Resumen ejecutivo
NANOWEB® es una película conductora transparente y extremadamente fina que consiste en una malla metálica nanoestructurada invisible fabricada sobre una superficie de vidrio o plástico. Gracias a su transparencia, conductividad y flexibilidad inigualables, esta película funcional patentada tiene un inmenso potencial para casos de uso tanto pasivo como motorizado, con aplicaciones que incluyen el blindaje contra interferencias electromagnéticas, antenas, sistemas de redireccionamiento 5G/6G para eliminar puntos muertos y dispositivos de deshielo/desempañamiento para ventanillas de vehículos y gafas.
Tecnología NANOWEB
Los conductores transparentes son componentes fundamentales en una amplia gama de dispositivos electrónicos, como pantallas táctiles, diodos orgánicos emisores de luz (OLED) y sistemas fotovoltaicos. También se utilizan con frecuencia en los componentes ópticos de sensores y sistemas de visualización, como el blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) y los elementos calefactores transparentes.
Los actuales materiales de electrodos conductores transparentes (TCE), como el óxido de indio y estaño (ITO) y los nanocables de plata, presentan varios inconvenientes, como su escasa estabilidad mecánica, baja transmisividad óptica, baja conductividad eléctrica, elevado coste y suministro limitado. Estas limitaciones, unidas a la creciente demanda de productos electrónicos, han impulsado la búsqueda de soluciones alternativas.
Uno de los resultados de estos esfuerzos es NANOWEB®, un exclusivo conductor transparente de película fina desarrollado por Meta Materials Inc. (META®) y ganador del premio IDTechEx a la "Mejor tecnología de fabricación".
NANOWEB®, una malla de hilos metálicos submicrométricos invisibles dispuestos con precisión sobre un sustrato de vidrio o plástico, ofrece propiedades eléctricas y ópticas superiores a las de las películas conductoras transparentes convencionales.
A diferencia de las opciones disponibles en la actualidad, la transparencia de NANOWEB® viene determinada por el espaciado geométrico de su malla de alambres nanoestructurados y sus dimensiones submicrónicas. Como resultado, NANOWEB® puede fabricarse con casi cualquier metal, incluidos, entre otros, plata, aluminio, níquel, cobre y platino, todo ello para ofrecer especificaciones y capacidades expansivas, manteniendo al mismo tiempo una visibilidad excepcional. En la figura 1 se muestra una muestra de NANOWEB® impresa en un sustrato circular, lo que demuestra claramente su transparencia.
Figura 1. Una muestra impresa en un sustrato circular como ejemplo de la transparencia de NANOWEB
En muchos casos, NANOWEB® puede funcionar como sustituto de ITO, que es posiblemente el material TCE más utilizado. Una comparación con las tecnologías TCE disponibles en el mercado, como se muestra en la figura 2, ilustra claramente la superioridad de NANOWEB® en transmisión óptica frente al rendimiento de resistencia de la lámina.
Figura 2. Comparación del rendimiento de NANOWEB® e ITO y de las principales tecnologías TCE alternativas a ITO
Además, NANOWEB® también supera a los componentes basados en ITO en términos de sostenibilidad y consumo energético de fabricación. La fabricación de TCE basados en ITO requiere materiales escasos y procesos que consumen mucha energía. En cambio, NANOWEB® se fabrica a partir de materiales más fáciles de conseguir (por ejemplo, plata y cobre) y con herramientas que consumen menos energía (por ejemplo, recubridores por centrifugación y cámaras de metalización) que están ampliamente disponibles en la industria y proporcionan un rendimiento sostenible.
Otra ventaja clave que diferencia a NANOWEB® de las soluciones convencionales es su diseño flexible de patrón de malla, que puede personalizarse y optimizarse para satisfacer diversos requisitos de aplicación. A menudo resulta imposible realizar de forma rentable un patrón (grabado) de ITO de un grosor muy inferior a 20 µm, mientras que NANOWEB® se imprime desde su línea de fabricación rollo a rollo (sin necesidad de ningún paso de grabado posterior al patrón) con características submicrónicas.
Fabricación de NANOWEB®-Litografía de máscara rodante (RML®)
Las extraordinarias prestaciones y versatilidad de NANOWEB® pueden atribuirse en gran medida a su proceso de fabricación denominado litografía de máscara rodante (RML®), que puede describirse mejor como un proceso patentado de nanolitografía óptica de campo cercano continuo. Combinando las ventajas de la litografía por desplazamiento de fase y la litografía blanda con la creación de patrones rollo a rollo[2,3,4], la RML® ofrece una capacidad única para producir estructuras de sub-longitud de onda para aplicaciones de gran superficie de forma rentable y escalable. Mediante el uso de una máscara elastomérica cilíndrica, se puede fabricar una amplia selección de materiales (por ejemplo, plata, oro y cobre) tanto en sustratos rígidos (por ejemplo, vidrio y zafiro) como flexibles (por ejemplo, plástico y vidrio flexible).
La figura 3(a) ilustra la técnica RML® de nanopatrones continuos sobre una gran superficie y los principales componentes del sistema. Las figuras 3(b) y (c) muestran imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de un patrón NANOWEB® fabricado con una máscara de 500 nm de ancho de línea de malla.
Figura 3. (a) Impresión artística de la técnica RML®. (b) y
(c) Imágenes SEM de un patrón NANOWEB® fabricado mediante RML®.
El proceso RML® implica una herramienta de exposición que consta de una fuente de luz ultravioleta (UV) en línea encerrada en un cilindro de cuarzo, una máscara blanda fabricada con un material conforme y con un patrón de cambio de fase, y un sustrato recubierto con una capa fotosensible dura y fina. La máscara se monta sobre el cilindro y entra en contacto con el sustrato mediante una presión precisa.
Durante el proceso de exposición, la luz ultravioleta colimada que emana de la fuente de luz ultravioleta es guiada a través de una rendija situada delante de la máscara hasta la laca. El patrón de cambio de fase de la máscara facilita la exposición de la laca en el campo cercano de la luz UV modelada. A continuación, se revela la laca y se lava el sustrato.
La anchura de línea, el grosor y los parámetros de diseño de la malla de la máscara utilizada en el proceso RML® se ajustan normalmente para satisfacer los requisitos individuales de transparencia y conductividad.
Gracias a su elevada conductividad y a su transparencia óptica, que es la mejor de su categoría, incluida la baja opacidad, NANOWEB® puede utilizarse en una amplia gama de aplicaciones pasivas y motorizadas, algunas de las cuales se describen a continuación.
Aplicación NANOWEB® - apantallamiento EMI
El creciente uso de dispositivos electrónicos ha intensificado la preocupación por las EMI, que son ruidos o interferencias no deseados en una ruta o circuito eléctrico causados por una fuente exterior. También conocida como interferencia de radiofrecuencia (RF), la EMI puede hacer que los dispositivos electrónicos funcionen mal, no funcionen correctamente o dejen de funcionar por completo, y supone una amenaza tanto para los equipos electrónicos como para el cuerpo humano. El apantallamiento EMI es una tecnología común utilizada para minimizar los efectos adversos de la EMI[6,7,8,9].
Para los sistemas ópticamente transparentes (por ejemplo, ventanas y puertas de hornos de microondas), uno de los principales retos a los que se enfrenta el blindaje EMI es garantizar la transmitancia óptica al tiempo que se realiza un blindaje eficaz[10].
Los actuales sistemas transparentes de blindaje EMI se basan principalmente en óxidos conductores transparentes (TCO) o mallas metálicas (MWM). La conductividad limitada por la densidad de dopantes impide que los TCO (por ejemplo, ITO) alcancen una eficacia de apantallamiento (SE) adecuada[11]. Por otro lado, debido a su excelente SE y transparencia, los MWM son una opción fiable y probada de blindaje EMI, especialmente para interferencias de microondas[12]. Sin embargo, la aplicabilidad de los MWM disponibles está limitada por sus anchos de línea, que son lo suficientemente grandes (varias micras) como para que el ojo humano pueda resolverlos.
El RML® puede resolver eficazmente el problema de los hilos discernibles asociado a la actual tecnología de apantallamiento EMI basada en MWM. Las NANOWEB® fabricadas con RML®, que suelen tener un ancho de línea que no supera una micra, son imposibles de ver a simple vista, lo que supone una mejora significativa de la transparencia con respecto a las pantallas metálicas perforadas estándar del sector o los MWM a escala micrométrica. En la figura 4 se compara la transparencia de un horno microondas convencional y un horno microondas apantallado con NANOWEB®. El apantallamiento EMI transparente basado en NANOWEB® de este último permite una visión completamente despejada de los alimentos que se están cocinando, lo que evita la necesidad habitual de abrir y cerrar repetidamente la puerta para comprobar si los alimentos están listos.
Figura 4. Mejora de la transparencia conseguida con el apantallamiento EMI
basado en NANOWEB® para hornos de microondas convencionales
Con respecto a la SE, NANOWEB® también supera a los MWM convencionales comparables en transparencia. La figura 5 muestra las mediciones SE de dos diseños NANOWEB®, S1 y S2. Es evidente que la alta (60-70 dB) capacidad de blindaje EMI de S1 no se consigue a expensas de la transparencia óptica (aproximadamente 90%).
Figura 5. Niveles de apantallamiento EMI medidos para dos diseños NANOWEB
Antenas transparentes para aplicaciones NANOWEB
Otra aplicación notable de NANOWEB® son las antenas ópticamente transparentes. Las antenas transparentes son útiles para integrar la funcionalidad de la antena en superficies transparentes, como parabrisas y ventanas (Figura 6), manteniendo la visibilidad.
Figura 6. Antena invisible para el hogar 5G y la televisión digital.
La alta transparencia de las antenas transparentes NANOWEB® se consigue sin sacrificar su comportamiento electromagnético. Esta ventaja clave, junto con los requisitos mínimos de espacio de instalación, las sitúa a la vanguardia de las opciones de antena para muchos escenarios de aplicación. Entre ellas se incluyen las antenas 5G para smartphones, smartwatches y vehículos; las antenas Bluetooth para wearables y dispositivos de Internet de las cosas (IoT); y las antenas de satélite montadas en paneles solares.
Figura 7. Ejemplos de tres antenas transparentes NANOWEB® formadas cada una sobre un sustrato de película de tereftalato de polietileno (PET).
La figura 7 muestra tres prototipos de antenas transparentes desarrollados con NANOWEB®. La de la izquierda es una antena monopolo que funciona a 6-10 GHz. La del medio es una gran antena interior de recepción de televisión digital (TV), que funciona a 400-800 MHz. También se ha probado con éxito en condiciones reales para recibir señales de televisión digital. Hasta donde META® sabe, se trata de la antena transparente más grande jamás fabricada para el nivel de transparencia dado. La antena situada más a la derecha es un parche de cuatro elementos que funciona en las bandas de ondas milimétricas (mmWave) 5G entre 26 y 28 GHz y es compatible con las redes 5G modernas. Consiste en una pila de múltiples capas unidas con adhesivo ópticamente transparente, en la que se utiliza NANOWEB® tanto para la placa posterior como para el elemento radiante.
En la figura 8 se muestran las respuestas en frecuencia medidas de las antenas. La transparencia óptica de estos prototipos oscila entre el 82% y el 92%.
Figura 8. Respuestas en frecuencia medidas de los prototipos de antena transparente NANOWEB
Las antenas transparentes NANOWEB®, diseñadas para la gama de frecuencias de 400 MHz a 92 GHz, presentan ventajas estéticas y de espacio frente a las opciones opacas y molestas tradicionales, y se prevé que desempeñen un papel importante en las infraestructuras de telecomunicaciones de próxima generación.
Láminas de redirección de RF transparentes para aplicaciones NANOWEB
Como columna vertebral de las ciudades inteligentes, la conectividad ubicua y fiable depende de redes celulares inalámbricas amplias y de alto rendimiento (5G/6G) capaces de gestionar un gran número de conexiones simultáneas con baja latencia y altas velocidades de datos.
Conocidas por su alta directividad, corto alcance y susceptibilidad a la obstrucción, las señales de comunicación de radiofrecuencia presentan retos únicos para lograr una cobertura de red completa en zonas urbanas densas. La creciente adopción de ventanas de vidrio de baja emisividad y bajo consumo energético en los edificios modernos también impide la transmisión de señales, ya que estas ventanas provocan una atenuación considerable de la señal.
Para contrarrestar este impedimento, se despliega infraestructura de red adicional para mejorar la cobertura de la red, pero se trata de un planteamiento costoso y que requiere mucho espacio. Además, las torres de red resultan cada vez más molestas para los habitantes de las ciudades y a menudo devalúan sus propiedades inmobiliarias.
Las láminas de redirección de RF basadas en NANOWEB® (figura 9) presentan una solución alternativa pasiva y más sostenible para eliminar los puntos muertos inalámbricos. Aplicables prácticamente en cualquier lugar, estas películas ultrafinas, transparentes y flexibles pueden transmitir y/o reflejar selectivamente señales en los rangos sub-6-GHz y mmWave.
Estas películas NANOWEB® pueden imaginarse como grandes láminas de metal que, sin embargo, son completamente invisibles cuando se aplican a paredes y ventanas. Al ser pasivas y no necesitar alimentación eléctrica, estas láminas pueden instalarse en interiores y exteriores, haciendo llegar la señal a puntos muertos que, de otro modo, requerirían costosas torres o relés. Para fábricas y hospitales, donde cada vez se emplean más dispositivos y herramientas inalámbricos IoT, otra ventaja añadida de la redirección pasiva frente a la retransmisión activa de la señal es que la solución pasiva no añade ningún retardo electrónico a la señal. Tradicionalmente, la retransmisión de una señal 5G a través de un edificio con muchos pasillos y habitaciones puede añadir segundos de retardo de señal no uniforme, una consideración importante en circunstancias en las que todos los dispositivos IoT pueden necesitar trabajar al unísono.
Figura 9. Concepto de película transparente de ventana de redirección de RF basada en NANOWEB® para la expansión de las comunicaciones 5G.
Dispositivos NANOWEB® para descongelar/desempañar aplicaciones
Como película unidimensional o bidimensional basada en nanocables y configurada como elemento calefactor resistente, NANOWEB® puede suministrar calor uniforme en una gran variedad de novedosas aplicaciones de alto rendimiento. Desde las gafas hasta los parabrisas, la capacidad de garantizar una visibilidad constante en condiciones inclementes como niebla, hielo y nieve es cada vez más crítica.
Sólo en el sector de la automoción, se prevé que en 2025 circulen unos ocho millones de vehículos autónomos o semiautónomos. Hay seis niveles de avances en la tecnología de asistencia al conductor que los vehículos autónomos tendrán que superar antes de alcanzar la plena autonomía e incorporarse a las carreteras. Los automóviles de la próxima generación, especialmente los que ahora emplean los niveles 3, 4 y 5 del sistema avanzado de asistencia al conductor (ADAS), utilizarán veinte o más escáneres y sensores, y todos ellos requerirán la visibilidad de las señales de los sensores. Con la creciente dependencia del conductor y la demanda cada vez más apremiante de seguridad de los vehículos, los calentadores de los sensores deben reaccionar con rapidez y ser transparentes y uniformes para garantizar la máxima integridad de la relación señal/ruido en todas las condiciones inclementes.
Gracias a su baja resistencia, NANOWEB® puede alcanzar la densidad de potencia necesaria para aplicaciones de calentamiento con baja tensión. Por ejemplo, como elemento calefactor para ventanas, NANOWEB® puede alcanzar hasta 70 °C en menos de un minuto con 12 voltios o menos aplicados.
La figura 10 ilustra la eficacia de la tecnología antivaho NANOWEB®. En esta demostración, la mitad izquierda de una superficie transparente se cubrió con una película NANOWEB® potenciada, mientras que su mitad derecha no. Cuando se colocó bajo la superficie una taza llena de líquido caliente, se formó condensación en la mitad derecha de la superficie, mientras que la mitad izquierda permaneció transparente, lo que demuestra la eficacia de la película NANOWEB® para evitar la condensación o el empañamiento.
Figura 10. Demostración de la tecnología antivaho NANOWEB
La condensación se produce cuando se forman gotas de agua al entrar en contacto el aire caliente con una superficie fría. Este fenómeno es especialmente problemático para las máscaras y las gafas, ya que reduce drásticamente la visibilidad. La calefacción puede resolver eficazmente este problema eliminando el gradiente de temperatura entre las lentes de la máscara/gafas y el aire circundante. En comparación con otras soluciones de calefacción basadas en películas (por ejemplo, ITO), NANOWEB® es más eficaz para desempañar gracias a una densidad térmica de hasta más de 10.000 W/m2, al tiempo que mantiene una elevada transparencia.
Además, el uso de sensores RADAR para automóviles queda completamente bloqueado por los calentadores ITO convencionales, mientras que las matrices lineales unidimensionales de nanocables NANOWEB® están polarizadas, lo que permite una transmisión RADAR del 100%. Estas matrices son imposibles de estampar en ITO de forma invisible. En el caso del LIDAR, la elevada transmisión óptica que permite NANOWEB® se traduce en una importante relación señal/ruido en la detección en el mundo real, lo que permite construir una nube de puntos de mayor resolución y hacer realidad la detección del entorno, tan crítica para la autonomía de nivel 4 y 5 de los ADAS.
En las figuras 11(a) y (b) se muestran ejemplos de gafas antivaho y de un sistema de deshielo de parabrisas que utiliza NANOWEB®, respectivamente.
Figura 11. (a) Gafas antivaho basadas en NANOWEB®. (b) Sistema antihielo de parabrisas basado en NANOWEB®.
Conclusión
Compuesto por una disposición precisa de hilos metálicos submicrónicos imperceptibles para el ojo humano, NANOWEB® de META® ofrece una alternativa flexible, rentable y sostenible a los materiales conductores transparentes convencionales. Sus propiedades eléctricas y ópticas excepcionales y altamente diferenciadas, combinadas con una personalización completa con Rolling Mask Lithography (RML®) y una adaptabilidad inmediata, hacen de esta película conductora ultrafina y transparente una solución innovadora para aplicaciones de amplio alcance como 5G, automóviles y productos de consumo por igual. Para obtener más información sobre NANOWEB®, visite https://metamaterial.com/products/nanoweb/.
Acerca de META
META® ofrece un rendimiento hasta ahora inalcanzable en una amplia gama de aplicaciones, inventando, diseñando, desarrollando y fabricando materiales funcionales, sostenibles y de alto rendimiento. Nuestra amplia plataforma tecnológica permite a las principales marcas mundiales ofrecer productos innovadores a sus clientes en los sectores de la electrónica de consumo, las comunicaciones 5G, la salud y el bienestar, la industria aeroespacial, la automoción y las energías limpias. Nuestra tecnología de metamateriales nanoópticos proporciona funciones de seguridad contra la falsificación para documentos gubernamentales y divisas y autenticación para marcas. Nuestros logros han sido ampliamente reconocidos, incluido el nombramiento de Innovador del Año de Lux Research en 2021. Más información en www.metamaterial.com.
TODOS LOS EVENTOS PASADOS Y FUTUROS, ASÍ COMO LAS CLASES MAGISTRALES, CON UN ÚNICO PASE ANUAL
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