NANOWEB è un film sottile conduttivo estremamente sottile e trasparente, invisibile, nanostrutturato e prodotto su una superficie di vetro o plastica. Dotato di notevole trasparenza, conduttività e flessibilità, questo film può essere utilizzato in un numero incredibile di applicazioni passive o alimentate come antenne, sistemi di reindirizzamento 5G/6G, o dispositivi antighiaccio/antiappannamento
I conduttori trasparenti sono componenti fondamentali in un'ampia gamma di dispositivi elettronici, tra cui i touchscreen, gli schermi di dispositivi elettronici, i diodi organici a emissione di luce (OLED) e i dispositivi fotovoltaici. Si tratta di conduttori che vengono inoltre utilizzati frequentemente nei componenti ottici di sensori e nei sistemi di visualizzazione, comprese le schermature contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) e negli elementi riscaldanti trasparenti.
Gli attuali materiali trasparenti per elettrodi conduttivi (TCE), come l'ossido di indio-stagno (ITO) e i nanofili d’argento soffrono di diversi inconvenienti, tra cui la scarsa stabilità, la stabilità meccanica, la bassa trasmissività ottica, la bassa conduttività elettrica, il costo elevato e una disponibilità limitata. Questi vincoli (o limitazioni), insieme alla sempre crescente domanda di prodotti elettronici, hanno incoraggiato l'esplorazione di soluzioni alternative.
Uno dei risultati di tali sforzi è stato NANOWEB, un film sottile trasparente sviluppato da Meta Materials Inc. (META) e vincitore del premio "Best Manufacturing Technology" di IDTechEx.
NANOWEB è costituito da una rete di fili metallici invisibili e submicrometrici disposti con precisione e formati su un substrato di vetro o plastica. NANOWEB offre proprietà elettriche e ottiche superiori rispetto ai film conduttori trasparenti convenzionali.
A differenza delle opzioni attualmente disponibili, la trasparenza di NANOWEB è determinata dalla spaziatura geometrica delle maglie nanostrutturate e dalle dimensioni submicroniche. Di conseguenza, NANOWEB può essere prodotto con quasi tutti i metalli, inclusi, ma non solo, l’argento, l’alluminio, il nichel, il rame e il platino, il tutto per offrire specifiche e capacità, pur mantenendo una trasparenza eccezionale. Il NANOWEB stampato su un substrato circolare è mostrato nella Figura 1, che dimostra chiaramente la sua trasparenza.
In molti casi, NANOWEB può sostituire l'ITO, che è probabilmente il materiale TCE più utilizzato. Un confronto con le tecnologie TCE disponibili in commercio, come illustrato nella Figura 2, illustra chiaramente la superiorità di questo prodotto nella trasmissione ottica rispetto alle prestazioni di resistenza del foglio.
NANOWEB supera inoltre i componenti a base di ITO anche in termini di sostenibilità e di consumo energetico nella produzione. La produzione di TCE a base di ITO richiede materiali scarsi e processi che richiedono energia. Al contrario, NANOWEB è prodotto con materiali più facilmente reperibili (ad esempio, argento e rame) e con un consumo energetico inferiore (ad esempio, spin coaters e camere di metallizzazione) che sono ampiamente disponibili a livello industriale e forniscono prestazioni sostenibili.
Un altro vantaggio fondamentale che differenzia NANOWEB dalle soluzioni convenzionali è la flessibilità del disegno delle maglie, che può essere personalizzato e ottimizzato per soddisfare le diverse esigenze applicative. Spesso è infatti impossibile modellare (incidere) l'ITO in modo economicamente vantaggioso quando lo spessore è inferiore ai 20 μm. NANOWEB viene invece stampato mediante linea roll-to-roll (che non richiede alcuna fase di incisione post-pattern) direttamente a livello submicronico.
La produzione del NANOWEB - Litografia a maschera rotante (RML)
Le eccezionali prestazioni e la versatilità di NANOWEB possono essere in gran parte attribuite al suo processo di fabbricazione chiamato Rolling Mask Lithography (RML), che può essere meglio descritto come un processo proprietario di nanolitografia ottica continua a campo ravvicinato.
Combinando i vantaggi della litografia a spostamento di fase1 e della soft-litografia con modellazione roll-to-roll,2,3,4 RML permette di produrre strutture di lunghezza d’onda inferiori a quelle del laser e per applicazioni di grandi dimensioni in modo economico e scalabile. Attraverso l'uso di una maschera elastomerica cilindrica, è possibile fabbricare un'ampia selezione di materiali (ad esempio, argento, oro e rame), può essere fabbricata sia su superfici rigide (ad esempio, il vetro e lo zaffiro) che flessibili (ad esempio, la plastica).
La Figura 3 illustra la tecnica RML per il nanopatterning continuo su un'ampia area e i principali componenti del sistema. Le figure 3(b) e (c) mostrano immagini ottenute mediante un microscopio elettronico a scansione (SEM) di un modello NANOWEB fabbricato utilizzando una maschera con larghezza di pattern di 500 nm.
Il processo RML prevede uno strumento di esposizione costituito da una sorgente di luce ultravioletta (UV) in linea racchiusa da un cilindro di quarzo, una maschera morbida realizzata con un materiale conforme caratterizzata da un modello di sfasamento e da un substrato rivestito con uno strato di resistenza fotosensibile duro e sottile. La maschera viene montata sopra il cilindro e si trova a contatto col substrato, esercitando una pressione precisa.
Durante il processo di esposizione, la luce UV collimata emanata dalla sorgente di luce UV viene guidata attraverso una fessura intermedia davanti alla maschera e nel resist. Il modello di sfasamento della maschera facilita l'esposizione del resist nel near-field della luce UV. In seguito, viene sviluppato il resist e il substrato viene risciacquato.
La larghezza della linea, lo spessore e i parametri di progettazione delle maglie della maschera utilizzata nel processo RML sono normalmente regolati per soddisfare i requisiti individuali di trasparenza e conduttività.
Grazie all'elevata conduttività e alla trasparenza ottica migliore della categoria, compresa la bassa trasparenza, NANOWEB può essere utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni sia passive che alimentate, alcune delle quali verranno esaminate di seguito.
NANOWEB e schermatura EMI
Il crescente utilizzo di dispositivi elettronici ha intensificato la preoccupazione per le EMI, che sono disturbi o interferenze indesiderate in un percorso o in un circuito elettrico causate da una fonte esterna. Conosciuta anche come interferenza a radiofrequenza (RF), l'EMI può causare il cattivo funzionamento dei dispositivi elettronici, il loro malfunzionamento o di smettere di funzionare completamente e rappresenta una minaccia sia per le apparecchiature elettroniche sia per il corpo umano.5 La schermatura EMI è una tecnologia comunemente utilizzata per ridurre al minimo gli effetti negativi delle EMI.6,7,8,9
Per i sistemi otticamente trasparenti (ad esempio, finestre e porte di forni a microonde), una sfida importante per la schermatura EMI è quella di garantire la trasmittanza ottica pur realizzando una schermatura efficace.10
Gli attuali sistemi di schermatura EMI trasparenti si basano principalmente su ossidi conduttivi trasparenti (TCO) o reti metalliche (MWM). La conduttività limitata dalla densità dei dopanti impedisce ai TCO (ad esempio, l'ITO) di raggiungere un'adeguata efficacia di schermatura (SE).11 D'altra parte, grazie alle loro eccellenti SE e trasparenza, gli MWM sono una scelta affidabile e collaudata di schermatura EMI, in particolare per le interferenze a microonde.12 L'applicabilità degli MWM disponibili è, tuttavia, limitata dalla loro larghezza di linea, che è abbastanza grande (diversi micron) da essere visibile a occhio nudo.
L'RML è in grado di risolvere efficacemente il problema dei fili distinguibili associato all'attuale tecnologia di schermatura EMI basata su MWM. Caratterizzato da una larghezza di linea che non supera il micron, il NANOWEB fabbricato con RML è impossibile da vedere a occhio nudo, offrendo così un significativo miglioramento della trasparenza rispetto agli schermi metallici perforati standard del settore o agli MWM su scala micron. La Figura 4 confronta la trasparenza di un forno a microonde convenzionale e di un forno a microonde schermato con NANOWEB. La schermatura EMI trasparente a base di NANOWEB permette una visione completamente libera del cibo in cottura, evitando la comune necessità di aprire e chiudere ripetutamente lo sportello per verificare la preparazione del cibo.
Per quanto riguarda la SE, il NANOWEB supera anche gli MWM convenzionali di pari trasparenza. La Figura 5 mostra le misure di SE per due progetti NANOWEB, S1 e S2. È evidente che l'elevata capacità di schermatura EMI (60-70 dB) di S1 non è ottenuta a scapito della trasparenza ottica (circa il 90%).
Applicazioni del NANOWEB: antenne trasparenti
Un'altra notevole applicazione del NANOWEB è rappresentata dalle antenne otticamente trasparenti.
Le antenne trasparenti sono utili per integrare le funzionalità dell'antenna su superfici trasparenti come i parabrezza e le finestre (Figura 6), permettendone comunque la vista attraverso.
L'elevata trasparenza delle antenne trasparenti NANOWEB è ottenuta senza sacrificare il loro comportamento elettromagnetico. Questo vantaggio chiave, insieme ai minimi requisiti di spazio per l'installazione, le spinge in prima linea tra le scelte di antenne e per molti scenari applicativi. Tra queste, le antenne 5G per smartphone, smartwatch e veicoli, le antenne Bluetooth per dispositivi indossabili e per l’Internet-of things (IoT) e le antenne satellitari montate su pannelli solari.
Applicazioni del NANOWEB: pellicole trasparenti di reindirizzamento RF
Come spina dorsale delle città intelligenti, la connettività onnipresente e affidabile si basa su reti cellulari wireless estese e ad alte prestazioni (5G/6G), in grado di gestire un gran numero di connessioni simultanee con bassa latenza e alta velocità dei dati.
Conosciuti per l'elevata direttività, la breve portata e la suscettibilità all'ostruzione, i segnali di comunicazione RF presentano sfide uniche per la realizzazione di una copertura di rete completa nelle aree urbane ad alta densità abitativa. Negli edifici moderni, la crescente adozione di finestre in vetro a bassa emissività e a risparmio energetico ostacola inoltre la trasmissione del segnale, poiché questo tipo di finestratura causa una notevole attenuazione del segnale.
Per ovviare a questo ostacolo e per migliorare la copertura di rete vengono installate infrastrutture aggiuntive, anche se questo è un approccio costoso e che richiede spazio. Inoltre, le torri di rete stanno diventando sempre più sgradevoli per i residenti delle città, che spesso contribuiscono, con la loro presenza, a svalutare gli immobili circostanti.
Le pellicole di reindirizzamento RF a base di NANOWEB (Figura 9) rappresentano una soluzione alternativa passiva e più sostenibile per eliminare i punti morti wireless. Applicabili praticamente ovunque, queste pellicole ultrasottili, trasparenti e flessibili possono trasmettere e/o riflettere selettivamente i segnali nelle gamme sub-6-GHz e mmWave. Queste pellicole NANOWEB possono essere immaginate come grandi fogli di metallo che, tuttavia, sono completamente invisibili quando vengono applicate alle pareti e alle finestre. Poiché sono passive e non necessitano di alimentazione, queste pellicole possono essere installate all'interno e all'esterno facendo arrivare il segnale anche in punti morti che altrimenti richiederebbero costose torri o relè. Per le fabbriche e gli ospedali dove i dispositivi e gli strumenti IoT wireless sono sempre più utilizzati, un altro vantaggio del reindirizzamento passivo rispetto a quello attivo del segnale è che la soluzione passiva non aggiunge alcun ritardo elettronico al segnale. Tradizionalmente, infatti, il reindirizzamento di un segnale 5G attraverso un edificio con molti corridoi e stanze può aggiungere secondi di ritardo o una non uniformità del segnale, considerazione importante questa nel caso in cui tutti i dispositivi IoT debbano lavorare all'unisono.
Applicazioni del NANOWEB: dispositivi di sbrinamento/disappannamento
Come pellicola monodimensionale o bidimensionale a base di nanofili configurata come resistenza riscaldante, il NANOWEB può fornire una fonte di calore uniforme ideale per una varietà di nuove applicazioni ad alte prestazioni. Dagli occhiali ai parabrezza, la capacità di garantire una visibilità costante in condizioni avverse come la nebbia, il ghiaccio e la neve è sempre più importante. Solo per quello che riguarda le applicazioni automobilistiche, si prevede che circa otto milioni di veicoli autonomi o semiautonomi arriveranno su strada entro il 2025. Ci sono sei livelli di progressi tecnologici di assistenza alla guida che i veicoli autonomi dovranno raggiungere per poter arrivare a una piena autonomia e essere messi su strada. Le automobili di prossima generazione, in particolare quelle che ora impiegano sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) di livello 3, 4 e 5, utilizzeranno venti o più scanner e sensori, tutti che richiedono un’assoluta visibilità del segnale del sensore. Con una richiesta sempre maggiore di affidabilità da parte dei conducenti e una domanda sempre più pressante di sicurezza dei veicoli, i riscaldatori dei sensori devono reagire rapidamente ed essere trasparenti e uniformi per garantire la massima integrità segnale-rumore in tutte le condizioni. Grazie alla sua bassa resistenza, NANOWEB può raggiungere la densità di potenza richiesta per le applicazioni di riscaldamento a bassa tensione. Ad esempio, come elemento riscaldante per finestre, il NANOWEB può raggiungere i 70 °C in meno di un minuto con una potenza applicata di 12 volt o inferiore.
La Figura 10 illustra l'efficacia della tecnologia di anti-appannamento del NANOWEB. Nella prova illustrata, la metà di sinistra di una superficie trasparente è stata ricoperta da un film in NANOWEB, mentre la metà di destra ne è priva. Quando una tazza riempita di liquido riscaldato si trova sotto la superficie, il vapore si condensa sulla metà destra della superficie, mentre la metà sinistra rimane trasparente, a riprova dell'efficacia della pellicola NANOWEB nel prevenire la condensa o l'appannamento.
La condensa si verifica quando si formano delle goccioline d'acqua nel momento in cui l'aria calda entra in contatto con una superficie fredda. Questo fenomeno è particolarmente problematico per le maschere e gli occhiali in quanto riduce drasticamente la visibilità. Il riscaldamento può risolvere efficacemente questo problema eliminando il gradiente di temperatura tra le lenti della maschera/occhiali e l'aria circostante. Rispetto ad altre soluzioni di riscaldamento basate su film (ad esempio, con l’ITO), il NANOWEB è più efficiente nello sbrinamento grazie a una densità di calore fino a oltre 10.000 W/m2, pur mantenendo un'elevata trasparenza. Inoltre, l'uso di sensori RADAR automobilistici è completamente bloccato dai riscaldatori ITO convenzionali, mentre i nanofili lineari monodimensionali dell’array del NANOWEB sono polarizzati, consentendo la trasmissione RADAR al 100%. Questi array sono impossibili da modellare su ITO in modo invisibile. Per i LIDAR, l'elevata trasmissione ottica offerta dal NANOWEB si traduce in un significativo rilevamento segnale-rumore nel mondo reale, costruendo una nuvola di punti ad alta risoluzione e realizzando il rilevamento ambientale così critico per l'autonomia ADAS di livello 4 e 5.
Esempi di occhiali anti-appannamento e un sistema di sbrinamento del parabrezza che utilizza il NANOWEB sono mostrati rispettivamente nella Figura 11 (a) e (b)
Conclusioni
Composto da una precisa disposizione di fili metallici di dimensioni inferiori al micron e invisibili all'occhio umano, il NANOWEB di META offre un'alternativa flessibile, economica e sostenibile rispetto ai tradizionali materiali conduttivi trasparenti. Le eccezionali proprietà elettriche e ottiche altamente differenziate, combinate con la completa personalizzazione con la litografia a maschera rotolante (RML) e la pronta adattabilità, rendono questo film ultrasottile, trasparente e conduttivo una soluzione rivoluzionaria per applicazioni ad ampio raggio come il 5G, l’automotive e i prodotti di consumo.
NOTE
[1] Aizenberg, J., Rogers, J.A., Paul, K.E. and Whitesides, G.M., 1998. Imaging profiles of light intensity in the near field: applications to phase-shift photolithography. Applied optics, 37(11), pp.2145-2152.
[2] Roller nanoimprint lithography. 16, 3926-3928, doi:10.1116/1.590438 (1998).
[3] Ahn, S.H. and Guo, L.J., 2008. High-speed roll-to-roll nanoimprint lithography on flexible plastic substrates. Advanced materials, 20(11), pp.2044-2049.
[4] Kooy, N., Mohamed, K., Pin, L.T. and Guan, O.S., 2014. A review of roll-to-roll nanoimprint lithography. Nanoscale research letters, 9(1), pp.1-13.
[5] Bakker, J. F., Paulides, M. M., Christ, A., Kuster, N., & van Rhoon, G. C. (2010). Assessment of induced SAR in children exposed to electromagnetic plane waves between 10 MHz and 5.6 GHz. Physics in Medicine & Biology, 55(11), 3115.
[6] Han, Y., Lin, J., Liu, Y., Fu, H., Ma, Y., Jin, P. and Tan, J., 2016. Crackle template based metallic mesh with highly homogeneous light transmission for high-performance transparent EMI shielding. Scientific reports, 6(1), pp.1-11.
[7] Thomassin, J.M., Lou, X., Pagnoulle, C., Saib, A., Bednarz, L., Huynen, I., Jérôme, R. and Detrembleur, C., Multiwalled carbon nanotube/poly (ε-caprolactone) nanocomposites with exceptional electromagnetic interference shielding properties. The Journal of Physical Chemistry C, 111(30), pp.11186-11192.
[8] Ling, J., Zhai, W., Feng, W., Shen, B., Zhang, J. and Zheng, W.G., 2013. Facile preparation of lightweight microcellular polyetherimide/graphene composite foams for electromagnetic interference shielding. ACS applied materials & interfaces, 5(7), pp.2677-2684.
[9] Wen, B., Cao, M., Lu, M., Cao, W., Shi, H., Liu, J., Wang, X., Jin, H., Fang, X., Wang, W. and Yuan, J., 2014. Reduced graphene oxides: light-weight and high-efficiency electromagnetic interference shielding at elevated temperatures. Advanced Materials, 26(21), pp.3484-3489.
[10] Hu, M., Gao, J., Dong, Y., Li, K., Shan, G., Yang, S. and Li, R.K.Y., 2012. Flexible transparent PES/silver nanowires/PET sandwich-structured film for high-efficiency electromagnetic interference shielding. Langmuir, 28(18), pp.7101-7106.
[11] Park, S.K., Han, J.I., Moon, D.G. and Kim, W.K., 2003. Mechanical stability of externally deformed indium–tin–oxide films on polymer substrates. Japanese journal of applied physics, 42(2R), p.623.
[12] Ghosh, D.S., Chen, T.L. and Pruneri, V., 2010. High figure-of-merit ultrathin metal transparent electrodes incorporating a conductive grid. Applied Physics Letters, 96(4), p.041109.
