Прозрачные электромагнитные экраны в видимом диапазоне света Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПРОЗРАЧНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЭКРАНЫ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ СВЕТА

Виталий Залесский,

директор Физико-технического института НАН Беларуси,

доктор физико-математических наук

Александр Волочко,

начальник отдела материаловедения и литейно-деформационных технологий Физико-технического института НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор

Геннадий Марков,

старший научный сотрудник Физико-технического института НАН Беларуси, кандидат технических наук

Персональные компьютеры (ПК), а также все электронные системы, приборы и устройства излучают электромагнитные волны в самом широком диапазоне радиочастот, а современная высокочувствительная аппаратура способна перехватывать и расшифровывать информацию, содержащуюся в этом излучении. Серьезный недостаток большинства использующихся средств переработки данных - возможность исказить, уничтожить сведения, хранящиеся в их памяти. В связи с этим существует острая необходимость в применении различных мер по защите самых разнообразных электронных объектов от несанкционированного съема информации, содержащейся в них, или возможного внешнего воздействия. Одна из основополагающих мер такой защиты - экранирование электронных объектов [1].

Практически все электронные устройства имеют в своем составе мониторы, на экраны которых выводятся данные, необходимые пользователю, их светящаяся матрица - активный излучатель электромагнитных волн в радиочастотном диапазоне, поэтому ее необходимо закрывать прозрачным в видимом диапазоне света электромагнитным экраном, который бы перекрывал излучающее окно монитора, имеющего высокую эффективность экранирования в радиочастотном диапазоне и прозрачного в видимом диапазоне света, для того чтобы позволять оператору видеть всю информацию, отображаемую на экране монитора, причем в полной цветовой гамме.

Высокая эффективность экранирования в радиочастотном диапазоне достигается применением материалов с высокой электропроводностью. Например, для жидкокристаллической матрицы существует несколько технических решений: мелкоячеистая металлическая сетка с диаметром проволоки не более 0,01 мм, стеклопакет, наполненный прозрачной электропроводящей жидкостью, стекло с нанесенным на него прозрачным электропроводящим покрытием.

Применение металлической сетки, несмотря на большую сложность изготовления экрана, позволяет достигнуть высоких значений эффективности экранирования - порядка 35-40 дБ в интервале от 10 кГц до 20 ГГц.

Вместе с тем ее светопропускание ограничивается 40-50%, а при использовании очень часто появляются волны муара, резко снижающие контрастность изображения и сильно утомляющие оператора.

Часто используют стеклопакет, заполненный прозрачной электропроводящей жидкостью, но у него низкая эффективность экранирования (порядка 5-15 дБ), он крайне неудобен

в эксплуатации и снижает четкость изображения, хотя обладает хорошим светопропусканием (на уровне 70-80%).

Для экранирования жидкокристаллических матриц мониторов чаще всего применяют стекла с нанесенным на его поверхность прозрачным электропроводящим покрытием. Практически все мировые производители в этом качестве используют покрытия системы оксид индия -оксид олова (ITO-сплав) [2, 3] со светопропусканием 70-80%, хорошими адгезионными и удовлетворительными коррозионными свойствами. Вместе с тем их поверхностное электросопротивление обычно не менее 15-20 Ом/квадрат, а эффективность значима только на частотах 100 кГц и выше, что обусловлено тем, что данные оксиды - полупроводники с электропроводимостью примесного характера.

Результаты более тщательного анализа работы, путей совершенствования и поиск возможностей увеличения эффективности прозрачных в видимом свете электромагнитных экранов позволяют сделать вывод, что наиболее совершенной и востребованной их конструкцией будет стекло с нанесенным на его поверхность прозрачным электропроводящим покрытием. В Физико-техническом институте НАН Беларуси (ФТИ) осуществлены основополагающие исследования по изготовлению экранов путем нанесения на стекло и пластик многослойных покрытий, содержащих слои оксидов и чистых металлов. Последние за счет высокой электропроводности выполняют экранирующую функцию, а первые из-за интерференции -просветляющую. Из металлов с высокой электропроводностью наиболее подходящие - медь, никель, серебро, золото, поскольку плотность свободных электронов у таких чистых металлов на два порядка больше, чем у ITO-сплавов (на основе оксидов индия). То есть следует ожидать, что эффективность экранирования покрытий, содержащих такие слои, будет в 1,3-1,7 раза больше, чем у ITO.

Авторы разработки руководствовались предположением, что несколько слоев металла (пусть и небольшой толщины) будут более эффективны, чем один толстый слой. Кроме того, учитывалось, что превышение данного показателя приводит к резкому уменьшению пропускания света. Вместе с тем, если покрытия из ITO-сплавов обладают большим пропусканием света (не менее 70%) видимого диапазона, слои чистых металлов, имея большое отражение и поглощение света, наоборот, пропускают

мало света. Так, для примера результаты исследования зависимости пропускания (T) и отражения (R) от толщины слоя никеля, нанесенного на стекло, представлены на рис. 1. Из него следует, что при толщине никеля более 20 нм Т<40%, а R>20%. Экран с такими оптическими характеристиками не позволяет видеть отображаемую на мониторе цветовую картинку. Вместе с тем поверхностное электросопротивление такого покрытия составит 12-15 Ом/квадрат.

Если вместо никеля нанести такой же толщины слой серебра, то T~35%, R~30%, а поверхностное электросопротивление будет равно 2-2,5 Ом/квадрат. Расчет эффективности экранирования такого покрытия показывает, что для частот 100 кГц и больше электропроводность будет составлять 25-27 дБ. Достаточно привлекательная величина, чтобы постараться достигнуть ее на практике при одновременном увеличении пропускания до 50-55% и уменьшении отражения до 2-5%.

Для того чтобы разработать покрытие с такими параметрами, проанализируем зависимости удельных электропроводностей меди, серебра, золота от толщины покрытия (рис. 2). Из них следует, что при его увеличении до 10 нм эти показатели практически одинаковы, до 15-22 нм - наблюдается резкое повышение удельной электропроводности до значений (1-2)-107 Ом-1-м-1и при дальнейшем увеличении толщины она достигает насыщения.

Рассмотрим результаты исследования пропускания покрытий, содержащих слои оксида циркония и меди с никелем. Первые наносились с целью уменьшить отражение от слоев меди и никеля (рис. 1, 3).

Рис. 1.

Зависимости пропускания (А) и отражения (Б) света от длины волны

для покрытий системы Ni-ZrO2:

"5 нм Ni,

™ 10 нм Ni,

™ 20 нм Ni, м 20 нм Ni +70 нм ZrO2

Рис. 2.

Зависимости электропроводности от толщины слоя металла

м серебро, м медь, м золото,

Рис. 3.

Зависимости пропускания света (T) от длины волны (А) для экранов с покрытиями системы Cu-ZrO2

Рис.4.

Зависимости отражения (R) электромагнитного излучения радиочастотного диапазона от длины (А) волны (частоты) для экранов с покрытиями системы Cu-ZrO2

Рис.5.

Зависимости поглощения электромагнитного излучения радиочастотного диапазона от длины волны (частоты) для экранов с покрытиями системы Cu-ZrO2

о

А т, %

20

h, нм

40

50

20

8.5

3.5

9.5

2.5

10

2

11

1,5

11,5

1

12 f, ГГц 0,5 А, нм

Рис.3-5: ™ 40Cu;

" 40Cu+75ZrO2;

" 20 Cu+75ZrO2+20Cu+75ZrO2;

™ 10Cu+75ZrO2+10Cu+75ZrO2+10Cu+75ZrO2+10Cu+75ZrO2; " 20Cu+75ZrO2;

™ 10Cu+75ZrO2

железо

30

10

5

Из данных, представленных на рис. 1, следует, что у однослойного покрытия из никеля толщиной 20 нм пропускание не превышает 42-45%, а отражение составляет не менее 20%. При нанесении оксида циркония эти показатели соответственно увеличиваются до 57-60% и уменьшаются до 7-8%. Несмотря на достаточно большое пропускание, такой экран из-за

сильного отражения не позволит комфортно работать, например с монитором компьютера.

Экран с однослойным покрытием из меди толщиной 40 нм пропускает свет не более 8% (рис. 3). При нанесении поверх меди просветляющего слоя оксида циркония толщиной 75 нм пропускание увеличивается в среднем до 11-12%. Если разделить слой меди толщиной 40 нм на два по 20 нм и между ними расположить слой оксида циркония, средняя величина пропускания в интервале длин волн 500-700 нм достигнет значений 37-40%. При этом эффективность экранирования двух слоев меди, каждый толщиной по 20 нм, разделенных слоем оксида циркония, будет выше, чем у одного толщиной 40 нм (рис. 4, 5).

Исходя из приведенных данных, была построена базовая архитектура прозрачного в видимом диапазоне света электропроводящего экранирующего покрытия, которая имеет вид: стекло+^Ю2, HfO2, TiO2)+Ni+

+(ZrO2, HfO2, TiO2)+Au+Ni+(ZrO2, НЮ2, ТЮ2).

Результаты расчета с использованием программы «Multyspektrum» показывают, что можно подобрать такую толщину слоев, когда пропускание света экраном для А=580 нм будет не менее 62-63%, а отражение - не более 1+2%. При этом поверхностное электросопротивление экрана составит 2,5-3 Ом/квадрат, а эффективность экранирования (100кГц - 10ГГц) с учетом электрических и магнитных свойств металлических слоев - 27-30 дБ.

При длительной эксплуатации подобных экранов немаловажную роль играет коррозионная стойкость покрытия. Поэтому для их изготовления необходимо применять никель и золото.

На базе ФТИ НАН Беларуси организовано инновационное производство прозрачных в видимом свете электромагнитных экранов для компьютерных мониторов и других электронных устройств. Эффективность их экранирования не менее 25-27 дБ в интервале 100кГц и выше. Пропускание света на длине волны 580 нм не менее 55-60%. Этих параметров достаточно для защиты от несанкционированного доступа к информации, хранящейся в компьютере, и комфортной работы оператора. ЕЗ

http://innosfera.by/2017/04/Electromagnetic_screens

ЛИТЕРАТУРА

1. Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования.- Л., 1975.

2. Kostlin H., Jost R., Lems W. // Phys. Stat. Solidi. 1975. Vol.29, N1.P 87-93.

3. Полонский Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА - М., 1979.