon Valley, cDream.
La nanotechnologie est souvent décrite comme une technologie susceptible de faire chavirer l'ordre établi. Dans une théorie souvent vantée par les consultants en affaires, il est peu probable que les plus grands opérateurs historiques d'une industrie développent de telles technologies, pour deux raisons : premièrement, elles sont moins rentables à leurs débuts, et deuxièmement, elles ont le potentiel de saper les produits existants. Finalement, une petite startup développe la technologie, utilisant son avantage technologique pointu pour submerger la concurrence et finalement faire basculer l'establishment.
Il reste à voir si les écrans d'émission de champ correspondent à ce modèle. Les nanotubes ont des avantages technologiques évidents sur le papier, mais sur le marché, ils sont loin d'être écrasants. À l'heure actuelle, les écrans plasma de 42 pouces se vendent généralement entre 2 500 $ et 3 500 $ ; les grands écrans à cristaux liquides vont d'environ 5 500 $ à 7 000 $. Mais le coût des deux technologies est en chute libre. Le coût de fabrication par pouce de diagonale des écrans plasma sera d'environ 9 $ en 2005 et 2006, dit Kim. Mais parce que nous avons des coûts de démarrage, nous devons les battre d'une marge considérable – 7 $ le pouce de diagonale, disons.
Heureusement pour Samsung, les méthodes de production des écrans à émission de champ sont suffisamment similaires à celles des écrans plasma pour qu'il puisse utiliser l'une de ses usines de fabrication actuelles pour construire les appareils, évitant ainsi les frais généraux d'une nouvelle usine coûteuse. Pourtant, si les écrans plasma continuent de devenir moins chers, dit Kim, nous perdrons notre opportunité et les écrans à émission de champ ne les remplaceront pas. Et même si Samsung atteint le chiffre magique de 7 $, dit-il, pour rester compétitif, il devra le dépasser, jusqu'à peut-être 5 $ par pouce. La nanotechnologie peut être une technologie perturbatrice pour les écrans, dit Kim. Mais les méthodes conventionnelles peuvent le perturber en retour.
En effet, ils le peuvent. En juillet, Samsung SDI, la filiale d'affichage de la société, a annoncé qu'elle introduirait l'année prochaine un tube cathodique standard pour un écran de télévision de 32 pouces d'une profondeur de seulement 14 pouces, soit la moitié de la profondeur des tubes cathodiques existants. Les téléviseurs équipés du nouveau tube Vixlim, a promis la société, passeront de deux pieds de profondeur à 15 pouces ; ils auront également des images de meilleure qualité que les écrans plasma ou à cristaux liquides et seront jusqu'à un tiers moins chers. D'ici la fin de 2005, Samsung SDI prédit que les nouveaux tubes seront dans tous les grands téléviseurs standard qu'il fabrique. Selon le représentant de l'entreprise, Lee, les tubes-images standard entreront dans une nouvelle période d'essor.
Interrogé sur le nouveau Samsung CRT, Kim émet un faux gémissement. Ce sont de très bons chercheurs, dit-il. Si les écrans à émission de champ coûtent trois fois plus que les écrans cathodiques et ne sont que légèrement plus minces, reconnaît-il, personne ne les achètera. Pourtant, il pense qu'en couvrant ses paris, l'entreprise dans son ensemble en sortira gagnante. Le consommateur aussi, qui bénéficiera d'une baisse constante des prix. Selon Kim, les écrans à émission de champ finiront par prévaloir, devenant la pointe d'une vague imminente de produits nanotechnologiques. Mais la course sera beaucoup plus serrée que ne le laisseront penser les histoires commerciales ultérieures.