211service.com
Nanotech te zien
In het Samsung Advanced Institute of Technology, ten zuiden van Seoul, Zuid-Korea, speelt wat er van een afstand uitziet als een gewone 38-inch televisie een eindeloze lus van commercials voor James Bond-films. Net als de displays die steeds vaker voorkomen in Amerikaanse huizen, is het een grote, platte rechthoek van kleur en beweging in een hightech plastic frame. Maar in tegenstelling tot de beelden op een gewone tv, worden die op dit laboratoriummodel gegenereerd door een laag koolstofnanobuisjes die elektronen op een fosforscherm schieten als zoveel kleine kanonskogels. Over de hele wereld zijn televisieschermen emblemen van stodgy huiselijkheid. Maar deze loopt voorop in de nanotechnologische revolutie van morgen: het zou het eerste commerciële product kunnen zijn dat elektronica op nanoschaal naar de middenklasse brengt.
Onderzoekers over de hele wereld racen om dit nieuwe type beeldscherm te perfectioneren, dat helderder, scherper en minder energieverslindend zou moeten zijn dan de huidige flat-panel tv's. Vooralsnog lijkt het Samsung-instituut echter de leiding te hebben. Zij zijn degenen die moeten worden verslagen, zegt Yahachi Saito, hoofdonderzoeker van een rivaliserende groep aan de Nagoya University in Japan. Ze zijn heel snel verhuisd.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2004
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Samsung, en Zuid-Koreaanse technologiebedrijven in het algemeen, worden zelden gezien als de toonaangevende ontwikkelaars van nieuwe technologieën. Dit is echter een stereotype dat het bedrijf vastbesloten is te veranderen. We worden nog steeds correct geïdentificeerd met goedkope productie, zegt Young Joon Gil, chief technology officer bij het Samsung-instituut. Maar aangezien concurrenten uit China en andere Oost-Aziatische landen opduiken, zegt hij, moet Samsung geleidelijk overstappen op innovatie met een hoge winst en een hoog risico om te overleven.
Nanotechnologie is de belangrijkste van de risicovolle disciplines die het bedrijf hoopt te ontginnen voor nieuwe producten, en de tv-schermen met nanobuisjes zijn de eerste vruchten. Ze staan bekend als veldemissiedisplays en zouden tegen het einde van 2006 in de winkels moeten liggen, zegt Young, een ruime voorsprong op de concurrentie.
Het zal niet gemakkelijk zijn om aan die voorspelling te voldoen. Door simpelweg veldemissiedisplays van het laboratorium naar de winkelvloer te brengen, moet u een groot aantal lastige technische problemen oplossen. Bovendien worden de huidige platte beeldschermen, gebaseerd op vloeibare kristallen en plasmatechnologie, steeds beter en goedkoper, wat betekent dat nanotech-onderzoekers harder zullen moeten werken om bij te blijven. Zelfs succes zou zijn eigen problemen veroorzaken, aangezien Samsung - een van 's werelds toonaangevende fabrikanten van vloeibaar-kristal- en plasmaschermen, evenals gewone kathodestraalbuis-tv's - tegen zichzelf zal concurreren.
Nanotech-schermen zijn dus zowel een voorbode van een toekomstige technologische revolutie als een voorbeeld van hoe een groot elektronicabedrijf - met lucratieve, gevestigde markten om te beschermen - die revolutie probeert te beheersen en in te dammen. We geloven dat we dit veld moeten beheersen om te kunnen groeien, zegt Young. Maar tegelijkertijd mogen we ons bedrijf er niet door laten verwoesten. We moeten heel goed opletten.
Gewapend voor de toekomst
Veldemissiedisplays zijn een oud idee dat plotseling aantrekkelijker werd in 1991, toen Sumio Iijima, een elektronenmicroscoopspecialist bij NEC Research in Tsukuba, Japan, ontdekte dat koolstofmoleculen aan elkaar konden worden gekoppeld tot lange, dunne cilinders die later nanobuisjes werden genoemd. (De nano komt, net als de nano in de nanotechnologie, van nanometer, een miljardste van een meter.) De buisjes waren als kleine vellen koolstofmoleculen die waren opgerold tot cilinders van tienduizendste van de breedte van een mensenhaar. Wetenschappers ontdekten al snel dat deze ongebruikelijke structuren een groot aantal interessante eigenschappen hadden, waaronder grote sterkte en een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid.
Maar wat Saito, de Nagoya-onderzoeker, tot koolstofnanobuisjes aantrok, was de mogelijkheid dat ze als elektronenkanonnen konden fungeren. Geplaatst in een goed uitgelijnd elektrisch veld, zeiden theoretische fysici, zouden de kleine buisjes elektronen moeten uitstoten zoals slangen die waterstromen uitzenden. Veel materialen zenden elektronen uit als er voldoende spanning op staat; het verschil, zeiden de natuurkundigen, is dat nanobuisjes de deeltjes in feite over hun lengte zouden moeten versnellen, waardoor ze elektronen met voldoende energie zouden kunnen uitzenden om fosforen te activeren in velden met zeer lage spanning. Saito, nu een professor in kwantumtechnologie, demonstreerde dit effect voor het eerst in 1998. In samenwerking met Noritake, een groot keramiek- en elektronicabedrijf uit Nagoya, assembleerde hij een kleine reeks nanobuisjes die elektronen in een fosforscherm schoot, waardoor een helder licht ontstond.
Saito's experimenten hadden een duidelijk commercieel doel: de wereldmarkt voor televisietoestellen ter waarde van 61 miljard dollar per jaar. De kathodestraalbuizen in traditionele tv's zijn weinig veranderd sinds ze werden uitgevonden in de jaren 1920 - in schril contrast met bijna elk ander stuk elektronische consumentenapparatuur. Ze schieten elektronen van de uiteinden van draden op fosforschermen en creëren patronen van gloeiende stippen die het menselijk oog interpreteert als bewegende beelden. Kathodestraalbuizen zijn van nature omvangrijk, omdat het elektronenkanon ver genoeg naar achteren moet leunen om het hele scherm te raken. Als gevolg hiervan is de beeldbuis in een typisch thuisbioscoopscherm een enorm object dat bijna een kamer vult; fabrikanten denken dat de apparaten populairder zouden zijn als ze beter beheersbaar waren.
Om dunnere, lichtere grootbeeld-tv's te maken, hebben fabrikanten zich tot plasma- en vloeibaar-kristalschermen gewend, maar deze hebben hun eigen nadelen, te beginnen met hun hoge prijs (zie Schermtest, p. 65). Plasmaschermen zijn bijvoorbeeld kwetsbaar voor inbranden, waarbij stilstaande beelden, als ze te lang worden weergegeven, permanent in het glas worden geschroeid. Ze verbruiken ook maar liefst 700 watt aan stroom, genoeg om sommige critici zich zorgen te maken over de gevolgen voor het milieu als de schermen op grote schaal zouden worden gebruikt. In LCD's schakelen pixels ondertussen relatief langzaam van de ene kleur naar de andere, waardoor snel bewegende beelden vegen of geesten achterlaten omdat de cellen de actie niet bij kunnen houden.
Veldemissiedisplays zullen in theorie veel van deze problemen oplossen. Ze zijn niet kwetsbaar voor inbranden en verbruiken veel minder stroom. Tegelijkertijd kunnen de pixels in een veldemissiedisplay sneller in- en uitschakelen dan die in een liquid-crystal display, wat betekent dat snel bewegende beelden niet uitsmeren. En die beelden kunnen vanuit elke hoek worden bekeken, terwijl bij liquid-crystal-displays de kijker zich direct voor het scherm moet bevinden.
Maar om ervoor te zorgen dat koolstofnanobuizen elektronen op een scherm in een echte consumenten-tv schieten, zijn tal van innovaties op verschillende gebieden nodig - het soort inspanning dat vaak het beste wordt gecoördineerd door zeer grote bedrijven. Inderdaad, rond de tijd dat Saito zijn eerste veldemissiedisplay produceerde, ontdekte hij dat hij concurrentie kreeg uit een onwaarschijnlijke plaats: Zuid-Korea.
S C R EN EN N t EN S t | ||||
Kathodestraalbuizen domineren al bijna 70 jaar de technologie voor tv-weergave, maar vandaag zijn ze opgesloten in een vierrichtingsrace voor de toekomst van home-entertainment. | ||||
KATHODESTRAALBUIZEN | VLOEIBAAR KRISTAL DISPLAYS | PLASMA-DISPLAYS | VELDEMISSIE DISPLAYS | |
HOE ZE WERKEN | Een door magnetische velden gestuurde elektronenstraal treft fosforen op een glazen scherm | Gepolariseerd licht schijnt door poorten van vloeibare kristallen die de kleur en intensiteit van de pixels regelen | Een elektrische puls veroorzaakt een uitbarsting van geïoniseerd gas in elke pixel, alsof het een klein neonteken is | Koolstofnanobuisjes die op een substraat zijn gelijmd, schieten elektronen op fosforen op een glazen scherm |
STERKE PUNTEN | Betrouwbaar | Dun | Dun | Dun |
ZWAKKE PUNTEN | Het elektronenkanon moet ver achter het scherm zitten, waardoor buizen lomp en zwaar worden | De kijker moet direct voor het scherm worden geplaatst | Hoog stroomverbruik | Onopgeloste technische problemen, zoals het handhaven van een vacuüm tussen substraat en glas |
Voorbij de Sweatshop
Ten zuiden van Seoul maakt de stedelijke ruigheid van de hoofdstad plaats voor weelderige, glooiende, lage heuvels bezaaid met kantoorparken die niet zouden misstaan in een buitenwijk van San Francisco of Boston. In de geplande gemeenschap van Kiheung huisvest een bijzonder groot complex - een set van vier lage, parallelle structuren die worden doorgesneden door een centrale gang - het Samsung Advanced Institute of Technology, waarschijnlijk het belangrijkste particuliere onderzoekscentrum van Korea.
Het instituut is grotendeels de visie van Samsung-voorzitter Lee Kun Hee, die het oprichtte kort nadat hij in 1987 het roer van het bedrijf overnam. Samsung is een van de chaebol in Zuid-Korea, de gigantische familiebedrijven die nog steeds de economie van het land domineren. Ten tijde van Lee's toetreding was het, zoals de meeste Koreaanse elektronicabedrijven, een voorbeeld van wat soms afwijzend wordt aangeduid als sweatshop-elektronica - profiteren van de lage lonen van het land om fabrikanten in rijkere gebieden te ondermijnen. Het verkocht de meeste van zijn producten als handelswaar aan bekendere bedrijven, velen van hen in het nabijgelegen Japan, die ze in dozen stopten en hun eigen naam erop plakten.
Lee, de derde zoon van de oprichter van Samsung, voerde aan dat het groeiende succes van het bedrijf – en Korea – onvermijdelijk concurrentie zou aantrekken van landen met nog lagere lonen, met name China. Samsung, zei hij, zou nieuwe bedrijven moeten betreden om te overleven; Verander alles behalve je vrouw en kinderen! was zijn strijdkreet. In de praktijk betekende dit dat we ons moesten concentreren op duurdere producten met een hogere winst. Samsung zou een merknaam moeten worden, een symbool van kwaliteit zoals Sony of Honda.
Daartoe zou Samsung volgens Lee moeten innoveren, wat op zijn beurt betekende dat de onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen drastisch moesten worden verhoogd. Het Samsung Advanced Institute of Technology was het logische gevolg. Het laboratorium is sinds de oprichting langzaam maar constant uitgebreid en heeft nu 950 medewerkers in dienst, van wie ongeveer een kwart werkt aan Samsungs kernactiviteit van halfgeleiders (het bedrijf is 's werelds grootste fabrikant van random-access geheugenchips). Volgens bedrijfsvertegenwoordiger Lee Hyunji werken instituutsonderzoekers samen met ongeveer 120 universiteiten en onderzoekscentra in 15 landen.
Samsung verkoopt nu geavanceerde producten, van superdunne dvd-spelers tot chips voor videogames. Het is de op twee na grootste fabrikant van mobiele telefoons ter wereld geworden, met een razend populaire premium lijn handsets met heldere kleurenschermen. In een lijst van de meest bewonderde elektronicabedrijven van 2003, plaatste het tijdschrift Fortune Samsung op de vierde plaats ter wereld. Samsung besteedde in 2003 $ 2,9 miljard aan R&D; De bruto-omzet van de Samsung-groep als geheel steeg dat jaar met bijna 11 procent ten opzichte van 2002 tot ongeveer $ 55 miljard.
Het vacuüm vullen
Veldemissiedisplays zijn een voorbeeld van de volgende stap die Samsung wil zetten in de transformatie van het bedrijf van een hightechconcurrent naar een marktleider. Displaytechnologie is om te beginnen enorm complex, zegt Kim Jong Min, vice-president en directeur van het materialenlab van het instituut. En het gebruik van nanobuisjes draagt daar enorm aan bij, zowel vanwege de onvermijdelijke problemen die altijd komen bij het verkennen van een onbekend gebied als het feit dat hier geen model is om te volgen. Volgens Kim zijn op nanobuisjes gebaseerde veldemissiedisplays zo complex dat geen enkel bedrijf ze zelf kan ontwikkelen. Als gevolg hiervan splitsen onderzoekers over de hele wereld de technologie op in zijn componenten en wijzen ze informeel verschillende groepen toe om aan elk ervan te werken. Samsung is bijvoorbeeld niet van plan om zijn eigen nanobuisjes te maken, behalve voor onderzoeksdoeleinden. In plaats daarvan zal het ze in poedervorm kopen van Carbon Nanotechnologies, een in Houston gevestigd bedrijf met een aanzienlijk arsenaal aan patenten in het veld. Een gram koolstofnanobuisjespoeder, genoeg om een half dozijn 40-inch beeldschermen te maken, kostte vorig jaar $ 100, zegt Kim, maar zal over twee jaar voor minder dan $ 10 worden verkocht. Dat is een wedstrijd waar we niet aan meedoen.
Evenzo is Samsung niet van plan zich te concentreren op de lijm die de kleine buisjes op hun glasachtige basis bevestigt, wat zelf een kleverige technologische uitdaging is. Het bedrijf werkt samen met DuPont om een lijm te ontwikkelen die dun genoeg is om zich te verspreiden, sterk genoeg om de ultradunne buizen aan hun uiteinden vast te houden, veerkrachtig genoeg om zijn grip te behouden ondanks onvermijdelijke uitzetting en samentrekking door hitte, en gemakkelijk genoeg om die fabrikanten te verwijderen. kunnen verdwaalde lijm van de toppen van de nanobuisjes verwijderen, zodat ze elektronen kunnen wegspuiten.
Het bedrijf probeert ook geen voordeel te behalen door de fysieke componenten van het scherm zelf te ontwikkelen - de afstandhouders die de boven- en onderplaten van het scherm uit elkaar houden, de hoogvacuümverpakking, de drivercircuits en andere standaard veldemissiecomponenten en materialen. In plaats daarvan heeft het zich aangesloten bij een consortium van meer dan een half dozijn Europese bedrijven en universiteiten die speciaal zijn opgericht om die problemen aan te pakken en de eerste resultaten van de groep verwerkt in het 38-inch scherm dat nu de Bond-blauwe ogen van Pierce Brosnan laat zien.
Het delegeren van deze aspecten van het ontwerp van veldemissiedisplays laat nog genoeg voor Samsung over om aan te werken, te beginnen met het glas zelf. De nanobuisjes moeten hun elektronen door een vacuüm schieten; anders zouden ze worden geabsorbeerd of afgebogen door luchtmoleculen. Toch is het moeilijk om een zeer brede, bladachtige vacuümkamer te maken, omdat over een groot gebied de luchtdruk de neiging heeft om de twee zijden van het scherm samen te drukken. Het voor de hand liggende antwoord is om een steunpilaar in het midden van het scherm te plaatsen. Maar dan, legt Saito uit, zie je de steun in het midden van de foto.
Even problematisch is volgens hem de thermische uitzetting en samentrekking van het scherm. Wanneer de nanobuisjes elektronen uitzenden, wordt het scherm heter en zetten alle materialen uit; wanneer de elektronenstraal uit is, krimpen ze. Het probleem is hoe we de uitbreiding kunnen accommoderen, zegt Saito. Zijn team moest materialen vinden waarvan de thermische uitzettingscoëfficiënt dezelfde was als die van glas, zodat het hele scherm samen zou uitzetten en inkrimpen.
Hoe Samsung al deze stukjes precies bij elkaar heeft gebracht, is ons geheim, zegt Kim. Dat is wat we doen: we zijn een bedrijf dat apparaten maakt. Maar de sleutel tot Samsung's beslissing om zich te concentreren op veldemissieschermen, geeft hij toe, is het gelukkige feit dat ze onnauwkeurigheid kunnen tolereren. Met de huidige technologie is het uitlijnen van de nanobuisjes over de achterkant van het scherm een onnauwkeurig proces. De buizen wijzen in een wirwar van verschillende richtingen, en de meeste zijn te gebroken of gebogen om elektronen met succes uit te zenden. Gelukkig zijn nanobuisjes klein: ongeveer 10.000 bedekken elke pixel in het scherm. Als resultaat, zegt Kim, verwachten we dat slechts 30 tot 50 procent van hen zal werken, maar we hebben maar 30 tot 50 procent nodig om de pixel te verlichten en het menselijk oog te misleiden.
Samsung is blij genoeg met het resultaat om een journalist van Technology Review toe te staan als eerste niet-Koreaanse verslaggever een bezoek te brengen aan het Advanced Institute of Technology. Lopend door het doolhof van kleine fluorescerende laboratoria van het instituut, elk met een groep witgecoate onderzoekers en gloeiende computerschermen, zegt Kim dat het scherm ongeveer 100 watt verbruikt, ongeveer een derde van het vermogen dat nodig is voor een gemiddeld plasmascherm van vergelijkbare maat. Dat is alleen voor nu, voegt hij eraan toe. Het glas van het scherm is slechts twee millimeter dik en dun genoeg om het scherm slanker te maken dan alles wat nu op de markt is.
Bij de tentoonstelling aangekomen, introduceert Kim het met de lichte angst van een trotse ouder in de hoop dat vreemden de speciale kwaliteiten van zijn nakomelingen zullen waarderen. Het beeld is net zo scherp als het beeld dat wordt geproduceerd door traditionele high-definition beeldbuizen met vergelijkbare weergaveformaten, hoewel het scherm verschillende kleine lege plekken heeft. (Prototypeproblemen, legt Kim uit.) Op de vraag of de technologie bijna marktrijp is, kijken de wetenschappers in de zaal elkaar onzeker aan. Samsung, zegt Kim ten slotte, is net begonnen aan de echte uitdaging om nanotechnologie op de wereld te zetten: het product betaalbaar maken. De economische problemen, zegt hij, zijn veel, veel moeilijker dan de technologische.
Gelukkig $ 7
Samsung is niet de enige. Twee uur rijden in Japan, leidde het succes van Saito - en de angst om door Korea te worden overschaduwd - de New Energy and Industrial Technology Development Organization van de regering ertoe om een $ 37 miljoen, 2,5 jaar durend nationaal project op te zetten om veldemissiedisplays te crashen. Het project, dat in 2003 van start ging, heeft vier hoofddeelnemers: Hitachi; Asahi-glas; een samenwerking tussen Nagoya University en Noritake onder leiding van Saito; en een gezamenlijke inspanning van Mitsubishi, Kyoto University, Osaka University en Osaka Prefecture University. De Koreanen zijn ons nog steeds voor, zegt Saito. Maar we werken er hard aan om de achterstand in te halen.
Dat geldt ook voor een tiental andere bedrijven in Japan, Europa en de Verenigde Staten. Algemeen wordt aangenomen dat de leiders Noritake, Mitsubishi, Motorola en het laboratorium voor elektronica en informatietechnologie van het Franse commissariaat voor atoomenergie in Grenoble zijn. Motorola demonstreerde in 2002 een klein prototype; vorig jaar demonstreerde het Franse laboratorium verschillende, evenals een kleine, geheime startup in Silicon Valley, cDream.
Nanotechnologie wordt vaak omschreven als een technologie met het potentieel om de gevestigde orde te doen kapseizen. In een theorie die vaak wordt aangeprezen door bedrijfsadviseurs, is het onwaarschijnlijk dat de grootste gevestigde exploitanten in een branche dergelijke technologieën zullen ontwikkelen, en wel om twee redenen: ten eerste zijn ze in de beginfase minder winstgevend en ten tweede hebben ze het potentieel om bestaande producten te ondermijnen. Uiteindelijk ontwikkelt een kleine startup de technologie, waarbij hij zijn scherpe technologische voorsprong gebruikt om de concurrentie te overweldigen en uiteindelijk het establishment op zijn kop te zetten.
Of veldemissiedisplays in dit model passen, valt nog te bezien. Nanobuisjes hebben op papier duidelijke technologische voordelen, maar op de markt zijn ze verre van overweldigend. Op dit moment worden 42-inch plasmaschermen doorgaans verkocht voor $ 2.500 tot $ 3.500; grote LCD-schermen variëren van ongeveer $ 5.500 tot $ 7.000. Maar de kosten van beide technologieën kelderen. De fabricagekosten per diagonale inch plasmaschermen zullen in 2005 en 2006 ongeveer $ 9 bedragen, zegt Kim. Maar omdat we opstartkosten hebben, moeten we die met een aanzienlijke marge verslaan - bijvoorbeeld $ 7 per diagonale inch.
Gelukkig voor Samsung zijn de productiemethoden voor veldemissieschermen vergelijkbaar met die voor plasmaschermen, zodat het een van zijn huidige fabricagefabrieken kan gebruiken om de apparaten te bouwen, waardoor de overheadkosten van een dure nieuwe fabriek worden vermeden. Maar als plasmaschermen steeds goedkoper worden, zegt Kim, verliezen we onze kans en zullen veldemissieschermen ze niet vervangen. En zelfs als Samsung het magische getal van $ 7 bereikt, zegt hij, zal het om concurrerend te blijven er voorbij moeten schieten, tot misschien $ 5 per inch. Nanotechnologie kan een disruptieve technologie zijn voor beeldschermen, zegt Kim. Maar de conventionele methoden kunnen het weer verstoren.
Dat kunnen ze inderdaad. In juli kondigde Samsung SDI, de beeldschermdochter van het bedrijf, aan dat het volgend jaar een standaard CRT zal introduceren voor een 32-inch televisiescherm dat slechts 14 inch diep is, de helft van de diepte van bestaande beeldbuizen. Televisies met de nieuwe Vixlim-buis, zo beloofde het bedrijf, zullen krimpen van 60 cm diep tot 15 inch; ze zullen ook beelden van betere kwaliteit hebben dan plasma- of liquid-crystal-schermen en tot een derde goedkoper zijn. Tegen het einde van 2005, voorspelt Samsung SDI, zullen de nieuwe buizen in elke grote standaardtelevisie zitten die het maakt. Volgens bedrijfsvertegenwoordiger Lee zullen standaardbeeldbuizen een nieuwe bloeiperiode ingaan.
Gevraagd naar de nieuwe Samsung CRT, kreunt Kim. Het zijn hele goede onderzoekers, zegt hij. Als veldemissieschermen drie keer zoveel kosten als CRT's en alleen wat dunner zijn, erkent hij, zal niemand ze kopen. Toch gelooft hij dat door zijn weddenschappen te dekken, het bedrijf als geheel als winnaar uit de bus zal komen. Dat geldt ook voor de consument, die zal genieten van gestaag dalende prijzen. Volgens Kim zullen veldemissiedisplays uiteindelijk de overhand krijgen en de voorhoede worden van een naderende golf van nanotechnologische producten. Maar de race zal een stuk dichterbij zijn dan de latere bedrijfsgeschiedenissen doen vermoeden.