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Webマガジン Vol.58- Jun., 2022

Column: 透明導電性フィルムの低抵抗化を実現するNANOWEB®ナノ金属メッシュ技術と5G向け透明アンテナ・透明電波反射材などへの応用

本コラムの構成

1. はじめに  透明導電性材料の課題とナノ金属メッシュ技術
2. サブ波長パターンの成膜-ローリングマスクリソグラフィ技術
3. 従来技術との比較
4. メッシュ形状および単体での波長ごと透明性
5. NANOWEBにより可能となる用途
6. まとめ
 参考文献
 注釈
 関連情報
    

 

1. はじめに  透明導電性材料の課題とナノ金属メッシュ技術

透明抵抗層/導電性電極(TCE)向け材料は、電子製品向けにタッチスクリーンディスプレイ技術が急速に成長した事で、様々なタイプのものが、技術的に注目されてきました。また、これらはセンサやディスプレイを用いたシステムの光学部品にも使われています。
ITO(Indium Tin Oxide)は、良好な導電性と透明度、薬品あるいは環境への安定性、薄膜に成膜しやすい事から、これらの用途にて最も広く使用されている材料の一つです。しかし、インジウムはコストが高く供給に制約がある事、ITO層が割れやすくフレキシブル性が無い事、成膜費用がかかる事から、代わりのITO製造方法、または代替材料が研究されてきました。ITOは、材料固有の要因から導電性に限界もあります。ガラス上にて高温でアニールされたITO膜でも、シート抵抗20Ω/sq以下にまでなると、コスト効率のいい手法では製造困難になるといわれています。

近年META®社(Meta Materials Inc. )では、NANOWEB®という透明導電性膜の中でも電気/光学特性に優れた独自の製品を開発しています。これは肉眼では見えない、ナノサイズ幅の金属ワイヤメッシュでできています(図1)。RML®(Rolling Mask Lithography:ローリングマスクリソグラフィ)と呼ばれる独自開発された技術を使う事で、ロールツーロールにて成膜が可能なため、大面積の製品、あるいはフレキシブルなデバイスにも使用できます。他の代替技術と比較し、優れた導電性(1〜10Ω/sq)と透明度(95〜99%)を実現しつつ(表1)、ナノサイズでありながらメッシュパターンは形状を調整できるため、用途に合わせ特性を最適化する事も可能です。

コスト性に優れ、様々な種類の材料(Ag, Al, Pt, Cu, Niなど)を、リジッド基板(例:ガラス,サファイア)からフレキシブルな基板(例:プラスチック,フレキシブルガラス)にまで成膜できる事から、突出した製造能力も保有しています。円形基板に成膜された、サンプルでのNANOWEB®の透明性の例を図2に示します。
本記事では、このMETA®社NANOWEB®技術詳細と、従来困難であった5G向けなどでの用途が実現される例をご紹介いたします。

図1: RML®を用いたNANOWEB®パターン成膜の例

図1: RML®を用いたNANOWEB®パターン成膜の例

表1: 図1のメッシュデザインにおける光学透過率, ヘイズ値, シート抵抗率

表1: 図1のメッシュデザインにおける光学透過率, ヘイズ値, シート抵抗率

図2: NANOWEB®の透明性の例:円形基板に成膜

図2: NANOWEB®の透明性の例:円形基板に成膜

 

 

2. サブ波長パターンの成膜―ローリングマスクリソグラフィ技術

このようなナノ構造の透明フィルム材料を、実用的なレベルで実現するには、サイズ自由度の高いナノ成膜技術の開発が不可欠でした。
ナノ幅(サブ波長スケール)の露光パターンを成膜するにあたり、過去数十年、半導体・電子部品業界では位相シフトリソグラフィと呼ばれる手法が広く用いられてきました。この技術では、紫外(UV)光を、透過性のある位相シフトマスクと呼ばれる部品に透過させます。この位相シフトマスクでは、UV光の波の位相の変調が行われます。1)
その結果生じる光の干渉により、微細なサブ波長の露光パターンがフォトレジスト上に形成できます。しかし、この手法による製造はこれまで半導体ウエハのようなサイズに限られており、大面積やロールでの製造は行われていませんでした。
一方、近年、ロールツーロールあるいはロールツープレートのナノインプリントと呼ばれる技術がフレキシブルな基板上への大面積成膜に導入されるようになりました。2,3)
ここでは、ハンコのように微細な型をローラで押し当て凹凸を刻む(インプリントする)事で、ポリマーにサブ50nmという微細な形状のパターンを実現していました。4)
しかし、こうして細かな凹凸を設けたポリマーをマスクに用いようとする際の難点として、型を押し当てた後、凹部の底に、一部樹脂が残渣として残ってしまい、さらに追加工程を設けてこれを取り除かなくてはならないという点がありました(図3)。このため用途は、パターン後のポリマーそのものを最終製品として使うもののみに限られていました。

図3

図3: 従来のナノインプリント法における残渣模式図 4,5)

META®のローリングマスクリソグラフィ(RML®:Rolling Mask Lithography)は近年開発されたもので、連続的に近接場光学を使いナノ構造を形成するリソグラフィ技術です。この技術は上記の位相シフトリソグラフィ法の長所と、ロールツーロール型のパターン形成技術の長所を合わせたもので、円筒形の変形しやすいエラストマー製の位相シフトマスクを使うことで、さまざまなサイズでサブ波長の構造を成膜可能にします。6,7)
このRML®技術と、システムの主要な構成要素を図4に示します。露光用ツールとして、水晶製のシリンダと、その内部にインライン照射型のUV光源が設けられています。このシリンダに、コンプライアント材料でできた柔らかいマスクが巻き付けてあり、圧力を制御しながら、基板上の硬いレジスト層に当てられます。コリメートされたUV光が、途中スリットを通り、マスクを経て、レジストの中に導かれます。マスクパターンには前述の位相シフトの設計が施されており、このマスクから放出される光の近接場にて、レジスト露光が行われます。これにより、サブ波長の微細なパターンにて露光が可能になります。
表面を加工していくプロセス(図4)は、以下の通りです。最初に基板に薄く感光性レジストを塗布します。その後、上述のMETA®社独自のRML®プロセス用マスクを通して微細パターンの露光が行われます。次に現像(レジストを選択的に除去)が行われ、基板が洗浄されます。最後に、現像したレジストのパターンの上から、全面に金属材料を蒸着などにより成膜します。その後、残った感光レジストを溶かし、レジストごと不要な部分の金属を除去するリフトオフ工程が続き、金属メッシュが形成されます。

図4: ローリングマスクリソグラフィ(RML®)技術のイメージ図

図4: ローリングマスクリソグラフィ(RML®)技術のイメージ図

図1に示した金属メッシュは実際にRML®により成膜されたNANOWEB®パターンの例です。プロセス中に使用されたマスクはメッシュ線幅500nmとなっています。ターゲット用途の透明性と導電性の要求に合わせ、線幅や厚み、メッシュ設計パラメータは調整ができます。現在のRML®プロセスでは、sparse(疎)タイプのメッシュアレイにて線幅500〜850nm、close-pack(密)タイプのメッシュ構造にて線幅170〜300nmのNANOWEB®が可能です。現在のRML®ツール、シリンダとマスクは300mm幅です。しかし、マスク幅を広げるのに根本的な制約はないとされ、META®社では連続ロールツーロールパイロット製造ラインにむけ、ツール幅を1〜1.2mにまで広げようと計画しています。

 

 

3. 従来技術との比較

図5は、各サプライヤから利用可能な技術を、パーセント透過率とシート抵抗率(Ω/sq)の相関にて評価したものです。ITOや、Agナノワイヤ、グラフェン、カーボンナノチューブなどのITO代替技術がある中、NANOWEB®技術は、これらの代替技術として、透明性とシート抵抗率の相関において優れた性能を持つ事が分かります。

図5: メジャーなITO代替透明導電性膜技術の性能比較

図5: メジャーなITO代替透明導電性膜技術の性能比較

NANOWEB®はAg、Cuなど、より入手しやすい材料をベースとしています。また極めて細いワイヤでできており、フィルム表面を占める面積は10%にもなりません。さらに、NANOWEB®製造では、エネルギー消費の大きな機器を用いる必要がなく、スピンコータや金属成膜チャンバーなど、広く産業で利用可能で、持続可能な性能を提供するツールのみ必要とします。

 

 

4. メッシュ形状および単体での波長ごと透明性

NANOWEB®メッシュデザインは図1のメッシュデザインの他に、図6のようにカスタムもでき、META®社の独自のRML®プロセスにより、多様な用途向けに最適化されています。

図6: メッシュデザイン例

図6: メッシュデザイン例

Sparseメッシュアレイ構造では、可視光と赤外の波長帯にて高い透過率の実現が可能です。図7は、FTIR分光計にて求めたNANOWEB®の透明性を示しています。

図7: NANOWEB®2種製品の光学透過率および赤外透過率測定

図7: NANOWEB®2種製品の光学透過率および赤外透過率測定

300nm~2µmの波長帯と2µm~22µmの波長帯にて異なる基板材料を使用

従来の金属メッシュの線幅は、幅が数µm以上あるため、人の目にメッシュが見えてしまっており、使える用途が限られてしまっていました。8)
NANOWEB®では1µm以下の線幅のメッシュを実現しており、これらの線は肉眼では見る事ができません。9)
光学透過率は基本的に開口率(開口面積/総面積)により決まりますが、加えてMETA®社調べにて、同じ開口率の金属メッシュでも、線幅が細いほど後述のシールド効果が向上する事も示されています。したがって、サブミクロン線幅の金属メッシュを使えば、シールド効果などの性能も、従来の数µm幅のマイクロワイヤメッシュと比較し大きく改善が可能となります。

 

5. NANOWEB®により可能となる用途

5.1 透明アンテナ

アンテナの搭載場所が限られる際、透明アンテナがあれば、例えば自動車のウィンドシールドや窓などにアンテナの設置場所を広げる事ができます。このNANOWEB®であれば、アンテナ性能を損なう事なく高い透明度が実現可能となります。設置場所を増やせれば、近い周波数帯で動作しているアンテナ同士も、より効率的に分離して使う事もできます。
例として、Sバンド帯(2〜4GHz)用の大きなアンテナ設置が求められる衛星にて、太陽電池パネルの上にアンテナを設置するといった事が可能になります。太陽光を遮る事なく、アンテナ分の物理面積をかせぐ事ができます。
自動車業界向けには、通信接続の種類が、標準のFM / AMアンテナから、GPS、4G、5G、Wi-Fiアンテナと、時代ともに増加してきている中、大きなロッド形状のモノポールアンテナやシャークフィンアンテナの代わりに窓上に配置する用途も挙げられます。すると、たくさんのアンテナを飛び出させる事なく、全アンテナをシームレスな形で車両に搭載可能になります。あるいは、トラックのTV受信などでも大きなアンテナがドライバーの視界を遮ってしまう懸念がなくなります。
屋内デジタルTV受信(400〜800 MHz)のダイポールアンテナは、長さ20〜40cmもの物理的大きさが必要とされますが、これも、外観を損なう事なく、電波を受信しやすい窓辺に配置できるようになります。
従来の透明導電性材料を使用した一般的な透明アンテナでは、効率の低さが問題となってしまいます。特にミリ波のような高周波では、表皮効果により、金属表面の浅い部分しか電気が通れず、断面積が減り、電気が通りにくくなります。材料そのものの導電性が高ければこれはさらに顕著となります。損失する分、導電性を増そうとして厚い導電性フィルムを使用すれば、これは光透過率に影響してしまいます。
NANOWEB®メッシュタイプの透明アンテナであれば、同じ透明度にて高い導電性をもつだけでなく、表皮深さの方がはるかに大きくなるため、上記表皮効果の損失も低減できます。そのため、より高い効率が可能となります。自動車で一般的となる周波数帯域においても、表皮深さの要求を満たせることが分かっています。他にもモバイルデバイスや光学センサの出光/受光部やレンズへの埋め込みアンテナなどさまざまな用途への応用が挙げられています。
図8に、NANOWEB®を使用して開発された透明アンテナの動作評価用のプロトタイプと、図9にこれらアンテナの周波数応答の実測値を示します。これらプロトタイプの光学的な透明度は82〜92%の間の範囲です。

図8: 3種のNANOWEB®透明アンテナ例

図8: 3種のNANOWEB®透明アンテナ例

①モノポールアンテナ6〜10GHz
②大型の屋内デジタルTV受信アンテナ400〜800MHz:実環境試験にて信号受信に成功しています。この透明性のレベルでは、史上最も大きな透明アンテナと考えられています。
③5Gミリ波4アレイ素子パッチ26〜28GHz:現行5Gネットワークに対応。いくつかの層からなりNANOWEB®が放射素子とバックプレーンの両方に使われています。OCA(クリア接着剤)にて接着。

図9: 作成された透明アンテナプロトタイプの周波数応答の実測値(特定の周波数にてS11値の下がるピークが確認できます)

図9: 作成された透明アンテナプロトタイプの周波数応答の実測値(特定の周波数にてS11値の下がるピークが確認できます)

 

5.2 透明電波反射フィルム

高性能5Gでは、多数同時接続、低遅延、高速大容量のモバイル端末の無線ネットワークが目指されており、ここでは、既存のLTE(4G)よりも高周波であるsub6(3.6GHz~)、ミリ波(24GHz~)が使用されます。これら高周波は、伝送情報容量が大きいものの、電波の直進性が高いため、信号範囲が狭く、また建造物や樹木などの遮蔽により電波が減衰し、通信品質が低下するという課題があります。10)
無線ネットワークのカバーできない場所(デッドスポット)を埋めるために密集した都市部にて大量に基地局の追加や中継機の設置を行うと、電源との接続やファイバー光通信によるバックホール(中継回線・中継ネットワーク)インフラも設ける必要があるため、高額な追加投資を伴ってしまいます。このため、費用を抑えつつ、そのものは電源を消費しない(パッシブな)、持続可能性の高い解決方法が求められています。
META®では、新たに透明でフレキシブルな電波反射フィルム(図10)を開発する事で、この品質とカバレッジの改善を図っています。このフィルムは、上記sub6とミリ波レンジにて電波を反射または透過(あるいは反射と透過を同時に)できます。さらに、電源不要、透明、フレキシブルであるため、外観を損ねることなく、あらゆる形状の部位や場所に施工が可能で、通信環境を改善できます。基地局や中継機の設置に比べ、安価に短期間で通信環境の改善が可能となると期待されています。

通常反射材は、信号となる電波のビームの入射角度に対して反射角度が同じになる向きにしか反射を行えません。しかし、この電波反射フィルムでは、パターンを工夫する事で、メタサーフェスと呼ばれる表面構造を実現し、この反射角度を、狙った特定の角度にそらす事も行っています。図11の測定デモでは、正規反射の角度から38°オフセット角度を設けた受信位置にて、反射したビームが検出できています。

図10: 5G通信拡大に向けた透明窓フィルムのコンセプト図 図11: 反射測定デモ

(a)セットアップ上面
(b)NANOWEB®メタサーフェスフィルムにより反射方向を38°オフセットさせて反射させた信号の、角度ごと反射量。
リファレンスとして一般的な金属反射材を同じ向きに置き反射させた信号での値を記載(マイクロウェーブファクトリー社 角度制御電波測定システムにより計測)

5.3 透明EMIシールド

また、電磁妨害・電波障害からデバイスや人体を保護するEMI(Electromagnetic interference)シールドとしても期待されています。高い導電性から、透明な窓にも、光の透明度を犠牲にする事なく(90%前後)、高いEMIシールド性能(60-70dB)が得られます(図12)。例として、電子レンジの窓は一般的に、金属メッシュにより視界を遮られているため中をモニターしづらいですが、透明EMIシールドがあれば、料理の進み具合も目でモニターしやすくできます(図13)。

図12: 2種類のNANOWEB®デザインでのEMIシールド性能測定値

図12: 2種類のNANOWEB®デザインでのEMIシールド性能測定値

表2: EMIシールド効果と光学透過率

表2: EMIシールド効果と光学透過率

図13: NANOWEB®EMIシールドを使うことで これまでの電子レンジの透明性を改善

図13: NANOWEB®EMIシールドを使うことで これまでの電子レンジの透明性を改善

 

6. まとめ

本稿では、META®社NANOWEB®ナノ構造金属ワイヤメッシュ技術とその透明導電性材料としての用途から、5G向け透明アンテナ、透明電波反射材、EMIシールドといった分野を選び紹介しました。上記メッシュはここで述べた以外にも、高出力の透明ヒータによる曇り/凍結防止やタッチパネルなどの用途でも注目を集めています。ITOなどの現在ある透明導電性材料が、機械的な安定性に乏しく、光学透過率が低く、導電性が低いのが課題となっている中、NANOWEB®とRML®技術を使う事で、これらの課題が克服され、大面積の製品、フレキシブルデバイス向けにもロールツーロールの形式で成膜可能となる事が期待されます。

(参考文献)
1). Aizenberg, J., Rogers, J. A., Paul, K. E. & Whitesides, G. M. Imaging profiles of light intensity in the near field: applications to phase-shift photolithography. Appl. Opt. 37, 2145-2152, doi:10.1364/AO.37.002145 (1998).
2). Roller nanoimprint lithography. 16, 3926-3928, doi:10.1116/1.590438 (1998).
3). Ahn, S. H. & Guo, L. J. High-Speed Roll-to-Roll Nanoimprint Lithography on Flexible Plastic Substrates. 20, 2044- 2049, doi:10.1002/adma.200702650 (2008).
4). Kooy, N., Mohamed, K., Pin, L. T. & Guan, O. S. J. N. R. L. A review of roll-to-roll nanoimprint lithography. 9, 320, doi:10.1186/1556- 276x-9-320 (2014).
5). S. Takahashi, Y. Ikeda, K. Takamasu, Study on nano thickness inspection for residual layer of nanoimprint lithography using near-field optical enhancement of metal tip. CIRP Annals, Vol. 62, 1, (2013), 527-530, doi: 10.1016/j.cirp.2013.03.020.
6). Kobrin, B., Barnard, E. S., Brongersma, M. L., Kwak, M. K. & Guo, L. J. in SPIE MOEMS-MEMS. 11 (SPIE).
7). Moon Kyu, K., Jong, G. O., Jae Yong, L. & Guo, L. J. Continuous phase-shift lithography with a roll-type mask and application to transparent conductor fabrication. Nanotechnology 23, 344008 (2012).
8). Gao, T. et al. Hierarchical Graphene/Metal Grid Structures for Stable, Flexible Transparent Conductors. Acs Nano 9, 5440– 5446 (2015).
9). Kobrin, E. Barnard, M. Brongersma, M. K. Kwak, L. J. Guo, “Rolling Mask” nanolithography – the pathway to large area and low cost nanofabrication,” SPIE Photonics West, January 2012
10). 積水化学工業㈱ ”エレクトロニクス分野向け高機能製品総合サイト” https://www.sekisui.co.jp/electronics/ja/application/film.html

(注釈)
表皮効果:電流は低周波の交流電流や直流電流であれば、導体の断面全体を同程度の密度で流れます。これに対し、高周波電流では、導体内で発生する電磁界の影響により、電流密度が導体の表面に集中してしまい、回路全体の抵抗が増加する原因となる事があります。この現象を表皮効果と呼び、周波数が高く、材料の導電性が大きいほど顕著になります。
位相:振動し伝わっていく波(UV光もここでは波として考えられる)について、ある部分における振動が、振動の1周期のどの部分にあたるかを数値で表したもの。波のある部分の位相を変調する(ずらす)とその部分の波は、他の変調していない波から振動のタイミングがずれます。タイミングのずれた波と波の間では、波の重なり合いによる干渉が生じます。位相シフト法ではこの干渉模様により高解像度のパターンを形成しています。
(参考文献:“位相シフト法を用いた高解像光リソグラフィー技術” 岡崎信次 応用物理 第60巻 第11号(1991) p.1076 https://www.jstage.jst.go.jp/article/oubutsu1932/60/11/60_11_1076/_pdf)
ロールツーロール方式:ロール状に巻かれたフィルムなどの材料を引き出し、生産ラインに連続的に送りながら加工、最終的に再度ロール状に巻き取る生産方式。連続的に(ひとつながりに、切れることなく、また、装置を一時停止する必要なく)生産できるのが特徴。これに対し、シートなどを一枚ずつ処理していくのを枚葉方式、何枚かをまとめて装置に入れ一度に処理するものをバッチ方式などと呼びます。例として30cm x 1mといった大きな面に成膜しようとした時、10~20cm□のシートに成膜したのであればそれを何枚もつなげる必要がありますが、最初からひとつながりに(連続的に)製造できれば、この工程が不要となります。
レジスト:主に、パターニングを伴う工業プロセスにて保護膜として使用される樹脂材料。フォトリソグラフィでは、光を当てるなどの処理により、部分的に溶剤に溶けにくくする性質を持ったものが使われます。これにより、照射した光のパターンに合わせ、樹脂を除去し、精巧な樹脂のマスクを作るといった事が可能となります。

(参考情報)
■Meta Materials Inc. (META®) URL
https://metamaterial.com/
■コーンズ テクノロジー社(Meta Materials社製品一覧ページ)
https://www.cornestech.co.jp/tech/products/maker/mti/
■コーンズ テクノロジー社YouTubeチャンネルより “製品紹介NANOWEB®メタルメッシュ透明導電性フィルム(日本語吹替)”
https://www.youtube.com/watch?v=oPWTZiwMD9s
■コーンズ RF エンジニアリング(コーンズ テクノロジーグループ 電波分野事業のご紹介)
https://crfe.jp/

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