RU221894U1 - Радиоэкранирующее оптически прозрачное устройство - Google Patents

Abstract

Полезная модель предназначена для использования в составе элементов остекления и средств визуального отображения информации с целью обеспечения электромагнитной совместимости, с целью предотвращения удаленного считывания информации, с целью нарушения прохождения радиосигналов внутрь и извне защищенных помещений. Радиоэкранирующее оптически прозрачное устройство, представляющее собой электропроводящую сетку, углубленную в прозрачную основу, либо сформированную на поверхности прозрачной основы, при этом геометрия сетки представляет собой релаксированную диаграмму Вороного множества точек, равномерно случайно распределенных на плоскости для придания сетке большей однородности; при этом проводники, образующие сетку, имеют прямоугольное либо трапецеидальное сечение, размерные параметры сетки, число многогранников на единицу площади, ширина проводника, толщина сетки определяются в зависимости от заданной частотной зависимости коэффициента экранирования, требований к оптическим свойствам, в частности от угловой зависимости коэффициента пропускания и электрических свойств материала, образующего сетку; толщина материала и другие параметры устройства определяются по приведенным формулам. Полезная модель позволяет обеспечить электромагнитную совместимость, с целью предотвращения удаленного считывания информации, с целью нарушения прохождения радиосигналов внутрь и извне защищенных помещений.

Description

Полезная модель предназначена для использования в составе элементов остекления и средств визуального отображения информации с целью обеспечения электромагнитной совместимости, в качестве прозрачного электрода, с целью предотвращения удаленного считывания информации, с целью нарушения прохождения радиосигналов внутрь защищенных помещений и из защищенных помещений.

Для эффективного подавления распространения электромагнитного излучения, несущего информационную нагрузку (например - для подавления утечек по сторонним каналам либо для подавления средств связи в защищенных помещениях) от экранирующих материалов требуются высокие значения коэффициента экранирования [1-2] (порядка 50 дБ и выше). В случае тонкого сплошного проводника это означает, что поверхностное сопротивление должно составлять порядка 0,2 Ом и менее. Из существующих решений достаточно высокий коэффициент экранирования на низких частотах (до 1 ГГц) электромагнитного излучения (ЭМИ) при высокой прозрачности в видимом диапазоне длин волн ЭМИ могут обеспечить только электропроводящие сетки (в частности, см. патентные публикации US 2009133922 (А1) от 28.05.2009 «Light transmitting condactive film, light transmitting electromagnetic wave shielding film, optical filter and method of producting display filter» и US 2011175065 (A1) от 21.07.2011 «Photovoltaic device having transparent electrode formed with nanoparticles»). Однако, с ростом частоты электромагнитного излучения экранирующая способность сеток снижается, и этот эффект, в значительной мере, определяется геометрией сетки. Существующие решения, основанные на создании сеток, ориентированы на обеспечение низкого статического поверхностного сопротивления материала (так, решение, приведенное в US 2011175065 (А1), позволяет создавать системы с поверхностным сопротивлением от 5 мОм), но, в силу геометрии получаемых описанными способами сеток (а именно - в силу ограничений размеров элементов сетки и аспектного отношения проводников), данные решения, как будет показано ниже, недостаточно эффективны в СВЧ-диапазоне. Использование прозрачных экранирующих материалов совместно с дисплеями может приводить к образованию муаровых узоров. Для снижения вероятности проявления данного эффекта можно придавать структурным элементам материала как более предпочтительную ориентацию (см. US 2009133922 (А1)), так и размеры, существенно отличающиеся от размеров субпикселей. Однако, такие подходы основаны на допущении об особенностях дисплея. Более универсальным решением представляется придание сетке разупорядоченной структуры (как в случае решения, описанного в патентной публикации US 2011175065 (А1)). Вместе с тем, в тех случаях, когда нет возможности использовать для создания сеток эффекта самоорганизации и необходимо формировать сетку на основании заранее заданной геометрии (например, при использовании для ее формирования литографии), может оказаться необходимо ограничить размер геометрии сетки некоторой разумной величиной, вместо того, чтобы задавать структуру, разупорядоченную в масштабах всего изделия. При этом, в случае использования при производстве сетки процесса штамповки с использованием штампа в форме валика, необходимо обеспечить отсутствие разрывов рисунка на валике.

Задачей полезной модели является устранение отмеченных недостатков.

Технический результат, на достижение которого направлена данная полезная модель, заключается в обеспечении сочетания высокой прозрачности в видимом диапазоне длин волн ЭМИ (коэффициент светопропускания не менее 60%) и очень высокого коэффициента экранирования (до 50 дБ и выше) в широком диапазоне частот СВЧ-излучения (на частотах менее 10 ГГц), что характерно для существующих непрозрачных материалов. Отличительными особенностями данной сетки являются способ генерации геометрии сетки для последующего изготовления литографическим способом и геометрические параметры.

Техническое решение представляет собой оптически прозрачный материал, имеющий в своем составе:

- оптически прозрачную основу;

- сетку из материала с высокой электропроводностью.

Прозрачная основа предпочтительно состоит из стекла или прозрачного полимерного материала.

Для увеличения угла обзора можно использовать прозрачную основу из материала с высоким показателем преломления. Эффект достигается за счет того, что, согласно закону Снеллиуса, в среде с большим показателем преломления свет распространяется под меньшим углом к нормали. Однако, повышение величины коэффициента преломления основы также приводит к повышению отражения на ее границе с окружающей средой вследствие рассогласования волновых сопротивлений. Для компенсации этого нежелательного эффекта могут быть использованы просветляющие покрытия.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведены конструкция электропроводящей сетки и конструкция ее отдельной ячейки, где w - ширина проводника, h - толщина проводника.

На фиг.2 приведена угловая зависимость коэффициента светопропускания в геометрическом приближении релаксированной сетки Вороного и эквивалентной идеальной гексагональной сетки с площадью ячейки 756.25 мкм², w=1.5 мкм, h=14 мкм.

На фиг.3 приведена разность угловых зависимостей коэффициентов светопропускания в геометрическом приближении релаксированной сетки Вороного и эквивалентной идеальной гексагональной сетки с площадью ячейки 756.25 мкм², w=1.5 мкм, h=14 мкм.

Электропроводящая сетка либо углублена в прозрачную основу и может простираться как на всю глубину основы, так и на ее часть, либо может быть сформирована на поверхности основы, так как существенным для функционирования предлагаемого устройства являются размеры сечения и геометрия электропроводящей сетки, а не ее расположение по глубине относительно поверхности прозрачной основы.

Электропроводящая сетка должна иметь геометрию, разупорядоченную относительно находящихся под ней структурных элементов. В случае фиксации на поверхности дисплея, такими элементами являются субпиксели. Предпочтительно, чтобы геометрические параметры элементарных ячеек электропроводящей сетки были разупорядочены во всех направлениях, что позволит ее использовать с любыми подстилающими структурами без образования муаровых узоров. Также допустимо, чтобы геометрия сетки была периодизирована по одному или двум направлениям, при этом она должна быть разупорядочена в рамках элементарной ячейки.

Геометрия электропроводящей сетки может быть образована диаграммой Вороного [4] набора точек, случайно распределенных внутри элементарной ячейки с однородной плотностью вероятности на плоскости, и подвергнутой релаксации с целью обеспечения близости значений площадей отдельных ячеек для повышения оптической однородности сеток, например -с использованием алгоритма Ллойда [5]. Диаграмма Вороного представляет собой результат разбиения плоскости на области, каждая из которых соответствует множеству точек плоскости, наиболее близких одной из множества точек, для которых строится диаграмма Вороного.

В настоящей полезной модели это метод разбиения поверхности на ячейки, стороны которых составляют сетчатую структуру, т.е. разбиение Вороного используется для получения топологии сетки.

Релаксация диаграммы Вороного необходима для придания сетке большей однородности; без релаксации сетка с геометрией, образованной описанным способом, будет демонстрировать существенную пространственную неоднородность своих свойств, включая неоднородность светопропускания.

Площади любых двух многогранников, образующих сетку, для обеспечения оптической однородности устройства по его площади должны отличаться не более чем в 2 раза.

Проводники, образующие сетку, предпочтительно имеют прямоугольное сечение. В случае технологической необходимости допускается трапецеидальное сечение.

Размерные параметры сетки, т.е. число многогранников на единицу площади, ширина проводника, толщина сетки определяются в зависимости от заданной частотной зависимости коэффициента экранирования, требований к оптическим свойствам, в частности, угловой зависимости коэффициента прохождения и электрических свойств материала, образующего сетку.

Оптические и электрические характеристики материала, геометрия которого построена на основе глубоко релаксированной диаграммы Вороного, близки к соответствующим характеристикам материала с геометрией, основанной на гексагональной решетке с аналогичными размерными параметрами. В частности, угловая зависимость коэффициента светопропускания в геометрическом приближении различается не более, чем на несколько процентов (см., например, фиг.2 и фиг.3). Поэтому для описания особенностей заявляемого технического решения можно использовать соответствующие характеристики материала с гексагональной решеткой, рассчитываемые аналитически. Так, угловая зависимость коэффициента светопропускания для гексагональной решетки может быть выражена аналитически [6]:

где - длина внутреннего ребра гексагональной ячейки, - ширина проводника, - угол падения света.

В случае, когда наложены ограничения на минимальное значение коэффициента светопропускания и на минимальное значение коэффициента экранирования в низкочастотном пределе (длина электромагнитной волны много больше толщины материала), для приближенной оценки минимальной толщины материала может быть использована следующая формула:

где - волновое сопротивление вакуума, - эффективная удельная электропроводность материала сетки, - максимальный коэффициент прохождения [3] по нормали в низкочастотном пределе, - минимальный коэффициент светопропускания по нормали. Так, для меди при и она дает оценку

Значение коэффициента экранирования материала ограничено сверху значением коэффициента экранирования сетки из идеального проводника аналогичной геометрии. Коэффициент прохождения нормально падающей электромагнитной волны такой сеткой при длине волны, существенно шире элемента сетки (на порядок и более), имеет обратно-квадратичную зависимость от длины волны. Для диапазона частот от 0,3 ГГц до 10,0 ГГц, диапазона толщин сетки от 0,5 мкм до 10 мкм, диапазона ширин проводника от 0,5 мкм до 2,5 мкм при площади элемента 260 мкм² (а также пропорционально масштабированных значениях этих величин) коэффициент прохождения S₂₁ гексагональной сетки из идеального проводника описывается следующими уравнениями [6]:

где S - площадь элемента сетки, λ - длина волны, w - ширина проводника сетки, h - толщина сетки, k_i (i = 1, 2, 8) - эмпирические коэффициенты. Коэффициент экранирования SE, в свою очередь, связан с коэффициентом прохождения следующим образом:

Таким образом, требования к величине коэффициента экранирования на различных частотах накладывают дополнительное ограничение на значения геометрических параметров сетки, следующие из приведенных выше уравнений.

Материал, образующий сетку, предпочтительно является металлом или сплавом. По крайней мере один из проводящих материалов, образующих сетку, должен обеспечивать максимально высокую электропроводность сетки. По крайней мере одна из фаз, образующих сетку, может обладать высоким значением магнитной проницаемости в рабочем диапазоне частот (это позволяет увеличить коэффициент экранирования на более низких частотах за счет уменьшения толщины скин-слоя). Внешняя поверхность сетки должна быть образована материалом, обладающим коэффициентом отражения в видимом диапазоне, отличающимся на разных частотах не более, чем на 20%. Предлагаемое решение, по сравнению с материалами на основе прозрачных полупроводниковых оксидов, металлических нанопроводов и графена, обеспечивает сочетание высокой прозрачности в видимом диапазоне и очень высокого коэффициента экранирования в широком диапазоне частот до 50 дБ и выше, что характерно для существующих непрозрачных материалов.

Возможность достижения технического результата при осуществлении полезной модели подтверждается результатами расчетов по приведенным выше соотношениям, а также результатами исследований экспериментального образца.

Исходя из технических требований к устройству (коэффициент экранирования не менее 50дБ в широком диапазоне частот СВЧ излучения (10 МГц - 10 ГГц) и коэффициент светопропускания не менее 60%) были рассчитаны параметры гексагональной сетки.

Для приближенной оценки минимальной толщины материала сетки, воспользовавшись требованиями к минимальному коэффициенту экранирования в низкочастотном диапазоне (10 МГц - 0,3 ГГц) и коэффициенту светопропускания, согласно формуле (4), была определена минимальная толщина проводников h_min ≈ 0,84 мкм (при удельной электропроводности тонкого слоя серебра σ = 5⋅10⁶ См/м).

Подбор оптимальных геометрических параметров гексагональной сетки проводился исходя из наложенных ограничений на коэффициент экранирования в диапазоне 0,3 ГГц - 10 ГГц, на основе формул (1)-(3) и (5)-(9):

- толщина сетки из проводника - 16,24 мкм;

- длина внутреннего ребра гексагональной ячейки - 11,83 мкм;

- ширина проводника сетки- 4,47 мкм.

В качестве сведений, подтверждающих возможность получения при осуществлении заявляемой полезной модели технического результата для приведенных выше параметров сетчатой структуры, были проведены расчеты (численные эксперименты), которые показали, что предлагаемая полезная модель обеспечивает коэффициент экранирования 50,10 дБ в диапазоне 0,3 ГГц - 10 ГГц и коэффициент светопропускания 68%.

Помимо этого, полезная модель была осуществлена в виде сетки серебра на кварцевой подложке [7]. Для подтверждения возможности достижения технического результата были проведены экспериментальные исследования коэффициентов экранирования и светопропускания. Топология сетки формировалась разбиением Вороного на основе геометрических параметров, рассчитанных выше.

Для экспериментальной оценки радиотехнических свойств полученного образца были проведены измерения эффективности экранирования: коэффициента экранирования. Измерения проводились в диапазоне частот от 10 МГц до 7 ГГц на специализированном измерительном стенде на базе векторного анализатора цепей FieldFox N9916A (Keysight Technologies, Санта-Роза, Калифорния, США) в коаксиальном тракте (тип II). Значение SE определяли из коэффициента передачи S₂₁ пути с образцом по отношению к коэффициенту передачи S₂₁ пути без образца. Экспериментальное среднее значение коэффициента экранирования в диапазоне частот 0,3 Гц - 7 ГГц составило 54,4 дБ.

Коэффициент пропускания в видимом диапазоне длин волн от 380 до 780 нм определялся на спектрофотометре Shimadzu UV-3600i Plus (SHIMADZU CORPORATION, Киото, Япония) с разрешением 1 нм при нормальном падении света на образец. Экспериментальное значение коэффициента светопропускания в диапазоне длин волн 380 - 780 нм составило 64,10%.

Различие рассчитанных и определенных экспериментально значений оказалось незначительным и составило 4,3 дБ для коэффициента экранирования и 3,90% для коэффициента светопропускания. Данное различие может быть обусловлено неоднородностью изготовления сетчатой структуры (ее геометрических параметров), а также пористой структурой осажденного серебра.

По сравнению с прототипом, представленная полезная модель предлагает конкретный способ формирования геометрии сетки в виде диаграммы Вороного и обеспечивает высокую пространственную однородность оптических и электрофизических свойств устройства. Полезная модель может быть скомплексирована с другими материалами с образованием производных устройств. В частности, она может быть соединена с прозрачной подложкой.

Источники информации

1. ASTM D4935-18. Standard Test Method for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Planar Materials. 2018. 11 p.

2. ГОСТ 12.4.306-2016. Система стандартов безопасности труда. Комплект экранирующий для защиты персонала от электромагнитных полей радиочастотного диапазона. Методы испытаний. - Введен впервые; введ. 01.09.2017.- 20 с.

3. Никольский В. В. Теория электромагнитного поля. - М.: «Высшая школа», 1961.-372 с-С.193-194.

4. М. I. Shamos and D. Hoey, "Closest-point problems," 16th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (sfcs 1975), USA, 1975, pp.151-162, doi: 10.1109/SFCS.1975.8.

5. Lloyd S. Least squares quantization in PCM // IEEE Transactions on Information Theory. - 1982. - март.- т.28, №2. - с. 129-137.

6. P.P. Shiriaev, D.S. Ryzhenko, M.O. Makeev and O.V. Popkov. Simulation of transparent electromagnetic interference shielding materials based on periodic conductive networks // Journal of Physics: Conf. Ser. 2019. V. 1410. 012206.

7. Osipkov, A.; Makeev, M.; Konopleva, E.; Kudrina, N.; Gorobinskiy, L.; Mikhalev, P.; Ryzhenko, D.; Yurkov, G. Optically Transparent and Highly Conductive Electrodes for Acousto-Optical Devices. Materials 2021, J4, 7178.

Claims (10)

1. Радиоэкранирующее оптически прозрачное устройство, представляющее собой электропроводящую сетку, сформированную на поверхности прозрачной основы, так что геометрия данной сетки представляет собой релаксированную диаграмму Вороного множества точек, при этом проводники, образующие сетку, имеют прямоугольное сечение, сетка имеет гексагональную форму, при этом, минимальная толщина материала сетки определяется по формуле:
3. где Z₀ - волновое сопротивление вакуума, σ - эффективная удельная электропроводность материала сетки, T_rf - максимальный коэффициент пропускания по нормали в низкочастотном пределе, T_opt - минимальный коэффициент светопропускания по нормали;
4. а коэффициент экранирования сетки определяется как:
5. дБ,
10. где S - площадь элемента сетки, λ - длина волны, w - ширина проводника сетки, h - толщина сетки, k_i при i=1, 2, …, 8 - эмпирические коэффициенты.