要旨
NANOWEB® は、目に見えないナノ構造の金属メッシュをガラスやプラスチックの表面に加工した、非常に薄い透明導電性フィルムです。この特許取得済みの機能性フィルムは、比類のない透明性、導電性、柔軟性を備えており、電磁波シールド、アンテナ、デッドスポット解消のための5G/6Gリダイレクトシステム、車の窓やアイウェア用の防眩・曇り止めなどの用途で、パッシブおよびパワード両方の使用ケースで非常に大きな可能性を持っています。
NANOWEB®テクノロジー
透明導電体は、タッチパネル、有機発光ダイオード（OLED）、太陽光発電など、さまざまな電子デバイスの重要な構成要素となっています。また、電磁波シールドや透明発熱体など、センサーやディスプレイの光学部品にも頻繁に使用されている。
酸化インジウムスズ（ITO）や銀ナノワイヤーなどの既存の透明導電性電極材料は、機械的安定性が低い、光透過率が低い、導電率が低い、価格が高い、供給量が限られているなどの欠点がある。これらの制約や限界は、エレクトロニクス製品への需要の高まりとともに、別の解決策を模索する動きを後押ししてきた。
NANOWEB®は、メタマテリアル社（META®）が開発したユニークな透明薄膜導体で、IDTechExの「Best Manufacturing Technology」賞を受賞している。
NANOWEB®は、ガラスやプラスチック基板上に形成された目に見えないサブミクロンの金属ワイヤーを精密に配列したメッシュから成り、従来の透明導体フィルムと比較して優れた電気的・光学的特性を有しています。
NANOWEB® の透明性は、ナノ構造のワイヤーメッシュの幾何学的間隔とサブミクロンサイズによって決定されます。その結果、NANOWEB® は、銀、アルミニウム、ニッケル、銅、プラチナなど、ほとんどすべての金属から製造することができ、優れた視認性を維持しながら、拡張性のある仕様と機能を提供することが可能です。図 1 は、円形の基板に印刷した NANOWEB® のサンプルで、その透明性を明確に示しています。
図1. NANOWEB®の透明性を示す例として、円形の基板に印刷したサンプル
多くの場合、NANOWEB® は、最も一般的に使用されている TCE 材料である ITO の代用品として機能することができます。図 2 に示すように、市販の TCE 技術と比較すると、NANOWEB® が光透過率とシート抵抗の性能で優れていることがよく分かります。
図2. NANOWEB®とITOおよびITO代替の主なTCE技術の性能比較
さらに、NANOWEB®は、持続可能性と製造エネルギー消費の点でも、ITOベースのコンポーネントを凌駕しています。ITOベースのTCEの製造には、希少な材料とエネルギーを必要とする工程が必要です。これに対し、NANOWEB® は、より入手しやすい材料（銀や銅など）と、業界で広く利用されているエネルギー消費の少ないツール（スピンコーターやメタライゼーションチャンバーなど）で製造されており、持続可能な性能を実現します。
NANOWEB® が従来のソリューションと異なるもう一つの重要な利点は、さまざまなアプリケーションの要件を満たすためにカスタマイズや最適化が可能な、柔軟なメッシュパターン設計にあります。ITO では、厚さ 20 µm 未満のパターンをコスト効率よく形成することは困難ですが、NANOWEB® ではロールツーロールでサブミクロンのパターンを形成します（パターニング後のエッチング工程は必要ありません）。
NANOWEB®の製造-ローリングマスクリソグラフィー(RML®)
NANOWEB® の優れた性能と汎用性は、Rolling Mask Lithography (RML®) と呼ばれる製造プロセスに大きく起因しています。RML®は、位相シフトとソフトリソグラフィの利点をロール・ツー・ロールパターニング[2,3,4]と組み合わせることにより、コスト効率と拡張性の高い方法で、大面積用途のサブ波長構造を製造する独自の機能を備えています。円筒形のエラストマー・マスクを用いることで、リジッド基板（ガラス、サファイアなど）およびフレキシブル基板（プラスチック、フレキシブルガラスなど）上に、銀、金、銅などさまざまな材料を作製することができます。
図3(a)は、大面積に連続的にナノパターニングを行うRML® 技術と主なシステム構成要素を示しています。図3（b）、（c）は、メッシュ線幅500nmのマスクを用いて作製したNANOWEB®パターンの走査型電子顕微鏡（SEM）画像です。
図3 （a）RML®技法のイメージ図。(b)と
(c) RML®で作製したNANOWEB®パターンのSEM写真。
RML®プロセスは、石英シリンダーで囲まれたインライン紫外線（UV）光源、位相シフトパターンを持つコンプライアント材料製のソフトマスク、硬くて薄い感光性レジスト層を塗布した基板からなる露光装置で行われます。マスクはシリンダー上に装着され、基板上のレジストに正確な圧力で接触する。
露光工程では、紫外線光源から発せられた平行な紫外線が、マスクの前に介在するスリットを通ってレジストに導かれる。マスクの位相差パターンにより、パターン化された紫外線の近接領域でレジストが露光されます。その後、レジストを現像し、基板をリンスする。
RML®プロセスで使用されるマスクの線幅、厚み、メッシュの設計パラメータは、通常、個々の透明性と導電性の要件に合わせて調整されます。
NANOWEB® は、その高い導電性と低ヘイズなどクラス最高の光学的透明性により、パッシブおよびパワード両方の幅広いアプリケーションに対応することができますが、そのいくつかを以下に紹介します。
NANOWEB®アプリケーション-EMIシールド
電子機器の普及に伴い、EMIに対する関心が高まっている。EMIとは、外部要因によって電気経路や回路に発生する不要なノイズや干渉のことである。EMIは高周波干渉とも呼ばれ、電子機器の動作不良や誤動作、停止などの原因となり、電子機器と人体の双方に脅威を与える。EMIシールドは、EMIの悪影響を最小限に抑えるために用いられる一般的な技術である[6,7,8,9]。
光学的に透明なシステム（窓や電子レンジの扉など）にとって、EMIシールドが直面する大きな課題の一つは、効果的なシールドを実現しつつ、光学的な透過性を確保することである[10]。
現在の透明 EMI シールドシステムの多くは、透明導電性酸化物（TCO）または金属ワイヤメッシュ（MWM）に依存している。ITOなどのTCOは、ドーパント密度による導電性の制限から、十分なシールド効果（SE）を得ることができません[11]。一方、MWMは、その優れたシールド効果と透明性により、特にマイクロ波領域におけるEMIシールドの選択肢として、長い間信頼されてきた[12]。しかし、MWMの線幅は数ミクロンと大きく、人間の目では解像できないため、その適用には限界があります。
RML®は、MWMを用いた電磁波シールド技術で問題となっている、配線が識別しやすいという問題を解決することができます。RML® を用いて製造された NANOWEB® は、通常、線幅が 1 ミクロンを超えないため、肉眼で確認することは不可能であり、業界標準のパンチングメタルスクリーンやミクロン単位の MWM に比べて透明性が大幅に改善されます。図4は、従来の電子レンジとNANOWEB®シールドを施した電子レンジの透明度を比較したものです。後者の透明なナノウェブ® ベース EMI シールドは、調理中の食品の視界を完全に遮ることができるため、食品の準備状態を確認するためにドアを何度も開け閉めする必要がありません。
図4. NANOWEB®ベースのEMIシールドで実現した透明度の向上
シールドによる透明度の向上
SEに関しても、NANOWEB®は透明度が同等の従来のMWMを上回っています。図 5 は、2 つの NANOWEB® 設計、S1 と S2 の SE 測定値を示しています。S1の高いEMIシールド性能（60～70dB）は、光学的透明性（約90%）を犠牲にして達成されていないことが明らかです。
図 5. 2つのNANOWEB®設計のEMIシールドレベル測定値
NANOWEB®アプリケーショントランスペアレントアンテナ
NANOWEB® のもう一つの注目すべき用途は、光学的に透明なアンテナです。透明アンテナは、フロントガラスや窓などの透明な表面に、視認性を維持したままアンテナ機能を組み込むのに有効です（図6）。
図6. 家庭用5Gとデジタルテレビに対応したインビジブルアンテナ
NANOWEB® 透明アンテナの高い透明性は、その電磁気的な挙動を犠牲にすることなく達成されています。この重要な利点は、最小限の設置スペース要件とともに、多くのアプリケーションシナリオにおけるアンテナ選択の最前線へと導きます。スマートフォンやスマートウォッチ、自動車向けの5Gアンテナ、ウェアラブル機器やIoT機器向けのBluetoothアンテナ、ソーラーパネルに搭載する衛星アンテナなど、さまざまな用途で利用されています。
図 7. ポリエチレンテレフタレート（PET）フィルム基板上に形成された3つのNANOWEB®透明アンテナの例
図 7 に、NANOWEB® を用いて開発した 3 種類の透明アンテ ナのプロトタイプを示します。一番左はモノポールアンテナで、6～10 GHz で動作します。真ん中は、大型の屋内用デジタルテレビ（TV）受信アンテナで、400～800MHzの周波数で動作します。実際の環境下でのデジタルテレビ信号の受信テストにも成功しています。META®の知る限り、これは所定の透明度においてこれまで製造された最大の透明アンテナです。一番右のアンテナは、26～28GHzの5Gミリ波帯で動作する4配列の素子パッチで、最新の5Gネットワークと互換性を持っています。このアンテナは、複数の層を光学的に透明な接着剤で接着したスタックで構成されており、NANOWEB®はバックプレーンと放射素子の両方に使用されています。
アンテナの測定された周波数応答を図 8 に示します。これらのプロトタイプの光学的透明度は 82% から 92% の範囲にあります。
図 8. NANOWEB®透明アンテナプロトタイプの周波数応答測定結果
NANOWEB® 透明アンテナは、従来の不透明で目障りなオプションに比べて美観とスペースの両面で優れており、400 MHz から 92 GHz の周波数範囲用に設計され、次世代通信インフラで重要な役割を果たすと予想されています。
NANOWEB® アプリケーション透過型RFリダイレクションフィルム
スマートシティのバックボーンとして、ユビキタスで信頼性の高い接続は、膨大な数の同時接続を低遅延かつ高速に処理できる高性能な（5G/6G）ワイヤレスセルラーネットワークに依存しています。
RF通信信号は、指向性が高く、通信距離が短く、障害物の影響を受けやすいことで知られており、密集した都市部で完全なネットワークカバレッジを実現するためには、独自の課題があります。また、最近の建物では、省エネ効果の高い低放射率ガラスを使用した窓が増え、信号がかなり減衰するため、信号伝送の妨げになっています。
このため、ネットワークインフラを増設し、ネットワークカバレッジを向上させることが行われていますが、コストやスペースがかさみます。さらに、ネットワークタワーは、都市住民にとってますます不愉快な存在となり、しばしば不動産の価値を下げています。
NANOWEB® ベースのRFリダイレクションフィルム（図9）は、ワイヤレスのデッドスポットをなくすための、パッシブでより持続可能な代替ソリューションを提供します。超薄型で透明、かつ柔軟なこのフィルムは、事実上どこにでも適用でき、6GHz以下とmmWaveの範囲の信号を選択的に送信または反射させることができます。
このNANOWEB®フィルムは、大きな金属板のようなイメージですが、壁や窓に貼ると全く見えません。パッシブ型で電源が不要なため、屋内外に設置することができ、高価なタワーやリレーが必要なデッドスポットに信号を照射することができます。無線IoT機器やツールの導入が進む工場や病院では、パッシブ型リダイレクションがアクティブ型信号中継と異なるもう一つの利点として、パッシブ型ソリューションでは電子的な信号の遅延が追加されないことが挙げられます。従来、多くの廊下や部屋がある建物内で5G信号を中継すると、数秒の不均一な信号遅延が発生する可能性があります。これは、すべてのIoTデバイスが一体となって動作する必要がある状況において、重要な考慮点です。
図9. NANOWEB® ベースの透明 RF リダイレクションウィンドウフィルムのコンセプトは、5G 通信の拡張のためのものです。
NANOWEB®塗布型除氷・除霧装置
NANOWEB® は、耐熱ヒーターとして構成された一次元または二次元のナノワイヤーベースフィルムとして、さまざまな新しい高性能アプリケーションに均一な熱を供給することができます。眼鏡からフロントガラスに至るまで、霧、氷、雪などの悪条件下で一定の視認性を確保する能力は、これまで以上に重要となっています。
自動車分野では、2025年までに約800万台の自律走行車または半自律走行車が普及すると予測されています。自律走行車が完全な自律走行に至るまでには、まず6段階の運転支援技術の進歩が必要とされます。次世代自動車、特にADAS（Advanced Driver Assistance System）レベル3、4、5では、20以上のスキャナーとセンサーを使用し、すべてのセンサー信号の可視性を必要とします。ドライバーの信頼性が高まり、車両の安全性が常に求められる中、センサーヒーターは高速に反応し、あらゆる悪条件下で最大の信号対雑音整合性を確保するために、透明で均一でなければなりません。
NANOWEB® はその低抵抗により、低電圧での加熱用途に必要な電力密度を達成することができます。例えば、窓用の発熱体として、NANOWEB® は 12 ボルト以下の電圧で 1 分以内に 70℃まで到達させることができます。
図 10 は、NANOWEB® の曇り止め技術の有効性を示しています。このデモでは、透明な表面の左半分がパワーNANOWEB® フィルムで覆われており、右半分は覆われていません。加熱した液体を入れたマグカップを表面下に置くと、表面右半分に結露が生じ、表面左半分は透明なままであったことから、NANOWEB®フィルムの結露・曇り防止効果を確認することができます。
図10. NANOWEB®防曇技術のデモンストレーション
結露は、暖かい空気が冷たい表面に触れることで水滴が発生する現象です。特にマスクやアイウェアでは、この結露が発生すると視界が極端に悪くなるという問題があります。加熱は、マスクやメガネのレンズと周囲の空気との温度差をなくすことで、この問題を効果的に解決することができます。NANOWEB®は、他のフィルムベースの加熱ソリューション（ITOなど）と比較して、高い透明性を維持しながら、10,000W/m2以上という高い熱密度によって、より効率的に曇りを除去することができます。
また、自動車用レーダーセンサーは、従来のITOヒーターでは完全に遮断されてしまいますが、NANOWEB®の線状一次元ナノワイヤーアレイは偏光しているため、RADARを100％透過させることが可能です。このアレイは、ITO上に見えないようにパターン化することは不可能です。LIDAR では、NANOWEB® の高い光透過率により、S/N が大幅に改善され、より高解像度の点群が構築され、ADAS レベル 4 および 5 の自律性に重要な環境検知が実現されます。
図 11(a)に防曇眼鏡、(b)にフロントガラス除氷装置の例を示します。
図 11. (a) NANOWEB® ベースの曇り止め付き眼鏡。(b) NANOWEB® ベースのフロントガラス除氷システム。
結論
人間の目には見えないサブミクロンの金属ワイヤーを精密に配列したMETA®のNANOWEB®は、従来の透明導電材料に代わる柔軟でコスト効率の高い持続可能な代替材料を提供します。卓越した高度に差別化された電気的・光学的特性と、ローリングマスクリソグラフィー（RML®）による完全なカスタマイズ性、即応性により、この超薄型透明導電フィルムは、5G、自動車、消費財など幅広いアプリケーション向けの画期的ソリューションとなります。NANOWEB®の詳細については、以下をご覧ください。https://metamaterial.com/products/nanoweb/.
META®について
META®は、持続可能な高性能機能性材料の発明、設計、開発、製造により、さまざまな用途において、これまで達成できなかった性能を実現します。当社の広範な技術プラットフォームにより、大手グローバルブランドは、家電、5G通信、健康・福祉、航空宇宙、自動車、クリーンエネルギーなどの分野で画期的な製品を顧客に提供することができます。当社のナノ光学メタマテリアル技術は、政府文書や通貨に偽造防止セキュリティ機能を提供し、ブランドには認証機能を提供しています。2021年にはLux Research Innovator of the Yearに選ばれるなど、当社の実績は広く認められています。詳細は以下よりご覧ください。www.metamaterial.com.
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[This is automatically translated from English]