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Nanotecnología en exhibición
En el Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung, al sur de Seúl, Corea del Sur, lo que desde la distancia parece un televisor ordinario de 38 pulgadas reproduce un ciclo interminable de comerciales de películas de James Bond. Al igual que las pantallas cada vez más comunes en los hogares estadounidenses, es un gran rectángulo plano de color y movimiento en un marco de plástico de alta tecnología. Pero a diferencia de las imágenes de un televisor normal, las de este modelo de laboratorio son generadas por una capa de nanotubos de carbono que disparan electrones a una pantalla de fósforo como si fueran balas de cañón diminutas. En todo el mundo, las pantallas de televisión son emblemas de una aburrida domesticidad. Pero este está a la vanguardia de la revolución nanotecnológica del mañana: podría ser el primer producto comercial que lleve la electrónica a nanoescala al hogar de la clase media.
Investigadores de todo el mundo se apresuran a perfeccionar este nuevo tipo de pantalla, que debería ser más brillante, más nítida y consumir menos energía que los televisores de pantalla plana actuales. Por el momento, sin embargo, el instituto Samsung parece tener la delantera. Ellos son los que deben vencer, dice Yahachi Saito, investigador principal de un grupo rival en la Universidad de Nagoya en Japón. Se han movido muy rápido.
Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2004
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Samsung, y las empresas de tecnología de Corea del Sur en general, rara vez se considera como los principales desarrolladores de nuevas tecnologías de moda. Sin embargo, este es un estereotipo que la empresa está decidida a cambiar. Todavía estamos identificados, correctamente, con la fabricación de bajo costo, dice Young Joon Gil, director de tecnología del instituto Samsung. Pero a medida que surgen competidores de China y otros países del este de Asia, dice, Samsung debe moverse gradualmente hacia una innovación de alto riesgo y ganancias para sobrevivir.
La nanotecnología es la más importante de las disciplinas de riesgo que la empresa espera explotar en busca de nuevos productos, y las pantallas de televisión de nanotubos son sus primeros frutos. Conocidas como pantallas de emisión de campo, deberían estar en las tiendas, dice Young, a fines de 2006, cómodamente por delante de la competencia.
Cumplir con esa predicción no será fácil. El simple hecho de llevar las pantallas de emisión de campo del laboratorio al piso de venta minorista requerirá resolver una serie de problemas técnicos difíciles. Además, las pantallas planas actuales, basadas en tecnología de cristal líquido y plasma, son cada vez mejores y más baratas, lo que significa que los investigadores de nanotecnología tendrán que trabajar más duro para mantenerse al día. Incluso el éxito crearía su propio conjunto de problemas, ya que Samsung, uno de los principales fabricantes mundiales de pantallas de plasma y cristal líquido, así como televisores de tubo de rayos catódicos ordinarios, competirá consigo mismo.
Las pantallas de nanotecnología son, por lo tanto, un presagio de una revolución tecnológica por venir y un ejemplo de cómo una importante empresa de electrónica, con mercados lucrativos y establecidos que proteger, está tratando de administrar y contener esa revolución. Creemos que debemos dominar este campo para crecer, dice Young. Pero, al mismo tiempo, no podemos permitir que arruine nuestra empresa. Tenemos que vigilar con mucho cuidado.
Armando para el futuro
Las pantallas de emisión de campo son una vieja idea que de repente se volvió más atractiva en 1991, cuando Sumio Iijima, un especialista en microscopios electrónicos de NEC Research en Tsukuba, Japón, descubrió que las moléculas de carbono podían unirse en cilindros largos y delgados que luego se denominaron nanotubos. (El nano, como el nano en nanotecnología, proviene del nanómetro, la mil millonésima parte de un metro.) Los tubos eran como láminas diminutas de moléculas de carbono que se habían enrollado en cilindros de una diezmilésima parte del ancho de un cabello humano. Los científicos descubrieron rápidamente que estas estructuras inusuales tenían una serie de propiedades interesantes, incluida una gran resistencia y una alta conductividad eléctrica y térmica.
Pero lo que atrajo a Saito, el investigador de Nagoya, a los nanotubos de carbono fue la posibilidad de que pudieran actuar como cañones de electrones. Colocados en un campo eléctrico correctamente alineado, dijeron los físicos teóricos, los pequeños tubos deberían disparar electrones como mangueras que emiten corrientes de agua. Muchos materiales emiten electrones cuando se aplica suficiente voltaje; la diferencia, dijeron los físicos, es que los nanotubos deberían acelerar las partículas a lo largo de sus longitudes, lo que les permitiría emitir electrones de energía suficiente para activar fósforos en campos de muy bajo voltaje. Saito, ahora profesor de ingeniería cuántica, demostró públicamente este efecto por primera vez en 1998. Trabajando con Noritake, una gran empresa de cerámica y electrónica de Nagoya, ensambló una pequeña serie de nanotubos que disparaban electrones en una pantalla de fósforo, creando una luz brillante.
Los experimentos de Saito tenían un objetivo comercial obvio: el mercado mundial de aparatos de televisión de $ 61 mil millones al año. Los tubos de rayos catódicos dentro de los televisores tradicionales han cambiado poco desde que se inventaron en la década de 1920, en marcado contraste con casi todos los demás equipos electrónicos de consumo. Disparan electrones desde las puntas de los cables a las pantallas de fósforo, creando patrones de puntos brillantes que el ojo humano interpreta como imágenes en movimiento. Los tubos de rayos catódicos son intrínsecamente voluminosos, porque el cañón de electrones debe situarse lo suficientemente hacia atrás para llegar a toda la pantalla. Como resultado, el tubo de imagen en una pantalla típica de cine en casa es un objeto masivo que casi llena una habitación; Los fabricantes creen que los dispositivos serían más populares si fueran más manejables.
Para fabricar televisores de pantalla grande más delgados y livianos, los fabricantes han optado por pantallas de plasma y de cristal líquido, pero tienen sus propios inconvenientes, comenzando por su alto precio (consulte Prueba de pantalla, p. 65). Las pantallas de plasma, por ejemplo, son vulnerables al quemado, en el que las imágenes inmóviles, si se muestran durante demasiado tiempo, se queman permanentemente en el vidrio. También consumen hasta 700 vatios de energía, suficiente para que algunos críticos se preocupen por las consecuencias ambientales si las pantallas fueran ampliamente adoptadas. Mientras tanto, en las pantallas LCD, los píxeles cambian relativamente lentamente de un color a otro, lo que hace que las imágenes de movimiento rápido se difuminen o dejen fantasmas ya que las células no pueden seguir el ritmo de la acción.
Las pantallas de emisión de campo, en teoría, resolverán muchos de estos problemas. No son vulnerables al desgaste y consumen mucha menos energía. Al mismo tiempo, los píxeles en una pantalla de emisión de campo pueden encenderse y apagarse más rápido que los de una pantalla de cristal líquido, lo que significa que las imágenes en movimiento rápido no se borran. Y esas imágenes se pueden ver desde cualquier ángulo, mientras que las pantallas de cristal líquido requieren que los espectadores estén directamente frente a la pantalla.
Pero lograr que los nanotubos de carbono disparen electrones en una pantalla en un televisor de consumo real requerirá decenas de innovaciones en varios campos, el tipo de esfuerzo que a menudo se coordina mejor por empresas muy grandes. De hecho, cuando Saito produjo su primera pantalla de emisión de campo, se enteró de que se enfrentaba a la competencia de un lugar poco probable: Corea del Sur.
S C R Y Y norte T Y S T | ||||
Los tubos de rayos catódicos han dominado la tecnología de pantallas de televisión durante casi 70 años, pero hoy están atrapados en una carrera a cuatro bandas por el futuro del entretenimiento en el hogar. | ||||
TUBOS DE RAYOS CATÓDICOS | PANTALLAS DE CRISTAL LÍQUIDO | PANTALLAS DE PLASMA | PANTALLAS DE EMISIÓN DE CAMPO | |
CÓMO TRABAJAN ELLOS | Un haz de electrones dirigido por campos magnéticos incide en fósforos en una pantalla de vidrio. | La luz polarizada brilla a través de puertas de cristal líquido que controlan el color y la intensidad de los píxeles. | Un pulso eléctrico dispara una ráfaga de gas ionizado en cada píxel, como si fuera un pequeño letrero de neón. | Los nanotubos de carbono pegados a un sustrato disparan electrones a los fósforos en una pantalla de vidrio |
PUNTOS FUERTES | De confianza | Delgado | Delgado | Delgado |
PUNTOS DÉBILES | El cañón de electrones debe situarse muy detrás de la pantalla, lo que hace que los tubos sean voluminosos y pesados. | El espectador debe colocarse directamente frente a la pantalla. | Alto consumo de energía | Problemas técnicos no resueltos, como mantener un vacío entre el sustrato y el vidrio. |
Más allá del taller de explotación
Al sur de Seúl, la arena urbana de la capital da paso a colinas bajas, onduladas y exuberantes salpicadas de parques de oficinas que no estarían fuera de lugar en un suburbio de San Francisco o Boston. En la comunidad planificada de Kiheung, un complejo especialmente grande, un conjunto de cuatro estructuras bajas paralelas atravesadas por un corredor central, alberga el Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung, probablemente el principal centro de investigación privado de Corea.
El instituto es en gran parte la visión del presidente de Samsung, Lee Kun Hee, quien lo estableció poco después de que asumiera el timón de la empresa en 1987. Samsung es una de las chaebol de Corea del Sur, las gigantescas empresas holding controladas por la familia que aún dominan la economía del país. En el momento de la adhesión de Lee, era, como la mayoría de las empresas de electrónica coreanas, un ejemplo de lo que a veces se denomina desdeñosamente productos electrónicos de explotación: aprovechando los bajos salarios de la nación para socavar a los fabricantes de las zonas más ricas. Vendió la mayoría de sus productos como materias primas a corporaciones más conocidas, muchas de ellas en el cercano Japón, que los metieron en cajas y les pusieron sus propios nombres.
Lee, el tercer hijo del fundador de Samsung, argumentó que el creciente éxito de la empresa, y de Corea, inevitablemente atraerá la competencia de países con salarios aún más bajos, especialmente China. Samsung, dijo, tendría que entrar en nuevos negocios para sobrevivir; ¡Cambia todo excepto tu esposa e hijos! fue su grito de guerra. En la práctica, esto significaba concentrarse en productos de gama alta y con mayores beneficios. Samsung tendría que convertirse en una marca, un símbolo de calidad como Sony o Honda.
Con ese fin, argumentó Lee, Samsung tendría que innovar, lo que a su vez significaba aumentar drásticamente sus esfuerzos de investigación y desarrollo. El Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung fue el resultado lógico. En expansión lenta pero constante desde su creación, el laboratorio emplea ahora a 950 personas, aproximadamente una cuarta parte de las cuales trabajan en el negocio principal de Samsung de semiconductores (la compañía es el mayor fabricante mundial de chips de memoria de acceso aleatorio). Según el representante de la empresa, Lee Hyunji, los investigadores del instituto colaboran con unas 120 universidades y centros de investigación en 15 países.
Samsung ahora vende productos de vanguardia, desde reproductores de DVD ultradelgados hasta chips de videojuegos. Se ha convertido en el tercer fabricante de teléfonos móviles más grande del mundo, con una línea premium tremendamente popular de teléfonos con pantallas de colores nítidos. En una lista de las empresas de electrónica más admiradas de 2003, la revista Fortune clasificó a Samsung en el cuarto lugar del mundo. Samsung gastó 2.900 millones de dólares en I + D en 2003; las ventas brutas de ese año para el grupo Samsung en su conjunto aumentaron casi un 11 por ciento desde 2002, a aproximadamente $ 55 mil millones.
Llenar el vacío
Las pantallas de emisión de campo ejemplifican el siguiente paso que Samsung busca dar en su transformación corporativa de un competidor de alta tecnología a un líder de la industria. La tecnología de visualización es enormemente compleja para empezar, dice Kim Jong Min, vicepresidente y director del laboratorio de materiales del instituto. Y el uso de nanotubos se suma a eso enormemente, tanto por los problemas inevitables que siempre surgen al explorar un área desconocida como por el hecho de que aquí no hay un modelo a seguir. Según Kim, las pantallas de emisión de campo basadas en nanotubos son tan complejas que ninguna empresa puede desarrollarlas por sí sola. En consecuencia, los investigadores de todo el mundo están dividiendo la tecnología en sus componentes y asignando informalmente diferentes grupos para trabajar en cada uno. Samsung, por ejemplo, no planea fabricar sus propios nanotubos, excepto con fines de investigación. En cambio, los comprará en forma de polvo de Carbon Nanotechnologies, una empresa con sede en Houston con un considerable arsenal de patentes en el campo. Un gramo de polvo de nanotubos de carbono, suficiente para hacer media docena de pantallas de 40 pulgadas, costó 100 dólares el año pasado, dice Kim, pero se venderá por menos de 10 dólares en dos años. Esa es una competencia en la que no participaremos.
De manera similar, Samsung no tiene la intención de enfocarse en el pegamento que fija los pequeños tubos a su base vidriosa, lo que en sí mismo es un desafío tecnológico pegajoso. La compañía está trabajando con DuPont para crear un adhesivo que sea lo suficientemente delgado para esparcirse, lo suficientemente fuerte como para sujetar los tubos ultradelgados por sus extremos, lo suficientemente resistente como para retener su agarre a pesar de la inevitable expansión y contracción del calor, y lo suficientemente fácil de quitar que los fabricantes puede limpiar el adhesivo perdido de la parte superior de los nanotubos, para que puedan rociar electrones.
La compañía tampoco está tratando de obtener una ventaja desarrollando los componentes físicos de la pantalla en sí: los espaciadores que mantienen separadas las hojas superior e inferior de la pantalla, el empaque de alto vacío, los circuitos del controlador y otros componentes de emisión de campo estándar y materiales. En cambio, se ha unido a un consorcio de más de media docena de empresas y universidades europeas creadas específicamente para abordar esos problemas e incorporó los primeros resultados del grupo en la pantalla de 38 pulgadas que ahora muestra los ojos azul Bond de Pierce Brosnan.
Delegar estos aspectos del diseño de la pantalla de emisión de campo todavía deja mucho en lo que Samsung puede trabajar, comenzando con el vidrio en sí. Los nanotubos tienen que disparar sus electrones a través del vacío; de lo contrario, serían absorbidos o desviados por las moléculas de aire. Sin embargo, hacer lo que equivale a una cámara de vacío muy ancha, similar a una hoja, es difícil, porque en un área grande la presión del aire tenderá a aplastar los dos lados de la pantalla. La respuesta obvia es colocar un pilar de soporte en el medio de la pantalla. Pero luego, explica Saito, ves el soporte en el medio de la imagen.
Igualmente problemático, en su opinión, es la expansión y contracción térmica de la pantalla. Cuando los nanotubos emiten electrones, la pantalla se calienta y todos sus materiales se expanden; cuando el haz de electrones está apagado, se encogen. El problema es cómo adaptarse a la expansión, dice Saito. Su equipo tuvo que encontrar materiales cuyo coeficiente de expansión térmica fuera el mismo que el del vidrio, de modo que toda la pantalla se expandiera y contrajera en concierto.
Exactamente cómo Samsung reunió todas estas piezas es nuestro secreto, dice Kim. Eso es lo que hacemos: somos una empresa que fabrica dispositivos. Pero la clave de la decisión de Samsung de centrarse en las pantallas de emisión de campo, admite, es el hecho afortunado de que pueden tolerar la imprecisión. Con la tecnología actual, alinear los nanotubos en la parte posterior de la pantalla es un proceso inexacto. Los tubos apuntan en un revoltijo de direcciones diferentes, y la mayoría están demasiado rotos o doblados para emitir electrones con éxito. Afortunadamente, los nanotubos son pequeños: alrededor de 10,000 cubren cada píxel de la pantalla. Como resultado, dice Kim, esperamos que solo del 30 al 50 por ciento de ellos funcionen, pero solo necesitamos del 30 al 50 por ciento para iluminar el píxel y engañar al ojo humano.
Samsung está lo suficientemente complacido con el resultado como para permitir que un periodista de Technology Review sea el primer reportero no coreano en visitar el Instituto Avanzado de Tecnología. Caminando a través del laberinto del instituto de pequeños laboratorios iluminados con fluorescentes, cada uno con su círculo de investigadores revestidos de blanco y pantallas de computadora brillantes, Kim dice que la pantalla consume alrededor de 100 vatios, aproximadamente un tercio de la energía requerida para una pantalla de plasma promedio comparable. Talla. Eso es solo por ahora, agrega. Con dos milímetros de grosor, el vidrio de la pantalla es lo suficientemente delgado como para hacer que la pantalla sea más delgada que cualquier otra cosa en el mercado.
Al llegar a la pantalla, Kim lo presenta con la leve ansiedad de un padre orgulloso que espera que los extraños aprecien las cualidades especiales de su descendencia. La imagen es tan nítida como las producidas por los tubos de imagen de alta definición tradicionales con tamaños de pantalla similares, aunque la pantalla tiene varios pequeños puntos en blanco. (Dificultades con los prototipos, explica Kim). Cuando se les preguntó si la tecnología está casi lista para el mercado, los científicos en la sala se miran con incertidumbre. Samsung, dice finalmente Kim, acaba de comenzar a trabajar en el verdadero desafío de llevar la nanotecnología al mundo: hacer que el producto sea asequible. Los problemas económicos, dice, son mucho, mucho más difíciles que los tecnológicos.
Suerte $ 7
Samsung no está solo. A dos horas de distancia en Japón, el éxito de Saito, y los temores de ser eclipsado por Corea, llevaron a la Organización de Desarrollo de Tecnología Industrial y Nuevas Energías del gobierno a establecer un proyecto nacional de $ 37 millones y dos años y medio para desarrollar pantallas de emisión de campo. Lanzado en 2003, el proyecto tiene cuatro participantes principales: Hitachi; Vidrio Asahi; una colaboración entre la Universidad de Nagoya y Noritake dirigida por Saito; y un esfuerzo conjunto de Mitsubishi, la Universidad de Kyoto, la Universidad de Osaka y la Universidad de la Prefectura de Osaka. Los coreanos todavía están por delante de nosotros, dice Saito. Pero estamos trabajando duro para ponernos al día.
También lo son una docena de otras empresas en Japón, Europa y Estados Unidos. En general, se cree que los líderes son Noritake, Mitsubishi, Motorola y el Laboratorio de Electrónica y Tecnología de la Información del Comisariado de Energía Atómica francés en Grenoble. Motorola demostró un pequeño prototipo en 2002; el año pasado, el laboratorio francés demostró varios, al igual que una pequeña y secreta startup de Silicon Valley, cDream.
La nanotecnología se describe con frecuencia como una tecnología con el potencial de volcar el orden establecido. En una teoría a menudo promocionada por consultores de negocios, es poco probable que los principales operadores establecidos de una industria desarrollen tales tecnologías, por dos razones: primero, son menos rentables en sus etapas iniciales, y segundo, tienen el potencial de socavar los productos existentes. Eventualmente, una pequeña startup desarrolla la tecnología, usando su aguda ventaja tecnológica para abrumar a la competencia y finalmente sacudir al establecimiento.
Queda por ver si las pantallas de emisión de campo se ajustan a este modelo. Los nanotubos tienen obvias ventajas tecnológicas sobre el papel, pero en el mercado están lejos de ser abrumadoras. En este momento, las pantallas de plasma de 42 pulgadas se venden normalmente a un precio de $ 2,500 a $ 3,500; Las pantallas grandes de cristal líquido oscilan entre $ 5,500 y $ 7,000. Pero el costo de ambas tecnologías se está desplomando. El costo de fabricación por pulgada diagonal de las pantallas de plasma será de alrededor de $ 9 en 2005 y 2006, dice Kim. Pero debido a que tenemos costos iniciales, tenemos que superarlos por un margen considerable: $ 7 por pulgada diagonal, digamos.
Afortunadamente para Samsung, los métodos de producción de las pantallas de emisión de campo son lo suficientemente similares a los de las pantallas de plasma, por lo que puede usar una de sus plantas de fabricación actuales para construir los dispositivos, evitando los costos generales de una nueva y costosa fábrica. Sin embargo, si las pantallas de plasma se vuelven más baratas, dice Kim, perderemos nuestra oportunidad y las pantallas de emisión de campo no las reemplazarán. E incluso si Samsung alcanza el número mágico de $ 7, dice, para seguir siendo competitivo tendrá que superarlo, quizás a $ 5 por pulgada. La nanotecnología puede ser una tecnología disruptiva para las pantallas, dice Kim. Pero los métodos convencionales pueden alterarlo.
De hecho, pueden. En julio, Samsung SDI, la subsidiaria de pantallas de la compañía, anunció que el próximo año introducirá un CRT estándar para una pantalla de televisión de 32 pulgadas que tiene solo 14 pulgadas de profundidad, la mitad de la profundidad de los tubos de imagen existentes. Los televisores con el nuevo tubo Vixlim, prometió la compañía, se reducirán de dos pies de profundidad a 15 pulgadas; también tendrán imágenes de mejor calidad que las pantallas de plasma o de cristal líquido y serán hasta un tercio más baratas. Para fines de 2005, predice Samsung SDI, los nuevos tubos estarán en todos los televisores estándar grandes que fabrica. Los tubos de imagen estándar, según el representante de la compañía, Lee, entrarán en un nuevo período de auge.
Cuando se le pregunta sobre el nuevo Samsung CRT, Kim emite un gemido fingido. Son muy buenos investigadores, dice. Si las pantallas de emisión de campo cuestan tres veces más que los CRT y son solo algo más delgadas, reconoce, nadie las comprará. Aún así, cree que al cubrir sus apuestas, la empresa en su conjunto saldrá ganadora. También lo hará el consumidor, que disfrutará de una caída constante de los precios. En opinión de Kim, las pantallas de emisión de campo eventualmente prevalecerán, convirtiéndose en la vanguardia de una ola de productos nanotecnológicos que se aproxima. Pero la carrera estará mucho más cerca de lo que parecerán las historias comerciales posteriores.