(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-12-10
(54)【発明の名称】透明無線周波数アンテナおよびEMIシールド
(51)【国際特許分類】
H01Q 1/38 20060101AFI20241203BHJP
H05K 9/00 20060101ALI20241203BHJP
B82Y 10/00 20110101ALI20241203BHJP
H01B 5/14 20060101ALI20241203BHJP
B32B 7/025 20190101ALI20241203BHJP
B32B 3/24 20060101ALI20241203BHJP
B32B 27/18 20060101ALI20241203BHJP
【FI】
H01Q1/38
H05K9/00 V
B82Y10/00
H01B5/14 A
H01B5/14 B
B32B7/025
B32B3/24 A
B32B27/18 J
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024525158
(86)(22)【出願日】2022-10-25
(85)【翻訳文提出日】2024-06-24
(86)【国際出願番号】 US2022047709
(87)【国際公開番号】W WO2023214994
(87)【国際公開日】2023-11-09
(32)【優先日】2021-10-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
(71)【出願人】
【識別番号】521282217
【氏名又は名称】キャズム アドバンスト マテリアルズ,インク.
【氏名又は名称原語表記】CHASM ADVANCED MATERIALS,INC.
【住所又は居所原語表記】480 Neponset Street,Suite 6,Canton,MA United States
(74)【代理人】
【識別番号】100075557
【氏名又は名称】西教 圭一郎
(72)【発明者】
【氏名】プライノ,ロバート,エフ.
(72)【発明者】
【氏名】アーサー,デイヴィッド,ジェイ.
(72)【発明者】
【氏名】メッザロッバ,エミリアノ
(72)【発明者】
【氏名】スキバ,ダニエル
【テーマコード(参考)】
4F100
5E321
5G307
5J046
【Fターム(参考)】
4F100AA37
4F100AA37C
4F100AB01B
4F100AB17
4F100AB24
4F100AB24E
4F100AD11C
4F100AK02A
4F100AK42
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4F100AK49A
4F100AR00C
4F100AR00D
4F100AT00A
4F100BA03
4F100BA05
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4F100DC11
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4F100GB48
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4F100YY00A
4F100YY00B
4F100YY00C
5E321AA32
5E321BB23
5E321BB34
5E321BB41
5E321BB60
5E321CC30
5E321GH01
5G307FB02
5G307FB04
5G307FC09
5G307FC10
5G307GA06
5G307GA08
5G307GB02
5G307GC01
5G307GC02
5J046AB13
5J046AB15
(57)【要約】
本開示は、基板上の金属メッシュ(MM)層またはナノワイヤ層を含む導電層と、導電層上の印刷された信号増強層(SEL)とから成る、印刷カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンハイブリッドアンテナならびに/もしくはEMIシールドを含み、その作成をもたらす。SELは、カーボンナノチューブ(CNT)およびグラフェンの一方または両方を含むインクを含む。「露出した」導電層(すなわちCNT/グラフェンインクが印刷されていない領域)が化学エッチングまたは機械的切断によって除去された後に回路パターンが生じる。構造(アンテナ/EMIシールド)は、好ましくは透明であるが、必ずしも透明である必要はない。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
印刷カーボンナノチューブハイブリッドアンテナであって、
基板と、
基板の表面上にあり、金属メッシュ(MM)層またはナノワイヤ層を含む導電層と、
導電層上にあり、カーボンナノチューブ(CNT)を含むインク層および/またはグラフェンインク層を含む印刷された信号増強層と、を含み、
インクが印刷されていない露出した導電層が除去された後に回路パターンが生じることを特徴とするアンテナ。
【請求項2】
少なくとも約90%の可視光透過率(VLT)(基板なし)を有することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項3】
以下の材料および変数の少なくとも1つまたは複数を含むことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ:
基板 PET、COP、CPI、PC
構造 MM材料 Cu、Ag、Al、Sn、または他の適切な導電性金属
MMピッチ 50、100、200、250、300、400、500ミクロン
ライン幅 3、5、7、10、15、20ミクロン
ライン高さ 0.25、0.5、0.75、1、2、3ミクロン
ラインパターン 正方形、六角形、ランダム、フラクタル
構造層:
基板/プライマ層/ブラックニング/金属メッシュ/信号増強層/オプションのトップコート(好ましくは不要)
AgNW材料:
直径 15~35nm
長さ 20~50ミクロン
AgNW被覆率 15mg/m
2~150mg/m
2,好ましくは~100mg/m
2
構造層:
基板/プライマ層/AgNW/信号増強層/オプションのトップコート(好ましくは不要)
信号増強層(SEL):カーボンナノチューブ(CNT);CNTおよびグラフェン;バインダを含むまたは含まないグラフェン、導電性成分(CNTおよび/またはグラフェン)の濃度:各成分、またはブレンドもしくは組み合わせとして1リットル当たり0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5グラム
SEL導電性成分の表面被覆率:3mg/m
2、または0.75、1.5、2.25、3mg/m
2、好ましくは3mg/m
2、5mg/m
2
バインダを有するSEL組成物:バインダ/導電性成分比 1/1、20/1、100/1、200/1、240/1、300/1、400/1
各種MM実施形態の定義
MM-G1 六角形パターンのライン間隔(ピッチ)500ミクロン、ライン幅30ミクロン、ライン高さ0.5~1.5ミクロン
MM-G2 正方形パターンのラインピッチ300ミクロン、ライン幅5ミクロン、ライン高さ2ミクロン
MM-G3 正方形パターンのラインピッチ100ミクロン、ライン幅5ミクロン、ライン高さ2ミクロン。
【請求項4】
EMIシールドであって、
基板と、
基板上にあり、金属メッシュ(MM)層またはナノワイヤ層を含む導電層と、
導電層上にあり、カーボンナノチューブ(CNT)および/またはグラフェンインク層を含む印刷された信号増強層と、を含み、
インクが印刷されていない露出した導電層が除去された後に回路パターンが生じることを特徴とするEMIシールド。
【請求項5】
少なくとも約90%の可視光透過率(VLT)(基板なし)を有することを特徴とする請求項4に記載のEMIシールド。
【請求項6】
以下の材料および変数の少なくとも1つまたは複数を含むことを特徴とする請求項4に記載のEMIシールド:
基板 PET、COP、CPI、PC
構造 MM材料 Cu、Ag、Al、Sn、または他の適切な導電性金属
MMピッチ 50、100、200、250、300、400、500ミクロン
ライン幅 3、5、7、10、15、20ミクロン
ライン高さ 0.25、0.5、0.75、1、2、3ミクロン
ラインパターン 正方形、六角形、ランダム、フラクタル
構造層:
基板/プライマ層/ブラックニング/金属メッシュ/信号増強層/オプションのトップコート(好ましくは不要)
AgNW材料:
直径 15~35nm
長さ 20~50ミクロン
AgNW被覆率 15mg/m
2~150mg/m
2,好ましくは~100mg/m
2
構造層:
基板/プライマ層/AgNW/信号増強層/オプションのトップコート(好ましくは不要)
信号増強層(SEL):カーボンナノチューブ(CNT);CNTおよびグラフェン;バインダを含むまたは含まないグラフェン、導電性成分(CNTおよび/またはグラフェン)の濃度:各成分、またはブレンドもしくは組み合わせとして1リットル当たり0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5グラム
SEL導電性成分の表面被覆率:3mg/m
2、または0.75、1.5、2.25、3mg/m
2、好ましくは3mg/m
2、5mg/m
2
バインダを有するSEL組成物:バインダ/導電性成分比 1/1、20/1、100/1、200/1、240/1、300/1、400/1
各種MM実施形態の定義
MM-G1 六角形パターンのライン間隔(ピッチ)500ミクロン、ライン幅30ミクロン、ライン高さ0.5~1.5ミクロン
MM-G2 正方形パターンのラインピッチ300ミクロン、ライン幅5ミクロン、ライン高さ2ミクロン
MM-G3 正方形パターンのラインピッチ100ミクロン、ライン幅5ミクロン、ライン高さ2ミクロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、2022年10月25日に出願された米国仮特許出願第63/271,265号の優先権を主張する。仮出願の開示全体(本文および図面)は、参照によりその全体があらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。
【0002】
背景
本開示は、無線周波数アンテナおよび電磁干渉(EMI)シールドに関する。
【背景技術】
【0003】
国際公開WO2016/172315Alは、銀ナノワイヤ(AgNW)層と印刷CNTインク層とを含む印刷カーボンナノチューブ(CNT)ハイブリッド透明導電性フィルムを記載している。同刊行物の開示全体は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。この刊行物には、露出したAgNW領域(すなわち、CNTインクが印刷されていない領域)を除去するための「ウェットワイピング」法も記載されている。
【0004】
国際公開WO2020/102392は、単純な透明導電フィルムとして使用される金属メッシュ(MM)層と印刷CNTインク層とを含む印刷CNTハイブリッド透明導電フィルムを記載している。同刊行物の開示内容全体は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。化学エッチング液を用いて、CNTが印刷されていない露出領域を溶解し、導電パターンを形成する。
【発明の概要】
【0005】
本開示は、部分的に先行技術と以下のように区別される:1)透明回路構造のRF特性におけるCNTおよび/またはグラフェンと銅(Cu)メッシュとの組み合わせの相乗効果、2)メッシュの上にCNTおよび/またはグラフェンインクを塗布することによるRFシールドおよび送受信の利点、3)Cuメッシュの寸法を制御することによるRFシールドおよび送受信の利点、4)印刷カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンハイブリッド透明アンテナ、5)印刷カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンハイブリッド透明EMIシールド構造。
【0006】
MMを使用する利点は、高い透明性(可視光透過率(VLT)85%~90%)を維持しながら、透明CNTおよび/またはグラフェンハイブリッドフィルム構造において非常に低い(0.2~1Ω/□)シート抵抗値を実現できることである。低いシート抵抗(Rs)は、アンテナやEMIシールドに有用な特性である。
【0007】
露出したMM領域を溶解するために化学エッチング液を使用する利点は、MMを除去するために単純な水/有機溶剤のウェットワイピングを使用することが実用的でないことである。しかし、化学エッチングが機能するためには、印刷されたCNTやグラフェンインクがエッチングマスクとしても機能しなければならない。これにより、インクは多機能材料となる。このインクは、CNTやグラフェンのハイブリッド(CNTやグラフェン+MM+ポリマーバインダ)透明導電膜の作成を可能にするだけでなく、CNTやMM単独よりも優れた導電膜を作ることができる。また、このインクを使用することで、標準的なフレキシブルプリント回路加工方法(すなわち、化学エッチング液を使用して、エッチングマスクで覆われていない導電性領域を溶解する)を使用することができる。エッチング条件は、国際公開第WO2020/102392に記載されている。
【0008】
エッチングに代わる方法として、「キス」タイプの自動カッターシステムを使用してフィルムをパターニングする方法がある。
【0009】
別の実施形態では、基板は、上述のMMの代わりに、導電層として機能する銀ナノワイヤ層(AgNW)を組み込むことができる。ナノワイヤは、本明細書の他の箇所でさらに説明するように、他の導電性材料(たとえば、銅)で作ることができる。
【0010】
別の実施形態では、CNTおよび/またはグラフェンハイブリッドフィルム構造を高性能EMI遮蔽フィルムとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】
図1Aは、SELありのマイクロストリップの試験による応答(S11、S22、S12、S21)を示し、
図1Bは、SELなしの場合の応答を示す。
【
図2-1】
図2Aは、パッチSELアンテナを示す。
【
図3A】低周波数帯域にチューニングされた銅製マルチバンドチューナブルアンテナのシミュレーションである。
【
図3B】SELありのアンテナのシミュレーションである。
【
図4A】中間の高周波帯域にチューニングされた銅製マルチバンド同調アンテナのシミュレーションである。
【
図4B】SELを使用したアンテナのシミュレーションである。
【
図5A】高周波帯域にチューニングされた銅マルチバンド同調アンテナのシミュレーションである。
【
図5B】SELを持つアンテナのシミュレーションである。
【
図6】
図6Aは、銅アンテナのS21およびS11パラメータのシミュレーションおよび測定結果を示し、
図6BはSELありのアンテナのパラメータを示す。
【
図7-1】
図7Aは、パッチアンテナのシミュレーションおよび測定値のリターンロスの結果を示す。
【
図9-1】
図9Aは、パッチアンテナシミュレーションおよび実測値のリターンロス結果を示す。
【
図11】2つのアンテナシミュレーションのVLTとシート抵抗値とを示す。
【
図12】
図12Aは、銅アンテナおよびSELアンテナに対する極図表であり、
図12Bは、両アンテナの利得を示す。
【
図13A】低周波同調SELアンテナのリターンロスを示す。
【
図13B】高周波同調SELアンテナのリターンロスを示す。
【
図14A】SELベースシールドの遮蔽効果を示す。
【
図14B】別のSELベースシールドの遮蔽効果を示す。
【
図14C】別のSELベースシールドの遮蔽効果を示す。
【
図15】異なるシート抵抗レベルを有するSELベースシールドのEMI遮蔽効果を示す。
【
図16】2つのSELベースシールドの遮蔽効果を最先端のシールドと比較している。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本明細書で説明するシステム、方法および装置の実施例は、以下の説明に記載され、または添付の図面に図示された構造の詳細および構成要素の配置に適用が限定されるものではない。システム、方法および装置は、他の実施例において実施することが可能であり、また、様々な方法で実施することが可能である。具体的な実施例は、本明細書において例示のみを目的として提供され、限定を意図するものではない。特に、任意の1つまたは複数の実施例に関連して論じられる機能、構成要素、要素、および特徴は、他の実施例における同様の役割を排除することを意図するものではない。
【0013】
本明細書に開示された実施例は、本明細書に開示された原理の少なくとも1つと一致する任意の方法で他の実施例と組み合わせることができ、「実施例」、「いくつかの実施例」、「代替実施例」、「様々な実施例」、「1つの実施例」等への言及は、必ずしも相互に排他的ではなく、記載された特定の特徴、構造、または特性が少なくとも1つの実施例に含まれ得ることを示すことを意図している。本明細書におけるこのような用語の出現は、必ずしも全てが同一の実施例を指すものではない。
【0014】
また、本明細書で使用される言い回しおよび用語は、説明のためのものであり、限定的なものとみなされるべきではない。本明細書において単数形で言及されるコンピュータプログラム製品、システム、および方法の例、構成要素、要素、行為、または機能に対するあらゆる言及は、複数を含む実施形態を包含することもあり、本明細書において任意の例、構成要素、要素、行為、または機能に対する複数形の言及は、単数のみを含む例を包含することもある。したがって、単数形または複数形での言及は、現在開示されているシステムまたは方法、それらの構成要素、行為、または要素を限定することを意図するものではない。本明細書における「含む」、「含んでなる」、「有する」、「含有する」、「関与する」、およびそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目およびその等価物ならびに追加の項目を包含することを意図する。または」を用いて記載される用語は、単一の用語、複数の用語、および記載される用語のすべてを示すことができるように、「または」への言及は、包括的なものとして解釈される場合がある。
【0015】
RFアンテナ性能の信号増強層の影響
本開示の一側面は、5G周波数範囲(約3.2~3.8GHz)におけるアンテナ応答への大きな影響である。以下に示すのは、MM層の上に信号増強層(SEL)を印刷した場合(
図1A)と印刷しない場合(
図1B)の試験結果である。テストは、マイクロストリップ評価(材料の特性評価に使用)および広い周波数範囲にわたるアンテナ評価の両方を使用して実施された。
【0016】
図1Bは、マイクロストリップの結果およびS11とS22との応答パラメータを表示したもので、dBのリターンロス(反射率)の低下を欠き、反射電力が大幅に増加する高周波での破線の楕円領域で示されるように、高周波でのアンテナ性能が低いことを示している。以下の良好な目標応答が目指されている:
・S11およびS22が低い場合→エネルギーが伝送されるか、熱損失として放散される。
・S12およびS21が高い場合→信号の送受信が高い。
【0017】
図2Aに示すような「パッチ」アンテナを用いて追加試験を行った。このアンテナは、基板1の上、基板2と3との界面、および基板5の底面にAgeNTG3SEL層がある5枚の基板で構成されている。光学的に透明な接着剤(OCA)を使用してスタックを形成している。
図2Bは、AgeNT-G3(本明細書の別の箇所で定義)を用いたこのパッチアンテナの応答を示しており、5G帯域において実質的な応答を示している。
図2Cは、SELなしの場合のアンテナ応答を示しており、同じ帯域ではほとんど応答がない(両図とも楕円内の領域で示される帯域)。AgeNTは、参照により本明細書に組み込まれる特許公報に定義されている。AgeNTは、最も基本的には、基板上にMMまたはナノワイヤ導電層を形成し、その上にCNTおよび/またはグラフェン、および任意でバインダを含む印刷インクを重ねたものである。
【0018】
実施形態:
基板 PET(ポリエチレンテレフタレート)、COP(シクロオレフィンポリマー)、CPI(透明ポリイミド)、PC(ポリカーボネート)
構造 MM材料 Cu、Ag、Al、Sn、および性能ニーズを満たす可能性のある他の金属
MMピッチ 50、100、200、250、300、400、500ミクロン
ライン幅 3、5、7、10、15、20ミクロン
ライン高さ 0.25、0.5、0.75、1、2、3ミクロン
ラインパターン 正方形、六角形、ランダム、フラクタル
MM構造層:
基板/プライマ層/ブラックニング/金属メッシュ/信号増強層/およびオプションのトップコート(好ましくは不要)
AgNW材料:
直径15~35nm
長さ20~50ミクロン
AgNW被覆率 15mg/m2~150mg/m2、好ましくは~100mg/m2
ナノワイヤ構造層:
基板/プライマ層/AgNW/信号増強層/任意トップコート(好ましくは不要)
信号増強層(SEL):カーボンナノチューブ(CNT);CNTおよびグラフェン;バインダを含むまたは含まないグラフェン、導電性成分(CNTおよび/またはグラフェン)の濃度:各成分、またはブレンドもしくは組み合わせとして1リットル当たり0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5グラム
SEL導電性成分の表面被覆率:3mg/m2、または0.75、1.5、2.25、3mg/m2、好ましくは3mg/m2、5mg/m2
SEL組成物 w/バインダ:バインダ/導電性成分比 1/1、20/1、100/1、200/1、240/1、300/1、400/1
各種MM実施形態の定義
MM-G1 六角形パターンのライン間隔(ピッチ)500ミクロン、ライン幅30ミクロン、ライン高さ0.5~1.5ミクロン
MM-G2 正方形パターンのラインピッチ300ミクロン、ライン幅5ミクロン、ライン高さ2ミクロン
MM-G3 正方形パターンのラインピッチ100ミクロン、ライン幅5ミクロン、ライン高さ2ミクロン
【0019】
性能の結果および実績例
材料の特性評価:マイクロストリップ試験
ハイブリッド構造のいずれの層もバルク材料ではないので、アンテナをモデル化しシミュレーションするためには、基板の電磁誘電率が必要である:
・誘電率(εr):動作周波数に関連する。
・誘電正接(TanD):主に放射効率損失の原因となる基板の損失を表す。
【0020】
材料は周波数にわたって一定の特性を持たないので、完全なRF特性評価が必要である。誘電体プローブセンサを使用すれば、複素(実部および虚部)誘電率を測定することができる。当初は、アンテナ用の基板を使用し、希望する周波数で、限られた材料の特性評価を行った。Keysight 85070E誘電体プローブキットは、Keysightネットワークアナライザと共に使用し、多くの誘電体材料の固有の電磁気特性を決定する。これらの特性は分子構造によって決まる。このセットアップは、200MHzから50GHzの範囲で誘電体材料をテストし、最先端のRFおよびマイクロ波電子部品に使用される材料に関する重要な情報を提供する。
【0021】
予備シミュレーション - 実現可能性の実証:
初期に測定した誘電率および誘電正接のパラメータを使用して、マルチバンド可変アンテナのチューニングパラメータを追加して、さまざまな周波数帯域でシミュレーション比較を行い、MM-G2材料セットおよび銅をベースにした設計を比較した。
図3Bと比較した
図3A、
図4Bと比較した
図4A、および
図5Cと比較した
図5Aに示されるように、MM-G2は3つの異なる周波数範囲(それぞれ低帯域、中高帯域、高帯域)で良好な応答を示し、
図3A、
図4A、および
図5Aに示す導電層に無垢銅を使用したアンテナに匹敵した。
【0022】
マイクロストリップ材料の特性評価
初期シミュレーションの完了により、材料の導電率を測定できるマイクロストリップ試験回路一式で構成されたプロトタイプを使ったその後の測定が可能になった。
【0023】
ネットワークベクトルアナライザを用いて、設計したマイクロストリップ線路の特性情報を決定し、シミュレーションと比較した。特定の周波数におけるSパラメータ測定から、サンドイッチスタックによる表皮効果および異常が評価された。インピーダンスの測定により、これらの周波数のEMシミュレーションモデルで使用する導電率の値も決定できた。
【0024】
シミュレーション結果(マイクロストリップテスト構造)および測定結果の比較により、予測可能な性能を持つアンテナの設計が可能になる。
【0025】
金属メッシュラインのピッチは、期待されるアンテナ性能をシミュレートする能力に影響を与える。マイクロストリップ試験の結果を、上述のように材料を特性評価するツールとして使用することで、S11、S22、S12、S21パラメータに基づき、様々な周波数でアンテナの応答を定義することができる。
【0026】
Sパラメータは、特定のポートでの反射波を各ポートでの入射波として定義する。
【0027】
目標は、S11およびS22を低くすることである。→エネルギーは伝送される(望まれる)か、熱損失として放散される。たとえば、S21=0→ポート1からの全パワーがポート2に届く:S21=-10DBの場合→ポートまたはant2には10%しか届かない。
【0028】
MM-G2マイクロストリップのシミュレーション結果:
MM-G2ジオメトリ(ラインピッチ300um)では、アンテナのシミュレーションは、計算の解を閉じなかった。パラメータの最適化とインピーダンスの最適化には物理的な限界があり、満足のいく調整ができなかった。2つの曲線(S21およびS11)は相互に依存しているので、既知の物理的実体(基板の厚さ、誘電率、トラック幅)を実在させたまま、シミュレーションと測定値との間に良好な相関を得ることは必ずしもできなかった。
【0029】
MM-G3マイクロストリップのシミュレーション結果:
MM-G3形状(100umラインピッチ)では、アンテナのシミュレーションにより、
図6Aおよび
図6Bに示すように、計算の解が閉じた。シート抵抗およびリアクタンスは周波数に依存する関数として定義され(バルクメタルはこれを必要としない)、シミュレーションされたSパラメータと測定されたSパラメータとの相関は非常に良好であった。
【0030】
アンテナシミュレーションおよび測定結果:
評価は、
図2Aと同様のパッチアンテナデザインを用いて行った。評価は、金属メッシュラインのピッチ(すなわち、間隔)を変数として行われ、測定されたアンテナ性能(リターンロス(反射率)、利得、効率、放射パターン)に対するジオメトリの影響を示した。
【0031】
G3パッチアンテナの試作テスト:
図7A~
図7Cおよび
図8A~
図8Cは、パッチアンテナのシミュレーション値および実測値のリターンロス結果、アンテナ効率、アンテナ利得、放射パターンを示している。「MM-G3」設計(正方形パターンで100ミクロンのラインピッチ)では、
図8A~
図8Cに示すように、アンテナ効率、アンテナ利得、放射パターンが非常によく相関している。
図8A~
図8Cは、S11の実測値とシミュレーション値との間に非常に良い相関があることを示している。製造されたアンテナは、シミュレーションよりもわずかに広い帯域幅を示した。
【0032】
G3の効率とピーク利得の比較
効率(
図7B)およびピーク利得(
図7C)は、帯域幅全体で絶対的な効率値に妥協することなく、帯域幅が広いことを確認している。望ましいピーク利得は、帯域の下端(<3220MHz)でだけ閾値をわずかに下回る。
【0033】
G2パッチアンテナの試作テスト:
図9A~
図9Cおよび
図10A~
図10Cは、正方形パターンで300ミクロンのラインピッチを持つ「MM-G2」設計のパッチアンテナシミュレーションおよび実測値のリターンロス結果、アンテナ効率と利得、放射パターンを示している。
【0034】
G2パッチアンテナプロトタイプテスト-リターンロス比較
S11の実測値とシミュレーション値との相関が低い(対G3)。製造されたアンテナは、シミュレーションよりもはるかに広い帯域幅を示した(約50%)。
図9A参照。
【0035】
G2効率とピークゲインの比較
効率(
図9B)およびピーク利得(
図9C)は、帯域幅全体にわたって絶対的な効率値に妥協することなく、より広い帯域幅を確認した。測定された効率も予測値より高かった。G2材料は(抵抗率が高いため)、全帯域にわたって所望の最小ピーク利得を満たさないと予想された。しかし、効率が高いため、ピーク利得はシミュレーションよりも高かった。リターンロスの結果および効率の影響の両方が、マイクロストリップ試験の設計に関連している。マイクロストリップの導体ラインは主に、ここで使用した設計ルール(どの機能も物理的寸法としてMMピッチの10倍以上でなければならない)よりも小さかった。パッチアンテナはこの設計ルールを満たしたため、予測に対して良好な結果が得られた。
【0036】
G2放射パターン
G3材料で得られた結果に比べ、電界の均一性が低い。
図10A、10B、10Cを参照。
【0037】
注目すべきは、ライン間隔が大きい(300ミクロンピッチ)場合の性能は妥当であるが、ライン間隔が小さい(100ミクロンピッチ)場合ほどではない。
【0038】
G2のマイクロストリップの結果とパッチアンテナの結果との大きな違いは、マイクロストリップでは、MM導体のフィーチャサイズはMMのピッチの少なくとも10倍でなければならないという特定の設計ルールが組み込まれていないことである。たとえば、G2のメッシュパターンでは、導体ラインの幅は少なくとも3mmでなければならない。たとえば、G1メッシュパターンの場合、導体ラインは少なくとも1mmの幅を持つべきである。
【0039】
金属メッシュの形状がVLTおよびシート抵抗に与える影響:
金属メッシュラインの幅はアンテナの視認性(VLT)に影響し、したがって「透明アンテナ」の定義に影響する。
図11参照。
【0040】
さらなる材料観察:
・金属メッシュラインの幅は導電体のシート抵抗に影響する。
・金属メッシュ線のピッチはシート抵抗(導体の電気的特性)に影響する。
・金属メッシュはアンテナの導体、グランドプレーン、同調層として使用できる。
【0041】
金属メッシュを使用することで、バルクの金属アンテナ設計と同等の性能が得られる。
図12Aおよび12Bは銅で、およびCNTSEL層で作られたモノポール透明ブルートゥースアンテナを示している。両者の放射パターンは基本的に同じである(
図12A)。上の利得曲線(より高い利得)は、SELアンテナのものである。
【0042】
マルチバンドアンテナの設計:
回路にコンデンサを組み込むことで、メタルメッシュアンテナを特定の周波数にチューニングしたり、マルチバンドに対応させたりすることができる。このプロセスにより、SELアンテナを広い範囲にわたって特定の周波数に調整できることが実証された。
【0043】
たとえば、
図13Aは、低周波数帯域グループA[570~750MHz]でのチューニングを示している。
図13Bは、高周波数帯グループB[1300~3800MHz]でのチューニングを示す。
【0044】
アンテナ製作実施例
1Ω/□MMバージョン:
1.PET(100um)を基板としてTCF(透明導電膜)を作製し、300ミクロンピッチ、幅5ミクロン、高さ2ミクロンの正方形パターンで銅金属メッシュ(MM)を蒸着して供給した。このMM構造はMM-G2と名付けられた。銅MMフィルムは、2.5インチのブロックパターンを有する305ポリエステルメッシュスクリーン(30umウェットフィルム厚)を用いて、カーボンナノチューブインク(Chasm Advanced Materials Inc.製VC20lシングルウォールCNTインク)でスクリーン印刷した。インクはCNT濃度0.1g/Lに調合され、バインダ(ポリマーバインダ;変性メタクリル共重合体)をバインダ:CNT比240:1で含んだ。印刷されたCNT層は、100℃のトンネルドライヤで3~4分の滞留時間で乾燥させた。サンプルを周囲温度(25℃)まで冷却した。
【0045】
フィルムは10%FeNO3溶液を含むオートエッチャーで処理され、その後D.I.水洗および乾燥が行われた。
【0046】
240:1のバインダをスクリーン印刷した後、CNTインクをエッチングした:CNTインクのスクリーン印刷およびエッチングの後、2.5”CNTパターン領域では、%VLTおよびRsはそれぞれ90.6%(基材を差し引く)および<1/のままであった。2.5”CNTパターン領域外の露光領域では、%VLTおよびRsはそれぞれ99.6%(基材を差し引く)および無限大に増加した。
【0047】
2.基板としてPC(175um)を用い、基板上に銀ナノワイヤコーティングを均一に施したTCFを作製した。このAgNW膜を、2.5インチのブロックパターンを有する305ポリエステルメッシュスクリーン(~30umのウェット膜厚)を用いて、カーボンナノチューブインク(Chasm Advanced Materials Inc.のVC200シングルウォールCNT/グラフェンインク)でスクリーン印刷した。インクは、CNT/グラフェン濃度がそれぞれ0.05/0.05g/Lとなるように調合され、バインダ(ポリマーバインダ;変性メタクリル共重合体)をバインダ:CNT=120:1の比率で含んでいた。印刷されたCNT層は、100℃のトンネルドライヤで3~4分の滞留時間で乾燥させた。サンプルを周囲温度(25℃)まで冷却した。
【0048】
フィルムは10%FeNO3溶液を含むオートエッチャーで処理され、その後D.I.水洗および乾燥が行われた。
【0049】
120:1のバインダをスクリーン印刷した後、CNTインクをエッチングした:CNTインクをスクリーン印刷し、エッチングした後、パターン領域では%VLTおよびRsはそれぞれ~92%(基板を差し引く)および10/□のままであった。CNTパターン領域外の露出領域では、余分なAgNWはすべてエッチング除去された。
【0050】
ポリマーバインダは、印刷されたCNTハイブリッド回路の環境安定性および接着性を高める役割を果たす。また、MMが化学的にエッチングされないように保護する役割も果たす(すなわち、エッチマスク機能を提供するための成分である)。バインダは、良好な環境安定性および接着特性を有し、ヘイズが低く透明性が高いことが望ましい。
【0051】
多くの異なるバインダが使用されることを期待するのは妥当である。適切なポリマーバインダ候補の選択基準は以下のとおりである:
・良好な光学特性(高い透明性、低いヘイズ、低い色、PETに類似した屈折率)
・一般的に使用されるプラスチックフィルム基材(PET、PC、アクリルなど)への良好な接着性
・プラスチックフィルム基材に適合する温度処理要件(120℃未満)
・インク処方と適合する溶解性(たとえば、アルコールおよび/またはアミン成分への良好な溶解性)。
・Cuに使用される一般的なエッチング液に対する耐薬品性。
【0052】
実施例で使用したCNTタイプは単層CNTである。しかし、二重壁CNTや少数壁CNT、多壁CNTを代用しても良い結果が得られると期待するのは妥当である。
【0053】
EMIシールド実施例
AgeNTフィルムのサンプルをEMI遮蔽効果について試験した。遮蔽効果(SE)は、通常、入射電界の大きさE
iと透過電界の大きさE
tとの比として定義される:
【0054】
dB値が高いほど信号は減衰する。減衰は周波数に依存し、シールド材の開口部に大きく依存する。透明シールドの場合、減衰と全可視光透過率とはトレードオフのような関係にある。減衰の結果を以下の実施例に示す。
【0055】
EMIシールド実施例1:
金属メッシュおよび銀ナノワイヤAgeNTの構造の両方をテストした。実施例1の結果は、サンプルの4辺のうち2辺に接地接点があるサンプルを用いて行われた。接地コンタクトで完全に包まれていないにもかかわらず、SEは有意であった。詳細な説明および結果を以下に示す。
【0056】
「試験2.1.2」の試験方法
試験は、Sprague Shielding Corporation製のシールド筐体内で実施した。減衰試験により、シールド筐体がIEEE-STD-299の減衰要件を満たしていることが実証された。
【0057】
シールド筐体内で使用可能なAC電源は、AC110V、AC220V、単相および三相、60サイクルである。電源ライン・フィルターは、10kHzから10GHzまで100dBの減衰定格がある。
【0058】
信号発生器やコンピューター・システムなどのサポート機器はシールド・エンクロージャーの外側に設置された。検出システムはシールドされた筐体の内側に設置された。マッチングされた送受信アンテナは、被試験材が取り付けられた共通の壁の両側に設置された。
【0059】
中央に6.25インチ×3.5インチの開口部を持つ16インチ×16インチのアダプタプレートがチャンバーの壁に取り付けられた。二列の銅製フィンガーが、アダプタプレートと壁とのインターフェースの周囲に沿って使用された。
【0060】
送信アンテナおよび受信アンテナは、それぞれアパーチャーの両側から0.75メートル離れた場所に設置された。その後、開口部からオープンリファレンス測定を行い、記録した。
【0061】
オープンリファレンス測定終了後、AgeNTG2-1サンプルの保護バッキングを剥がし、コーティング面を露出させた。この面をアパーチャーの上に置き、6本のネジで金属フレームで固定した。測定は、オープンリファレンスと同じ周波数と信号発生器レベルとで再度行われ、データシートに記録された。SE=Oper.基準レベル(dB)-サンプルを取り付けた状態でのレベル(dB)。このプロセスを残りの2つのサンプルについて繰り返した。
図14A、14B(MM、1Ω/)、および
図14C(AgNW、10Ω/)を参照。
【0062】
Eフィールド試験は、100MHz、200MHz、400MHz、600MHz、800MHz、1GHz、2GHz、6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz、16GHz、18GHz、20GHz、22GHz、24GHz、26GHz、28GHz、30GHzの周波数で行った。
【0063】
EMIシールド実施例2
広い周波数範囲(1MHz~40GHz)で高いEMI遮蔽効果を発揮する透明EMIシールドフィルムが求められている。これは、防衛や航空電子工学の用途、セキュリティガラスの用途において特に重要である。要求性能の例を
図15に示すが、これはシート抵抗が低いほど遮蔽効果が高いことを示している。現行製品とAgeNTとを比較するための試験が行われた。
【0064】
AgeNTEMIシールドフィルムは、高い透明性を保ちながら、この高い遮蔽性能を発揮する。
図16は、AgeNT-1-G3とAgeNT-G1とが40dB減衰(水平破線)という厳しいスペックを満たしていることを示すデータである。これは、99.99%以上の電力が減衰され、可視光透過率は76%以上(s-Glassを含む)であることを意味している。
【0065】
現在の最適な製品とAgeNT-G1およびAgeNT-G3とを比較した結果を
図16に示すが、約10GHzまでの広い周波数範囲、およびそれ以上の周波数範囲にわたって、優れた、あるいは少なくとも同等のSEを示す。
【0066】
以上、少なくとも1つの実施例のいくつかの態様について説明したが、当業者には様々な変更、修正、改良が容易に生じることが理解されよう。このような変更、修正、および改良は、本開示の一部であり、本発明の範囲内であることが意図される。従って、前述の説明および図面は、例示のためのものであり従って、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等物の適切な解釈から決定されるべきである。
【手続補正書】
【提出日】2024-09-09
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
カーボンナノチューブハイブリッドアンテナであって、
基板と、
基板の表面上にあり、
超狭間隔で相互接続された線状金属構造体から成る金属グリッドを含む金属メッシュ(MM)層または
該表面上にランダムに分布した長さよりも小さい直径を有するナノワイヤを含むナノワイヤ層
のいずれかを含む導電層と、
を含み、
導電層
は信号増強層によって覆われ、
信号増強層は乾燥インクを含み、乾燥インクは導電性ナノ粒子を含み、導電性ナノ粒子はカーボンナノチューブ(CNT)
およびグラフェンの一方または両方を含
むことを特徴とするアンテナ。
【請求項2】
少なくと
も90%の可視光透過率(VLT)(基板なし)を有することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項3】
EMIシールドであって、
基板と、
基板
の表面上にあり、
超狭間隔で相互接続された線状金属構造体から成る金属グリッドを含む金属メッシュ(MM)層または
該表面上にランダムに分布した長さよりも小さい直径を有するナノワイヤを含むナノワイヤ層
のいずれかを含む導電層と、
を含み、
導電層
は信号増強層によって覆われ、
信号増強層は乾燥インクを含み、乾燥インクは導電性ナノ粒子を含み、導電性ナノ粒子はカーボンナノチューブ(CNT)およ
びグラフェ
ンの一方または両方を含
むことを特徴とするEMIシールド。
【請求項4】
少なくと
も90%の可視光透過率(VLT)(基板なし)を有することを特徴とする請求項
3に記載のEMIシールド。
【請求項5】
基板は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、シクロオレフィン(COP)、透明ポリイミド(CPI)、およびポリカーボネート(PC)のいずれか1つを含むことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項6】
金属メッシュの線状金属構造体は、銅、銀、アルミニウムおよび錫の少なくとも1種から成ることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項7】
金属メッシュの線状金属構造体は、50、100、200、250、300、400、または500ミクロンの間隔を有し、3、5、7、10、15、または20ミクロンのライン幅を有し、0.25、0.5、0.75、1、2、または3ミクロンのライン高さを有し、正方形、六角形、ランダムまたはフラクタルパターンにあることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項8】
ナノワイヤは、銀を含み、15~35nmの直径、20~50ミクロンの長さ、および15mg/m
2
~150mg/m
2
の面積被覆率を有することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項9】
信号増強層は、インク1リットルあたり0.05~0.5グラムの導電性ナノ粒子を含むインクから成ることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項10】
信号増強層の導電性ナノ粒子の面積被覆率は、0.75~5mg/m
2
であることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項11】
信号増強層は、バインダをさらに含み、バインダの導電性ナノ粒子に対する比率は、1:1、20:1、100:1、200:1、240:1、300:1または400:1であることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項12】
金属メッシュの線状金属構造体は、六角形パターンの500ミクロンの間隔と、30ミクロンのライン幅と、0.5~1.5ミクロンのライン高さとを有することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項13】
金属メッシュの線状金属構造体は、正方形パターンの300ミクロンの間隔と、5ミクロンのライン幅と、2ミクロンのライン高さとを有することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項14】
金属メッシュの線状金属構造体は、正方形パターンの100ミクロンの間隔と、5ミクロンのライン幅と、2ミクロンのライン高さとを有することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
【請求項15】
金属メッシュの線状金属構造体は、銅、銀、アルミニウムおよび錫の少なくとも1種から成ることを特徴とする請求項3に記載のEMIシールド。
【請求項16】
ナノワイヤは、銀を含み、15~35nmの直径、20~50ミクロンの長さ、および15mg/m
2
~150mg/m
2
の面積被覆率を有することを特徴とする請求項3に記載のEMIシールド。
【請求項17】
信号増強層は、インク1リットルあたり0.05~0.5グラムの導電性ナノ粒子を含むインクから成ることを特徴とする請求項3に記載のEMIシールド。
【請求項18】
信号増強層の導電性ナノ粒子の面積被覆率は、0.75~5mg/m
2
であることを特徴とする請求項3に記載のEMIシールド。
【請求項19】
信号増強層は、バインダをさらに含み、バインダの導電性ナノ粒子に対する比率は、1:1、20:1、100:1、200:1、240:1、300:1または400:1であることを特徴とする請求項3に記載のEMIシールド。
【請求項20】
金属メッシュの線状金属構造体は、六角形パターンの500ミクロンの間隔と、30ミクロンのライン幅と、0.5~1.5ミクロンのライン高さとを有する、または正方形パターンの300ミクロンの間隔と、5ミクロンのライン幅と、2ミクロンのライン高さとを有する、もしくは正方形パターンの100ミクロンの間隔と、5ミクロンのライン幅と、2ミクロンのライン高さとを有することを特徴とする請求項3に記載のEMIシールド。
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【国際調査報告】