Résumé exécutif
NANOWEB® est un film conducteur extrêmement fin et transparent, constitué d'une maille métallique invisible et nanostructurée fabriquée sur une surface en verre ou en plastique. Grâce à sa transparence, sa conductivité et sa flexibilité inégalées, ce film fonctionnel breveté présente un immense potentiel pour les cas d'utilisation passifs et motorisés, avec des applications telles que le blindage contre les interférences électromagnétiques, les antennes, les systèmes de redirection 5G/6G pour l'élimination des points morts, et les dispositifs de dégivrage/désembuage pour les vitres de véhicules et les lunettes.
Technologie NANOWEB
Les conducteurs transparents sont des composants essentiels d'un large éventail de dispositifs électroniques, notamment les écrans tactiles, les diodes électroluminescentes organiques (OLED) et les systèmes photovoltaïques. Ils sont également fréquemment utilisés dans les composants optiques des capteurs et des systèmes d'affichage, notamment pour le blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI) et les éléments chauffants transparents.
Les matériaux d'électrode conductrice transparente (ETC) existants, tels que l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) et les nanofils d'argent, présentent plusieurs inconvénients, notamment une faible stabilité mécanique, une faible transmissivité optique, une faible conductivité électrique, un coût élevé et un approvisionnement limité. Ces contraintes (ou limitations), ainsi que la demande sans cesse croissante de produits électroniques, ont encouragé les efforts visant à explorer des solutions alternatives.
L'un des résultats de ces efforts est le NANOWEB®, un conducteur unique transparent à couche mince développé par Meta Materials Inc. (META®) et lauréat du prix IDTechEx "Best Manufacturing Technology".
Composé d'un maillage précis de fils métalliques submicroniques invisibles formés sur un substrat en verre ou en plastique, NANOWEB® offre des propriétés électriques et optiques supérieures à celles des films conducteurs transparents classiques.
Différente des options actuellement disponibles, la transparence de NANOWEB® est déterminée par l'espacement géométrique de sa maille de fils nanostructurés et ses dimensions submicroniques. Par conséquent, NANOWEB® peut être fabriqué à partir de presque tous les métaux, y compris, mais sans s'y limiter, l'argent, l'aluminium, le nickel, le cuivre et le platine, afin d'offrir des spécifications et des capacités étendues, tout en maintenant une visibilité exceptionnelle. Un échantillon de NANOWEB® imprimé sur un substrat circulaire est présenté dans la figure 1, qui démontre clairement sa transparence.
Figure 1. Un échantillon imprimé sur un substrat circulaire comme exemple de la transparence du NANOWEB®.
Dans de nombreux cas, NANOWEB® peut se substituer à l'ITO, qui est sans doute le matériau TCE le plus couramment utilisé. Une comparaison avec les technologies TCE disponibles dans le commerce, comme le montre la figure 2, illustre clairement la supériorité de NANOWEB® en matière de transmission optique par rapport aux performances de résistance de la feuille.
Figure 2. Comparaison des performances de NANOWEB® et de l'ITO et des principales technologies TCE alternatives à l'ITO.
En outre, NANOWEB® surpasse également les composants à base d'ITO en termes de durabilité et de consommation d'énergie pour la fabrication. La fabrication des TCE à base d'ITO nécessite des matériaux rares et des procédés énergivores. En revanche, NANOWEB® est fabriqué à partir de matériaux plus facilement disponibles (par exemple, l'argent et le cuivre) et avec des outils moins gourmands en énergie (par exemple, des machines de revêtement par centrifugation et des chambres de métallisation) qui sont largement disponibles dans l'industrie et offrent des performances durables.
Un autre avantage clé qui différencie NANOWEB® des solutions conventionnelles est la flexibilité de son maillage qui peut être personnalisé et optimisé pour répondre aux exigences de diverses applications. Il est souvent impossible de structurer (graver) de manière rentable un ITO d'une épaisseur bien inférieure à 20 µm, alors que NANOWEB® est imprimé à partir de sa ligne de fabrication de rouleau à rouleau (ne nécessitant pas d'étape de gravure post-structuration) avec des caractéristiques submicroniques.
Fabrication de NANOWEB® - Lithographie à masque roulant (RML®)
Les performances et la polyvalence exceptionnelles de NANOWEB® peuvent être largement attribuées à son procédé de fabrication appelé Rolling Mask Lithography (RML®), qui peut être décrit comme un procédé propriétaire de nanolithographie optique en champ proche continu. En combinant les avantages de la lithographie à décalage de phase et de la lithographie douce avec le modelage par roulement [2,3,4], la RML® offre une capacité unique de produire des structures sub-longueur d'onde pour des applications de grande surface de manière rentable et évolutive. Grâce à l'utilisation d'un masque élastomère cylindrique, une large sélection de matériaux (par exemple, l'argent, l'or et le cuivre) peut être fabriquée sur des substrats rigides (par exemple, le verre et le saphir) et flexibles (par exemple, le plastique et le verre flexible).
La figure 3(a) illustre la technique RML® de nanopatterning continu sur une grande surface et les principaux composants du système. Les figures 3(b) et (c) montrent des images de microscopie électronique à balayage (MEB) d'un motif NANOWEB® fabriqué à l'aide d'un masque de 500 nm de largeur de maille.
Figure 3. (a) Impression d'artiste de la technique RML®. (b) et
(c) Images MEB d'un motif NANOWEB® fabriqué par RML®.
Le procédé RML® fait appel à un outil d'exposition composé d'une source de lumière ultraviolette (UV) en ligne enfermée dans un cylindre de quartz, d'un masque souple fabriqué dans un matériau souple et présentant un motif à décalage de phase, et d'un substrat recouvert d'une couche de résine photosensible dure et fine. Le masque est monté sur le cylindre et entre en contact avec la réserve sur le substrat, en exerçant une pression précise.
Pendant le processus d'exposition, la lumière UV collimatée émanant de la source de lumière UV est guidée à travers une fente intermédiaire devant le masque et dans la réserve. Le motif à décalage de phase du masque facilite l'exposition de la réserve dans le champ proche de la lumière UV structurée. Ensuite, la résine est développée et le substrat est rincé.
La largeur de ligne, l'épaisseur et les paramètres de conception de la maille du masque utilisé dans le procédé RML® sont normalement réglés pour répondre aux exigences individuelles de transparence et de conductivité.
Grâce à sa haute conductivité et à sa transparence optique de premier ordre, y compris son faible trouble, le NANOWEB® peut servir une large gamme d'applications passives et actives, dont certaines sont présentées ci-dessous.
Application du NANOWEB® - Blindage EMI
L'utilisation croissante des appareils électroniques a intensifié les préoccupations relatives aux interférences électromagnétiques, qui sont des bruits ou des interférences indésirables causés par une source extérieure dans un circuit ou une voie électrique. Également connues sous le nom d'interférences radioélectriques (RF), les IEM peuvent entraîner un mauvais fonctionnement, un dysfonctionnement ou un arrêt complet de l'électronique et constituent une menace pour les équipements électroniques et le corps humain. Le blindage EMI est une technologie couramment utilisée pour minimiser les effets néfastes des EMI [6,7,8,9].
Pour les systèmes optiquement transparents (par exemple, les fenêtres et les portes de fours à micro-ondes), l'un des principaux défis du blindage EMI est d'assurer la transmittance optique tout en réalisant un blindage efficace [10].
Les systèmes actuels de blindage EMI transparent reposent principalement sur des oxydes conducteurs transparents (TCO) ou des treillis métalliques (MWM). La conductivité limitée par la densité des dopants empêche les TCO (par exemple, l'ITO) d'atteindre une efficacité de blindage (SE) adéquate [11]. D'autre part, en raison de leur excellente efficacité de blindage et de leur transparence, les MWM constituent un choix fiable et éprouvé de blindage EMI, en particulier pour les interférences de la gamme des micro-ondes [12]. L'applicabilité des MWM disponibles est toutefois circonscrite par leurs largeurs de ligne, qui sont suffisamment grandes (plusieurs microns) pour être résolues par l'œil humain.
Le RML® peut résoudre efficacement le problème des fils discernables associé à la technologie actuelle de blindage EMI basée sur les MWM. Avec une largeur de ligne ne dépassant pas un micron, les NANOWEB® fabriqués à l'aide du RML® sont impossibles à voir à l'œil nu, offrant ainsi une amélioration significative de la transparence par rapport aux écrans métalliques perforés standard ou aux MWM à l'échelle micronique. La figure 4 compare la transparence d'un four à micro-ondes conventionnel et d'un four à micro-ondes blindé par NANOWEB®. La transparence du blindage EMI à base de NANOWEB® de ce dernier permet une vue complètement dégagée des aliments en cours de cuisson, ce qui évite de devoir ouvrir et fermer la porte à plusieurs reprises pour vérifier que les aliments sont prêts.
Figure 4. Amélioration de la transparence obtenue avec le blindage EMI à base de NANOWEB® pour les fours à micro-ondes conventionnels.
pour les fours à micro-ondes conventionnels
En ce qui concerne la SE, NANOWEB® surpasse également les MWM conventionnels comparables en transparence. La figure 5 montre les mesures de SE pour deux conceptions NANOWEB®, S1 et S2. Il est évident que la capacité élevée (60-70 dB) de blindage EMI de S1 n'est pas obtenue au détriment de la transparence optique (environ 90%).
Figure 5. Niveaux de blindage EMI mesurés pour deux conceptions NANOWEB®.
Antennes NANOWEB® transparentes aux applications
Une autre application notable de NANOWEB® est celle des antennes optiquement transparentes. Les antennes transparentes sont utiles pour intégrer la fonctionnalité d'antenne dans des surfaces transparentes, comme les pare-brise et les fenêtres (figure 6), tout en maintenant la visibilité.
Figure 6. Antenne invisible pour la 5G et la télévision numérique à domicile
La haute transparence des antennes transparentes NANOWEB® est obtenue sans sacrifier leur comportement électromagnétique. Cet avantage clé, ainsi que l'encombrement minimal de l'installation, les propulse au premier plan des choix d'antennes pour de nombreux scénarios d'application. Il s'agit notamment des antennes 5G pour les smartphones, les smartwatches et les véhicules, des antennes Bluetooth pour les wearables et les appareils de l'Internet des objets (IoT), et des antennes satellites montées sur des panneaux solaires.
Figure 7. Exemples de trois antennes transparentes NANOWEB® formées chacune sur un substrat de film de polyéthylène téréphtalate (PET)
La figure 7 montre trois prototypes d'antennes transparentes développés à l'aide de NANOWEB®. L'antenne la plus à gauche est une antenne unipolaire qui fonctionne entre 6 et 10 GHz. L'antenne du milieu est une grande antenne intérieure de réception de télévision numérique, qui fonctionne à 400-800 MHz. Elle a également été testée avec succès dans des conditions réelles pour recevoir des signaux de télévision numérique. À la connaissance de META®, il s'agit de la plus grande antenne transparente jamais produite pour le niveau de transparence donné. L'antenne la plus à droite est un patch à quatre réseaux d'éléments qui fonctionne sur les bandes 5G à ondes millimétriques (mmWave) entre 26 et 28 GHz et est compatible avec les réseaux 5G modernes. Elle est constituée d'un empilement de couches multiples collées ensemble avec un adhésif optiquement transparent, où NANOWEB® est utilisé à la fois pour le fond de panier et l'élément rayonnant.
Les réponses en fréquence mesurées des antennes sont présentées à la figure 8. La transparence optique de ces prototypes est comprise entre 82% et 92%.
Figure 8. Réponses en fréquence mesurées des prototypes d'antennes transparentes NANOWEB®.
Les antennes transparentes NANOWEB®, conçues pour la gamme de fréquences de 400 MHz à 92 GHz, devraient jouer un rôle important dans les infrastructures de télécommunications de la prochaine génération, grâce à leurs avantages en termes d'esthétique et d'espace par rapport aux options traditionnelles opaques et gênantes.
Films de redirection RF NANOWEB® transparents aux applications
En tant qu'épine dorsale des villes intelligentes, une connectivité omniprésente et fiable repose sur des réseaux cellulaires sans fil étendus et très performants (5G/6G), capables de gérer un grand nombre de connexions simultanées avec une faible latence et des débits de données élevés.
Connus pour leur haute directivité, leurs courtes portées et leur sensibilité aux obstructions, les signaux de communication RF présentent des défis uniques pour réaliser une couverture réseau complète dans les zones urbaines denses. L'adoption croissante de fenêtres en verre à faible émissivité et à faible consommation d'énergie dans les bâtiments modernes entrave également la transmission des signaux, car ces fenêtres provoquent une atténuation considérable des signaux.
Pour contrer cet obstacle, une infrastructure de réseau supplémentaire est déployée pour améliorer la couverture du réseau, mais il s'agit d'une approche coûteuse et gourmande en espace. De plus, les tours de réseau deviennent de plus en plus gênantes pour les habitants des villes, dévalorisant souvent leurs biens immobiliers.
Les films de redirection RF à base de NANOWEB® (Figure 9) constituent une solution alternative passive et plus durable pour éliminer les points morts du réseau sans fil. Applicables pratiquement partout, ces films ultra-minces, transparents et flexibles peuvent transmettre et/ou réfléchir sélectivement les signaux dans les gammes sub-6-GHz et mmWave.
Ces films NANOWEB® peuvent être imaginés comme de grandes feuilles de métal qui, cependant, sont totalement invisibles lorsqu'elles sont appliquées sur les murs et les fenêtres. Parce qu'ils sont passifs et ne nécessitent pas d'alimentation électrique, ces films peuvent être installés ultérieurement à l'intérieur et à l'extérieur, faisant briller le signal dans les points morts qui nécessiteraient autrement des tours ou des relais coûteux. Pour les usines et les hôpitaux où les dispositifs et outils IoT sans fil sont de plus en plus employés, un autre avantage supplémentaire de la redirection passive par rapport au relais de signal actif est que la solution passive n'ajoute aucun retard de signal électronique. Traditionnellement, le relais d'un signal 5G dans un bâtiment comportant de nombreux couloirs et pièces peut ajouter des secondes de retard de signal non uniforme, une considération importante dans des circonstances où tous les appareils IoT peuvent avoir besoin de fonctionner à l'unisson.
Figure 9. Concept de film fenêtre transparent de redirection RF à base de NANOWEB® pour l'expansion des communications 5G
Dispositifs de dégivrage/désembuage des applications NANOWEB®.
En tant que film unidimensionnel ou bidimensionnel à base de nanofils configuré comme un élément chauffant résistant, NANOWEB® peut fournir une chaleur uniforme dans une variété d'applications nouvelles à haute performance. Des lunettes aux pare-brise, la capacité à assurer une visibilité constante dans des conditions défavorables comme le brouillard, la glace et la neige est de plus en plus critique.
Dans les seules applications automobiles, on prévoit qu'environ huit millions de véhicules autonomes ou semi-autonomes prendront la route d'ici 2025. Les véhicules autonomes devront d'abord franchir six niveaux de progrès technologiques en matière d'aide à la conduite avant d'atteindre une autonomie complète et de rejoindre les routes. Les automobiles de la prochaine génération, en particulier celles qui utilisent actuellement des systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) de niveaux 3, 4 et 5, utiliseront une vingtaine de scanners et de capteurs, qui nécessiteront tous une visibilité des signaux des capteurs. Compte tenu de la dépendance croissante des conducteurs et de la demande toujours plus pressante en matière de sécurité des véhicules, les réchauffeurs de capteurs doivent réagir rapidement et être transparents et uniformes afin de garantir une intégrité maximale du rapport signal/bruit dans toutes les conditions défavorables.
Grâce à sa faible résistance, le NANOWEB® peut atteindre la densité de puissance requise pour les applications de chauffage à basse tension. Par exemple, en tant qu'élément chauffant pour les fenêtres, NANOWEB® peut atteindre jusqu'à 70°C en moins d'une minute avec une application de 12 volts ou moins.
La figure 10 illustre l'efficacité de la technologie anti-buée NANOWEB®. Dans cette démonstration, la moitié gauche d'une surface transparente était recouverte d'un film NANOWEB® alimenté, alors que sa moitié droite ne l'était pas. Lorsqu'une tasse remplie d'un liquide chauffé a été placée sous la surface, de la condensation s'est formée sur la moitié droite de la surface, alors que la moitié gauche est restée claire, ce qui prouve l'efficacité du film NANOWEB® pour empêcher la condensation ou la buée.
Figure 10. Démonstration de la technologie anti-buée NANOWEB®.
La condensation se produit lorsque des gouttelettes d'eau se forment lorsque l'air chaud entre en contact avec une surface froide. Ce phénomène est particulièrement problématique pour les masques et les lunettes car il réduit considérablement la visibilité. Le chauffage peut résoudre efficacement ce problème en éliminant le gradient de température entre le masque/les lentilles des lunettes et l'air ambiant. Comparé à d'autres solutions de chauffage à base de film (par exemple, ITO), NANOWEB® est plus efficace pour désembuer grâce à une densité de chaleur pouvant atteindre plus de 10 000 W/m2, tout en maintenant une transparence élevée.
En outre, l'utilisation de capteurs RADAR automobiles est complètement bloquée par les chauffages ITO conventionnels, alors que les réseaux de nanofils linéaires unidimensionnels de NANOWEB® sont polarisés, permettant une transmission RADAR à 100%. Il est impossible d'imprimer ces réseaux sur l'ITO de manière invisible. Pour le LIDAR, la transmission optique élevée offerte par NANOWEB® se traduit par un rapport signal/bruit significatif dans le monde réel de la détection, en construisant un nuage de points de plus haute résolution et en réalisant la détection environnementale si critique pour l'autonomie ADAS de niveau 4 et 5.
Des exemples de lunettes antibuée et d'un système de dégivrage de pare-brise utilisant NANOWEB® sont présentés respectivement sur les figures 11(a) et (b).
Figure 11. (a) Lunettes antibuée à base de NANOWEB®. (b) Système de dégivrage de pare-brise à base de NANOWEB®.
Conclusion
Composé d'un arrangement précis de fils métalliques submicroniques imperceptibles à l'œil humain, le NANOWEB® de META® offre une alternative flexible, rentable et durable aux matériaux conducteurs transparents conventionnels. Des propriétés électriques et optiques exceptionnelles et très différenciées, combinées à une personnalisation complète avec la lithographie à masque roulant (RML®) et à une adaptabilité prête à l'emploi, font de ce film conducteur transparent ultra-mince une solution révolutionnaire pour des applications de grande envergure comme la 5G, l'automobile et les produits grand public. Pour plus d'informations sur NANOWEB®, veuillez consulter le site suivant https://metamaterial.com/products/nanoweb/.
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