Reportagem
edição 67 - Dezembro 2007
Telas Brilhantes
Uma nova tecnologia que mimetiza a maneira como a Natureza põe cores brilhantes nas asas das borboletas pode tornar a tela de telefones celulares claramente legível, até sob o brilho do sol
por M. Mitchell Waldrop
GEORGE RETSECK (PDA); BEN ZWEIG (Waldrop)
A COLORAÇÃO BRILHANTE de uma borboleta tropical é gerada pelo mesmo processo óptico nanométrico utilizado por telas de modulador interferométrico (Imod)
Na próxima vez que comprar um telefone celular, preste bastante atenção na tela. Se tudo acontecer como a Qualcomm espera, aquele pequeno retângulo colorido pode dar um novo significado à expressão “efeito borboleta”. É bem verdade que as telas de modulador interferométrico (Imod, na sigla em inglês), lançadas recentemente pela empresa de San Diego, na Califórnia, não têm relação com o efeito poderoso que o bater das asas do inseto poderia, teoricamente, exercer sobre o clima. No entanto, os dispositivos realmente usam um conjunto de microestruturas artificiais para produzir o mesmo tipo de cores iridescentes que as das asas de borboletas tropicais. E a Qualcomm aposta que essa abordagem dará aos Imods várias vantagens sobre a tecnologia predominante de telas de cristal líquido (LCD, na sigla em inglês).

O mais importante é que uma tela de Imod consome muito menos a bateria de aparelho portátil – característica que se tornará cada vez mais decisiva à medida que as pessoas aumentam o uso de telefones celulares para navegação na internet, mensagens de texto, se divertir com jogos, ouvir música e assistir a vídeos. Esse uso intensificado representa um grave desafio de administração de energia para as LCDs, cuja maioria não pode ser lida a não ser que exista luz de fundo brilhando sobre elas. Mas uma tela de Imod simplesmente reflete a luz ambiente do mesmo modo que uma folha de papel (ou as asas da borboleta).

“Desse modo, um Imod chega a consumir apenas 6% da energia da bateria de um aparelho portátil, contra quase 50% exigidos por uma LCD”, diz James Cathey, vice-presidente de desenvolvimento de negócios da Qualcomm. E isso significa que um aparelho equipado com um Imod deve durar muito mais com uma única carga – permitindo até o uso de iluminação suplementar necessária para situações de baixa luminosidade. “No cenário típico de uso, estimamos que um telefone equipado com Imod permitiria140 ou mais minutos de tempo de vídeo, enquanto que uma tela LCD tem aproximadamente 50 minutos”, ressalta.
Sendo refletoras, as telas de Imod são também muito mais fáceis de ler à luz clara do dia: em vez de ficarem escuras, como a maioria das telas de LCD, na verdade elas se tornam mais claras e vívidas.

Além disso, as telas de Imod podem ligar e desligar seus pixels a cada 10 microssegundos, aproximadamente mil vezes mais rápido que as telas de LCD, característica que as torna consideravelmente mais adequadas para vídeos. E as telas Imod são pelo menos tão resistentes quanto as LCDs. A Qualcomm testou os pixels do Imod em cerca de 12 bilhões de ciclos liga-desliga, o equivalente a mais de sete anos de operações contínuas, sem falhas.

Naturalmente, há muitas outras alternativas às LCDs, que vão das Oleds (sigla em inglês para telas com diodos emissores de luz orgânica) às telas eletroforéticas ou “papel eletrônico”. Elas oferecem alguma combinação de baixo consumo energético, legibilidade à luz do dia, resposta rápida, e assim por diante, demonstrando muitas vezes habilidades tão boas quanto aquelas das telas de Imod. Mas nenhuma delas consegue ter todas essas características ao mesmo tempo, motivo pelo qual a Qualcomm está tão esperançosa.

Uma Odisséia de Décadas
O primeiro a ter a idéia que deu origem ao Imod foi um estudante de engenharia elétrica do Massachusetts Institute of Technology (MIT) chamado Mark Miles, em 1984, quando estava fazendo um estágio de verão na Hughes Aircraft, em Los Angeles.
“Li um artigo que discutia como é possível usar arranjos de antenas submicroscópicas para converter a luz do sol diretamente em energia elétrica.” Miles lembra: “Fiquei fascinado”. Ele conhecia as antenas de grande escala usadas em radares, televisões e transmissões de rádio. E havia aprendido em suas aulas de física que as ondas de rádio são basicamente as mesmas que as ondas visíveis comuns: ambas são campos elétricos e magnéticos entrelaçados, atravessando o espaço a 300 mil km/s. A única diferença é que as ondas de rádio são medidas em centímetros, metros ou até quilômetros entre uma crista e outra, enquanto ondas de luz são cerca de 1 milhão de vezes mais curtas. A faixa vai de 700 nanômetros (vermelho) até cerca de 400 nanômetros (violeta) de crista a crista, com todas as outras cores do arco-íris no entremeio.

Apesar de saber disso, Miles nunca tinha juntado os dois conceitos para imaginar um dispositivo microscópico capaz de manipular ondas de luz. “E então me ocorreu”, lembra. “Se fosse possível controlar as características dessas microestruturas de alguma maneira – mudar sua absorção e reflexão de acordo com a necessidade – poderia resultar em uma tela incrível.”

É verdade que Miles não tinha a menor idéia de como construir essa tela, mas isso não importava. Depois de concluir seu curso de engenharia elétrica, trabalhou como programador no setor de impressoras para computadores e, em seu tempo livre, pesquisava o problema e conversava com professores do MIT.

Por meio de um desses professores, conheceu um dispositivo óptico que faria exatamente o que ele queria. O interferômetro de Fabry-Pérot, ou étalon, é basicamente uma cavidade formada por duas superfícies refletoras alinhadas em paralelo. Quando a luz entra na cavidade pela superfície superior, que é translúcida, é refletida pela superfície inferior – e então é refletida entre as duas superfícies ad infinitum, com um pequeno “vazamento” pela superfície superior a cada vez. Graças a um fenômeno chamado interferência, todo esse vai-e-vem faz com que a maioria dos comprimentos de onda de luz se cancele. Mas as ondas que ricochetearam acabam por reforçar a reflexão dos comprimentos de onda que se encaixam precisamente na lacuna entre as duas superfícies. Então, o étalon efetivamente funciona, em um todo, como um espelho que reflete apenas uma cor específica, que pode ser escolhida simplesmente mudando o espaçamento entre as superfícies.
A técnica era perfeita para as intenções de Miles – exceto por uma coisa. Os étalons certamente eram uma ferramenta de laboratório de extremo valor para medir e controlar a luz, mas, para uma tela de alta resolução, seria preciso encolhê-los a uma escala microscópica e então arranjá-los aos milhões na superfície de uma tela, em pequenos grupos que formassem um único pixel. Mas acontece que a Natureza já havia resolvido este problema: as cores iridescentes das asas de borboletas tropicais, como a morfo azul, são produzidas por estruturas nanométricas que funcionam de modo bastante semelhante a minúsculos étalons. Mas como Miles produziria estruturas tão minúsculas? Além disso, como ligaria e desligaria os pixels?

A questão frustrou Miles até ele ouvir falar dos sistemas microeletromecânicos (MEMS, na sigla em inglês) – minúsculas máquinas feitas de silício. A idéia básica dos MEMS, que datam da década de 70, é esculpir estruturas mecânicas microscópicas na superfície de uma placa de silício, aplicando as mesmas técnicas utilizadas para criar os microprocessadores. Os pesquisadores dos MEMS já sabiam produzir todos os tipos de equipamentos, molas, cantiléveres, canais e outros, e alguns desses já chegavam ao mercado.

“Os MEMS abriram outro caminho para mim”, ele diz, “O de criar dispositivos reais.” Não tendo nenhuma experiência na fabricação dos MEMS, ele continuou a criar programas diariamente para se sustentar, e passava suas noites freqüentando um curso de extensão sobre MEMS no MIT. Concluído o curso, conseguiu permissão para usar as instalações de fabricação de MEMS da universidade. Acabou chegando a um conceito que repesentou a primeira versão do Imod. Em essência, consistia em um étalon microscópico onde as superfícies refletoras paralelas eram camadas de película fina, criadas utilizando as técnicas dos MEMS. Durante o processo de fabricação, o espaçamento entre os filmes podia ser ajustado para refletir um comprimento de onda ou cor específica. Nessa configuração, o étalon corresponderia a uma célula no estado ligado.

No entanto, como a camada inferior era flexível, desligar a célula era fácil: bastava aplicar uma voltagem muito curta entre as superfícies. A atração eletrostática resultante fazia a camada inferior dobrar-se para cima, estreitando assim o espaço e mudando a luz refletida para a parte invisível ultravioleta do espectro, que é visto como preto. Além disso, a célula permanecia preta, sem consumir nenhuma energia adicional, até que chegasse a hora de ligar e voltar às cores novamente. E isso também era simples: bastava aplicar um outro pulso de voltagem.
Os primeiros dispositivos Imod eram grosseiros e feios, Miles admite. Mas funcionavam bem o suficiente para que ele pudesse enxergar um caminho em direção à comercialização. De fato, na metade da década de 90, essa possibilidade já havia se tornado suficientemente real para que ele deixasse seu emprego e se juntasse ao ex-colega de MIT, Erik J. Larson, para fundar a Iridigm em Cambridge. Era muito difícil conseguir dinheiro à medida que aperfeiçoavam a tecnologia mas, em poucos anos, um dos investidores da empresa – a Qualcomm – decidiu que era hora de adquirir toda a empresa. A Iridigm se tornou a unidade de Tecnologias de MEMS da Qualcomm em outubro de 2004.

Para ter sucesso, o Imod precisará de toda a ajuda que puder obter. A concorrência no mercado de telas de dispositivos portáteis é difícil, diz Chris Chinnock, diretor da Insight Media, especializada em notícias e análises sobre o setor de telas. “Aqui, as LCDs reinam”, diz. Com várias décadas de antecedência no início do desenvolvimento tecnológico e infra-estrutura de fabricação, as LCDs têm conquistado sistematicamente todos os segmentos do mercado de telas planas, de palm-tops a monitores, passando por televisores de parede. “Então, enfrentá-las cara a cara é como desejar a morte”, adverte Chinnock. E há também todas as alternativas à LCD – Oleds, o papel eletrônico e simi-lares, sem contar as muitas variações da tecnologia básica das próprias LCDs.

Ainda sim, o mercado é enorme. “A principal fabricante de telefones celulares, a Nokia, produz 350 milhões de aparelhos por ano – quase 1 milhão por dia”, diz Chinnock. A produção anual mundial é da ordem de bilhões. E isso sem contar todos os tocadores digitais de música, agendas digitais, receptores de GPS e outros aparelhos eletrônicos de mão. “Então, não é necessário conquistar grande penetração no mercado para ter vendas significativas”, conclui.

O desafio da Qualcomm tem sido divulgar seus dispositivos Imod. Uma coisa é fazer uma tela funcionar no laboratório, diz Cathey, da Qualcomm, mas criar um bem de consumo robusto é diferente. Ele questiona, por exemplo, se pode adaptar a tecnologia para a produção em massa. A resposta a essa pergunta é sim: os pixels individuais do Imod são bem mais simples que seus equivalentes da LCD, mas semelhantes o suficiente para que as telas de Imod possam ser produzidas nas instalações existentes para a produção de telas planas. Isso é uma vantagem enorme, Cathey diz, pois construir uma fábrica totalmente nova é um investimento de bilhões de dólares. Mas seria necessário trabalhar no rendimento da fabricação: qual fração das telas que saem da linha de montagem realmente funciona? E, da mesma forma, no controle de qualidade: “Uma tela é imediatamente visível”, diz. “Se há pixels mortos, áreas de não-uniformidade, as pessoas notam.” E o controle de custo é de extrema importância, Cathey acrescenta. “Nesse mercado nós somos obrigados a ter preços competitivos.”
Finalmente, existe a questão das cores. Como em qualquer outra tela, incluindo LCDs, uma tela a cores requer que cada um dos seus pixels consista em três subpixels: um para cada uma da três cores primárias. E cada um desses subpixels deve ter vários subsubpixels que possam ser ligados e desligados independentemente, de modo a produzir uma gama de cores e brilho. Nesse caso, diz Cathey, esses subsubpixels correspondem às unidades individuais do Imod, que precisarão ter menos que 100 micrômetros de largura para produzir uma tela de boa qualidade.

Dada essa curva de aprendizagem bastante íngreme, diz Cathey, a estratégia da empresa tem sido começar pequena e se desenvolver, ganhando experiência e resolvendo os problemas de produção à medida que seguem em frente. Os produtos iniciais da Qualcomm são apenas bicromáticos – letras pretas em um fundo, por exemplo, dourado. Mas telas de Imod com todas as cores já estão a caminho, conta. “Ainda não lançamos a resolução mais alta. Mas seremos capazes de competir com outras tecnologias nesse quesito – e talvez até ultrapassá-las.”

O primeiro anúncio público de contrato de licença da Qualcomm foi feito no último mês de maio com a empresa coreana de equipamentos eletrônicos Ubixon, que irá comercializar uma linha de fones de ouvido com Bluetooth equipados com Imod que fornecem ao usuário uma conexão sem fio com telefones celulares e tocadores de música digitais. A tela Imod bicromática vai mostrar mensagens de texto e os títulos das músicas.

Obviamente, a Qualcomm espera que a tecnologia de Imod faça sucesso rápido. Embora Cathey não possa discutir a pesquisa em detalhes, ele diz que a empresa está pesquisando, em paralelo, uma série de aplicações não relacionadas a telas. Como Miles destaca, “o Imod é um dispositivo fotônico muito poderoso e pode ser integrado a muitos outros tipos de mecanismos envolvidos com a manipulação de luz”. Mesmo assim, para Cathey, as telas são onde os Imods devem brilhar mais intensamente – de telefones celulares a câmeras de vídeo, livros eletrônicos, monitores de computadores, TVs de parede e mais. “Só nos dê um pouco mais de tempo!”
CONCEITOS-CHAVE
- As telas de modulador interferométrico (Imod) podem produzir cores brilhantes explorando o efeito físico da interferência e, ao mesmo tempo, consumir uma pequena parte da energia limitada das baterias de dispositivos móveis como os telefones celulares. Elas também são visíveis à luz forte do dia.

- A unidade básica de um Imod é um minúsculo mecanismo que consiste em duas superfícies com uma lacuna entre elas. A lacuna determina a cor que é refletida quando a luz atinge a tela.

- A Qualcomm, uma grande empresa de eletrônicos sem fio, pode conquistar espaço no mercado de eletrônicos portáteis dominado pelas telas de cristal líquido (LCD). – Os editores
[CONHECIMENTO BÁSICO] COMO O IMOD FUNCIONA
GEORGE RETSECK
Telas de modulador interferométrico (Imod) utilizam a interferência de ondas de luz para criar cores brilhantes de acordo com a demanda. Cada célula de unidade básica produz uma única cor (1ª figura) ou a cor preta (figura do meio). Com um arranjo de várias células, é possível formar pixels, ou elementos de imagem (3ª figura). A Qualcomm produz atualmente telas bicromáticas compostas de células de uma única cor, mas diz que as telas completamente coloridas, como as ilustradas aqui, já estão a caminho.

CÉLULA DE UNIDADE COLORIDA
A célula de unidade do Imod consiste em duas superfícies espelhadas paralelas. Quando a luz atinge a estrutura, parte dela é refletida pelo topo e parte passa pelo espelho translúcido na lacuna, onde é refletida internamente. No entanto, um pouco de luz escapa pela superfície superior toda vez que reflete. Muitas das ondas de luz que escapam (verde e azul) ficarão levemente fora de fase com aquelas sendo refletidas pelo topo e com outras ondas que escapam. Essas ondas se cancelam por meio de interferência destrutiva. Mas outras ondas de luz refletidas que estão em fase (em vermelho) vão se juntar (interferência construtiva) e assim serão visíveis ao olho humano.

CÉLULA DE UNIDADE NO ESTADO PRETO
Uma célula de unidade colorida fica preta quando a voltagem aplicada produz uma atração eletrostática entre os espelhos, fechando a lacuna de ar. A cor preta aparece porque a lacuna encolhida muda a luz refletida para a faixa ultravioleta invisível. Outro pulso de voltagem reverte a célula de volta para o colorido.

PIXEL COMPLETAMENTE COLORIDO
Um pixel colorido de Imod é formado por arranjos de subpixels vermelhos, verdes e azuis, cada qual sendo formado por duas colunas de sete células de unidade. O matiz e brilho particulares de um pixel dependem da mistura específica de células ativadas. A profundidade da lacuna determina se as células têm cor vermelha, verde ou azul.
[O CONTEXTO] TECNOLOGIAS CONCORRENTES
ANN SANDERSON
A tecnologia do Imod está entrando em um mercado difícil e multibilionário de telas de aparelhos portáteis, que já conta com várias outras alternativas. Telas de cristal líquido (LCD) são as dominantes atual-mente, mas telas de diodos emissores de luz orgânica (Oleds) têm encontrado nichos de aplicação.

TECNOLOGIA DE TELA
1.LCD

Materiais opticamente ativos modulam uma fonte de luz artificial, como uma luz de fundo

2.OLED
Substâncias orgânicas geram luz quando expostas a uma corrente elétrica

3.IMOD
Materiais refletores modulam a luz ambiente e a refletem repetidamente em uma superfície espelhada

VANTAGENS
1.Baratas, amplamente disponíveis, tecnicamente simples

2.Devem ficar baratas depois que as fábricas forem construídas, e têm resposta elétrica rápida

3.Baratas, baixo consumo de energia, resposta elétrica rápida, boa legibilidade à luz do sol intensa, amplo ângulo de visão, tecnicamente simples

DESVANTAGENS
1.Alto consumo de energia, baixa legibilidade à luz do sol, baixa resistência a temperaturas extremas, ângulos de visão limitados, mecanismo volumoso

2.Alto consumo de energia, baixa legibilidade à luz do sol, tempo de vida relativamente curto, suscetibilidade à água e contaminação de oxigênio, tecnicamente complexas

3.Tecnologia nova e desconhecida, ainda não está disponível em telas completamente coloridas
M. Mitchell Waldrop É escritor freelancer em Washington, D.C. Foi redator sênior da revista Science e escreveu livros sobre a história da computação, inteligência artificial e complexidade. Seu último artigo para Scientific American, “Uma central de dados encaixotada”, apareceu na edição de setembro.
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