Kurzfassung
NANOWEB® ist eine extrem dünne, transparente, leitfähige Folie, die aus einem unsichtbaren, nanostrukturierten Metallnetz besteht, das auf eine Glas- oder Kunststoffoberfläche aufgebracht wird. Mit ihrer unübertroffenen Transparenz, Leitfähigkeit und Flexibilität birgt diese patentierte Funktionsfolie ein immenses Potenzial für passive und aktive Anwendungsfälle, darunter die Abschirmung elektromagnetischer Störungen, Antennen, 5G/6G-Umlenksysteme zur Beseitigung von Funklöchern sowie Enteisungs-/Beschlagsvorrichtungen für Fahrzeugscheiben und Brillen.
NANOWEB®-Technologie
Transparente Leiter sind wichtige Komponenten in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, darunter Touchscreens, organische Leuchtdioden (OLEDs) und Photovoltaik. Sie werden auch häufig in den optischen Komponenten von Sensoren und Anzeigesystemen verwendet, einschließlich der Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und transparenter Heizelemente.
Bestehende transparente leitfähige Elektrodenmaterialien wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) und Silbernanodrähte haben mehrere Nachteile, darunter schlechte mechanische Stabilität, geringe optische Durchlässigkeit, geringe elektrische Leitfähigkeit, hohe Kosten und begrenzte Verfügbarkeit. Diese Zwänge (oder Einschränkungen) haben zusammen mit der ständig wachsenden Nachfrage nach elektronischen Produkten dazu geführt, dass nach alternativen Lösungen gesucht wird.
Ein Ergebnis dieser Bemühungen ist NANOWEB®, ein einzigartiger transparenter Dünnschichtleiter, der von Meta Materials Inc. (META®) entwickelt wurde und mit dem IDTechEx-Preis für die beste Fertigungstechnologie" ausgezeichnet wurde.
NANOWEB® besteht aus einem präzise angeordneten Netz unsichtbarer Metalldrähte im Submikronbereich, die auf einem Glas- oder Kunststoffsubstrat aufgebracht sind, und bietet im Vergleich zu herkömmlichen transparenten Leiterfolien hervorragende elektrische und optische Eigenschaften.
Im Gegensatz zu den derzeit verfügbaren Optionen wird die Transparenz von NANOWEB® durch die geometrischen Abstände der nanostrukturierten Drahtgitter und die Abmessungen im Submikrometerbereich bestimmt. Daher kann NANOWEB® aus fast allen Metallen hergestellt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Silber, Aluminium, Nickel, Kupfer und Platin, um umfassende Spezifikationen und Möglichkeiten zu bieten und gleichzeitig eine außergewöhnliche Transparenz zu gewährleisten. Abbildung 1 zeigt ein Muster von NANOWEB®, das auf ein rundes Substrat gedruckt wurde, was seine Transparenz deutlich macht.
Abbildung 1. Ein auf ein rundes Substrat gedrucktes Muster als Beispiel für die Transparenz von NANOWEB®
In vielen Fällen kann NANOWEB® als Ersatz für ITO fungieren, das wohl am häufigsten verwendete TCE-Material. Ein Vergleich mit handelsüblichen TCE-Technologien, wie in Abbildung 2 dargestellt, verdeutlicht die Überlegenheit von NANOWEB® bei der optischen Übertragung im Vergleich zum Schichtwiderstand.
Abbildung 2. Leistungsvergleich zwischen NANOWEB® und ITO sowie wichtigen ITO-Alternativen zu TCE-Technologien
Darüber hinaus übertrifft NANOWEB® die ITO-basierten Komponenten auch in Bezug auf Nachhaltigkeit und Energieverbrauch bei der Herstellung. Die Herstellung von ITO-basierten TCEs erfordert knappe Materialien und energieaufwändige Prozesse. Im Gegensatz dazu wird NANOWEB® aus leichter verfügbaren Materialien (z. B. Silber und Kupfer) und mit weniger energieintensiven Werkzeugen (z. B. Spin-Coatern und Metallisierungskammern) hergestellt, die in der Industrie weit verbreitet sind und eine nachhaltige Leistung bieten.
Ein weiterer entscheidender Vorteil, der NANOWEB® von konventionellen Lösungen unterscheidet, ist sein flexibles Maschenmusterdesign, das an die verschiedenen Anwendungsanforderungen angepasst und optimiert werden kann. Es ist oft nicht möglich, ITO mit einer Dicke von weniger als 20 µm kosteneffizient zu strukturieren (zu ätzen), während NANOWEB® von der Rolle-zu-Rolle-Fertigungslinie aus mit Submikron-Merkmalen gedruckt wird (kein Ätzschritt nach der Strukturierung erforderlich).
NANOWEB®-Fertigung - Rolling Mask Lithography (RML®)
Die herausragende Leistung und Vielseitigkeit von NANOWEB® ist größtenteils auf das Herstellungsverfahren Rolling Mask Lithography (RML®) zurückzuführen, das sich am besten als proprietärer kontinuierlicher optischer Nahfeld-Nanolithografieprozess beschreiben lässt. Durch die Kombination der Vorteile der Phasenverschiebung und der Softlithografie mit der Rolle-zu-Rolle-Musterung[2,3,4] bietet RML® die einzigartige Möglichkeit, Strukturen im Subwellenlängenbereich für großflächige Anwendungen kostengünstig und skalierbar herzustellen. Durch den Einsatz einer zylindrischen Elastomermaske kann eine große Auswahl an Materialien (z. B. Silber, Gold und Kupfer) sowohl auf starren (z. B. Glas und Saphir) als auch auf flexiblen (z. B. Kunststoff und flexibles Glas) Substraten hergestellt werden.
Abbildung 3(a) zeigt das RML®-Verfahren für die kontinuierliche Nanostrukturierung über eine große Fläche und die wichtigsten Systemkomponenten. Abbildung 3(b) und (c) zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines NANOWEB®-Musters, das mit einer Maske mit einer Maschenweite von 500 nm hergestellt wurde.
Abbildung 3: (a) Künstlerische Darstellung der RML®-Technik. (b) und
(c) REM-Aufnahmen eines mit RML® hergestellten NANOWEB®-Musters.
Das RML®-Verfahren umfasst ein Belichtungswerkzeug, das aus einer von einem Quarzzylinder umschlossenen Inline-UV-Lichtquelle, einer weichen Maske aus einem nachgiebigen Material mit einem Phasenverschiebungsmuster und einem mit einer harten, dünnen, lichtempfindlichen Resistschicht beschichteten Substrat besteht. Die Maske ist über dem Zylinder angebracht und kontaktiert den Fotolack auf dem Substrat mit präzisem Druck.
Während des Belichtungsvorgangs wird das von der UV-Lichtquelle ausgehende kollimierte UV-Licht durch einen Zwischenschlitz vor der Maske in den Fotolack geleitet. Das Phasenverschiebungsmuster der Maske erleichtert die Belichtung des Resists im Nahfeld des gemusterten UV-Lichts. Anschließend wird der Lack entwickelt und das Substrat abgespült.
Die Parameter für die Linienbreite, die Dicke und das Netzdesign der im RML®-Verfahren verwendeten Maske werden normalerweise auf die individuellen Anforderungen an Transparenz und Leitfähigkeit abgestimmt.
Mit seiner hohen Leitfähigkeit und seiner klassenbesten optischen Transparenz, einschließlich geringer Trübung, kann NANOWEB® für eine Vielzahl von passiven und aktiven Anwendungen eingesetzt werden, von denen einige im Folgenden beschrieben werden.
NANOWEB®-Anwendung - EMI-Abschirmung
Der zunehmende Einsatz elektronischer Geräte hat die Besorgnis über EMI verstärkt, d. h. unerwünschtes Rauschen oder Störungen in einem elektrischen Pfad oder Schaltkreis, die von einer externen Quelle verursacht werden. EMI, auch als Hochfrequenzstörung bekannt, kann dazu führen, dass elektronische Geräte schlecht funktionieren, Fehlfunktionen aufweisen oder ganz ausfallen, und stellt sowohl für elektronische Geräte als auch für den menschlichen Körper eine Gefahr dar. Die EMI-Abschirmung ist eine gängige Technologie, um die negativen Auswirkungen von EMI zu minimieren[6,7,8,9].
Bei optisch transparenten Systemen (z. B. Fenster und Türen von Mikrowellenherden) besteht eine der größten Herausforderungen für die EMI-Abschirmung darin, die optische Durchlässigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig eine wirksame Abschirmung zu realisieren[10].
Derzeitige transparente EMI-Abschirmungssysteme basieren meist auf transparenten leitfähigen Oxiden (TCOs) oder Metalldrahtgeflechten (MWMs). Aufgrund der durch die Dotierungsdichte begrenzten Leitfähigkeit können TCOs (z. B. ITO) keine angemessene Abschirmwirkung (SE) erzielen[11]. Andererseits sind MWMs aufgrund ihrer hervorragenden SE und Transparenz eine bewährte und zuverlässige Wahl für die EMI-Abschirmung, insbesondere bei Störungen im Mikrowellenbereich[12]. Die Anwendbarkeit der verfügbaren MWMs wird jedoch durch ihre Linienbreiten eingeschränkt, die groß genug sind (mehrere Mikrometer), um vom menschlichen Auge aufgelöst zu werden.
RML® kann das Problem der erkennbaren Drähte im Zusammenhang mit der aktuellen MWM-basierten EMI-Abschirmungstechnologie wirksam angehen. Das mit RML® hergestellte NANOWEB® ist mit bloßem Auge nicht zu erkennen und bietet damit eine erhebliche Verbesserung der Transparenz im Vergleich zu den branchenüblichen perforierten Metallschirmen oder MWMs im Mikrometerbereich. Abbildung 4 vergleicht die Transparenz eines herkömmlichen Mikrowellenofens und eines mit NANOWEB® abgeschirmten Mikrowellenofens. Die durchsichtige NANOWEB®-basierte EMI-Abschirmung des letzteren ermöglicht einen völlig ungehinderten Blick auf das Gargut, so dass man die Tür nicht immer wieder öffnen und schließen muss, um zu prüfen, ob das Essen fertig ist.
Abbildung 4. Verbesserung der Transparenz durch EMI-Abschirmung auf NANOWEB®-Basis
Abschirmung für konventionelle Mikrowellenöfen
Auch in Bezug auf SE übertrifft NANOWEB® herkömmliche MWMs, die in ihrer Transparenz vergleichbar sind. Abbildung 5 zeigt die SE-Messungen für zwei NANOWEB®-Designs, S1 und S2. Es ist ersichtlich, dass die hohe EMI-Abschirmung (60-70 dB) von S1 nicht auf Kosten der optischen Transparenz (ca. 90 %) erreicht wird.
Abbildung 5. Gemessene EMI-Abschirmwerte für zwei NANOWEB®-Designs
NANOWEB®-Anwendungstransparente Antennen
Eine weitere bemerkenswerte Anwendung von NANOWEB® sind optisch transparente Antennen. Transparente Antennen sind nützlich für die Integration von Antennenfunktionen in transparente Oberflächen wie Windschutzscheiben und Fenster (Abbildung 6), wobei die Sichtbarkeit erhalten bleibt.
Abbildung 6. Unsichtbare Antenne für 5G und digitales Fernsehen zu Hause
Die hohe Transparenz der NANOWEB®-Transparentantennen wird ohne Beeinträchtigung ihres elektromagnetischen Verhaltens erreicht. Dieser Hauptvorteil und der minimale Platzbedarf machen sie zu einer der ersten Wahl bei Antennen für viele Anwendungsszenarien. Dazu gehören 5G-Antennen für Smartphones, Smartwatches und Fahrzeuge, Bluetooth-Antennen für Wearables und Internet-of-Things (IoT)-Geräte sowie auf Solarzellen montierte Satellitenantennen.
Abbildung 7. Beispiele für drei transparente NANOWEB®-Antennen, die jeweils auf einem Polyethylenterephthalat (PET)-Foliensubstrat ausgebildet sind
Abbildung 7 zeigt drei funktionierende Prototypen von transparenten Antennen, die mit NANOWEB® entwickelt wurden. Die ganz linke ist eine Monopolantenne, die bei 6-10 GHz arbeitet. Die mittlere ist eine große Innenantenne für den Empfang von Digitalfernsehen (TV), die bei 400-800 MHz arbeitet. Sie wurde ebenfalls erfolgreich unter realen Bedingungen für den Empfang digitaler Fernsehsignale getestet. Soweit META® weiß, ist dies die größte transparente Antenne, die jemals für den gegebenen Transparenzgrad hergestellt wurde. Bei der Antenne ganz rechts handelt es sich um ein Patch mit vier Elementen, das in den 5G-Millimeterwellenbändern (mmWave) zwischen 26 und 28 GHz arbeitet und mit modernen 5G-Netzen kompatibel ist. Sie besteht aus einem Stapel von mehreren Schichten, die mit optisch klarem Klebstoff miteinander verbunden sind, wobei NANOWEB® sowohl für die Backplane als auch für das strahlende Element verwendet wird.
Die gemessenen Frequenzgänge der Antennen sind in Abbildung 8 dargestellt. Die optische Transparenz dieser Prototypen reicht von 82 % bis 92 %.
Abbildung 8. Gemessene Frequenzgänge der transparenten NANOWEB®-Antennenprototypen
Die transparenten NANOWEB®-Antennen, die für den Frequenzbereich von 400 MHz bis 92 GHz ausgelegt sind, bieten sowohl ästhetische als auch Platzvorteile gegenüber den herkömmlichen undurchsichtigen und aufdringlichen Optionen und werden voraussichtlich eine wichtige Rolle in der Telekommunikationsinfrastruktur der nächsten Generation spielen.
NANOWEB® anwendungstransparente RF-Redirektionsfolien
Als Rückgrat intelligenter Städte ist eine allgegenwärtige und zuverlässige Konnektivität auf ausgedehnte, leistungsstarke (5G/6G) drahtlose Mobilfunknetze angewiesen, die in der Lage sind, eine große Anzahl gleichzeitiger Verbindungen mit geringer Latenz und hohen Datengeschwindigkeiten zu bewältigen.
HF-Kommunikationssignale sind für ihre hohe Richtwirkung, kurze Reichweite und Anfälligkeit für Hindernisse bekannt und stellen eine besondere Herausforderung für die Realisierung einer vollständigen Netzabdeckung in dichten Stadtgebieten dar. Die zunehmende Verwendung von Fenstern aus energiesparendem Glas mit niedrigem Emissionsgrad in modernen Gebäuden behindert ebenfalls die Signalübertragung, da diese Fenster eine erhebliche Signaldämpfung verursachen.
Um dem entgegenzuwirken, wird zusätzliche Netzinfrastruktur aufgebaut, um die Netzabdeckung zu verbessern, was jedoch kostspielig ist und viel Platz erfordert. Darüber hinaus werden die Netzwerktürme von den Stadtbewohnern zunehmend als störend empfunden und entwerten oft deren Immobilien.
NANOWEB®-basierte RF-Redirection-Folien (Abbildung 9) stellen eine passive und nachhaltigere Lösung zur Beseitigung von Funklöchern dar. Diese ultradünnen, transparenten und flexiblen Folien sind praktisch überall einsetzbar und können Signale im Sub-6-GHz- und mmWave-Bereich selektiv übertragen und/oder reflektieren.
Man kann sich diese NANOWEB®-Folien wie große Metallplatten vorstellen, die jedoch völlig unsichtbar sind, wenn sie an Wänden und Fenstern angebracht werden. Da sie passiv sind und keine Stromversorgung benötigen, können diese Folien im Innen- und Außenbereich nachgerüstet werden und das Signal in tote Winkel leiten, für die sonst teure Masten oder Relais erforderlich wären. Für Fabriken und Krankenhäuser, in denen zunehmend drahtlose IoT-Geräte und -Werkzeuge eingesetzt werden, besteht ein weiterer Vorteil der passiven Umleitung gegenüber der aktiven Signalweiterleitung darin, dass die passive Lösung keine elektronische Signalverzögerung verursacht. Bei der herkömmlichen Weiterleitung eines 5G-Signals durch ein Gebäude mit vielen Korridoren und Räumen kann es zu einer ungleichmäßigen Signalverzögerung von einigen Sekunden kommen - eine wichtige Überlegung in Situationen, in denen alle IoT-Geräte zusammenarbeiten müssen.
Abbildung 9. NANOWEB®-basiertes transparentes RF-Redirection-Fensterfolienkonzept für den Ausbau der 5G-Kommunikation
NANOWEB®-Anwendungsentfettungs-/Beschlagsgeräte
Als ein- oder zweidimensionaler Film auf Nanodrahtbasis, der als widerstandsfähiges Heizelement konfiguriert ist, kann NANOWEB® gleichmäßige Wärme in einer Vielzahl von neuartigen Hochleistungsanwendungen liefern. Von Brillen bis hin zu Windschutzscheiben - die Gewährleistung einer konstanten Sicht bei widrigen Bedingungen wie Nebel, Eis und Schnee wird immer wichtiger.
Allein im Automobilbereich werden bis zum Jahr 2025 voraussichtlich acht Millionen autonome oder teilautonome Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs sein. Es gibt sechs Stufen der Weiterentwicklung der Fahrerassistenztechnologie, die autonome Fahrzeuge zunächst durchlaufen müssen, bevor sie die volle Autonomie erreichen und am Straßenverkehr teilnehmen können. Automobile der nächsten Generation, insbesondere diejenigen, die jetzt die ADAS-Stufen 3, 4 und 5 (Advanced Driver Assistance System) verwenden, werden zwanzig oder mehr Scanner und Sensoren einsetzen, die alle eine Sichtbarkeit der Sensorsignale erfordern. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit des Fahrers und der immer höheren Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit müssen die Sensorheizungen schnell reagieren und transparent und gleichmäßig sein, um eine maximale Signal-Rausch-Integrität unter allen widrigen Bedingungen zu gewährleisten.
Dank seines geringen Widerstands kann NANOWEB® die erforderliche Leistungsdichte für Heizanwendungen mit niedriger Spannung erreichen. Als Heizelement für Fenster kann NANOWEB® beispielsweise bei einer Spannung von 12 Volt oder weniger in weniger als einer Minute bis zu 70 °C erreichen.
Abbildung 10 veranschaulicht die Wirksamkeit der NANOWEB® Anti-Beschlag-Technologie. In dieser Demonstration wurde die linke Hälfte einer klaren Oberfläche mit einer eingeschalteten NANOWEB®-Folie bedeckt, während die rechte Hälfte nicht beschlagen war. Als ein mit einer erhitzten Flüssigkeit gefüllter Becher unter die Oberfläche gestellt wurde, bildete sich auf der rechten Hälfte der Oberfläche Kondenswasser, während die linke Hälfte klar blieb, was die Wirksamkeit der NANOWEB®-Folie bei der Verhinderung von Kondenswasser oder Beschlag belegt.
*** Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version) ***
Abbildung 10. Demonstration der NANOWEB® Anti-Beschlag-Technologie
Kondensation tritt auf, wenn sich Wassertröpfchen bilden, wenn warme Luft mit einer kalten Oberfläche in Berührung kommt. Dieses Phänomen ist besonders bei Masken und Brillen problematisch, da es die Sicht drastisch einschränkt. Eine Heizung kann dieses Problem wirksam angehen, indem sie das Temperaturgefälle zwischen den Masken-/Brillengläsern und der Umgebungsluft ausgleicht. Im Vergleich zu anderen folienbasierten Heizlösungen (z. B. ITO) ist NANOWEB® aufgrund seiner hohen Wärmedichte von über 10.000 W/m2 effizienter bei der Beseitigung von Beschlag und behält gleichzeitig eine hohe Transparenz.
Darüber hinaus wird der Einsatz von RADAR-Sensoren in Kraftfahrzeugen durch herkömmliche ITO-Heizungen vollständig blockiert, während die linearen eindimensionalen Nanodraht-Arrays von NANOWEB® polarisiert sind und eine 100%ige RADAR-Transmission ermöglichen. Diese Arrays können unmöglich unsichtbar auf ITO strukturiert werden. Für LIDAR führt die hohe optische Transmission von NANOWEB® zu einer signifikanten Signal-Rausch-Erkennung in der realen Welt, zum Aufbau einer höher aufgelösten Punktwolke und zur Erkennung der Umgebung, die für die Autonomie von ADAS der Stufen 4 und 5 so wichtig ist.
Beispiele für Anti-Beschlag-Brillen und ein Scheibenenteisungssystem mit NANOWEB® sind in Abbildung 11(a) und (b) dargestellt.
Abbildung 11. (a) Anti-Beschlag-Brille auf NANOWEB®-Basis. (b) NANOWEB®-basiertes System zur Enteisung von Windschutzscheiben.
Schlussfolgerung
NANOWEB® von META® besteht aus einer präzisen Anordnung von Metalldrähten im Submikronbereich, die für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar sind, und bietet eine flexible, kostengünstige und nachhaltige Alternative zu herkömmlichen transparenten leitfähigen Materialien. Außergewöhnliche, hochdifferenzierte elektrische und optische Eigenschaften, kombiniert mit vollständiger Anpassungsfähigkeit durch Rolling Mask Lithography (RML®), machen diese ultradünne, transparente, leitfähige Folie zu einer bahnbrechenden Lösung für weitreichende Anwendungen wie 5G, Automobile und Verbraucherprodukte. Für weitere Informationen über NANOWEB® besuchen Sie bitte https://metamaterial.com/products/nanoweb/.
Über META®
META® liefert bisher unerreichte Leistungen in einer Reihe von Anwendungen, indem wir nachhaltige, leistungsstarke und funktionale Materialien erfinden, entwerfen, entwickeln und herstellen. Unsere umfassende Technologieplattform ermöglicht es führenden globalen Marken, ihren Kunden bahnbrechende Produkte in den Bereichen Unterhaltungselektronik, 5G-Kommunikation, Gesundheit und Wellness, Luft- und Raumfahrt, Automobil und saubere Energie zu liefern. Unsere nanooptische Metamaterialtechnologie bietet Sicherheitsmerkmale zum Schutz vor Fälschungen für Regierungsdokumente und Währungen sowie zur Authentifizierung für Marken. Unsere Leistungen wurden weithin anerkannt, unter anderem wurden wir 2021 zum Lux Research Innovator of the Year ernannt. Erfahren Sie mehr unter www.metamaterial.com.
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