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塑料薄膜为屏蔽电磁场开辟全新应用

发布者:bjzedao 发布日期:2013-12-20

来源:本文翻译自Kunststoffe International作者:JOHANNES SCHAD, HENNING ROST

薄膜—柔软、透明、导电的薄膜已被广泛应用于多种产品,如显示器、触摸按键和触摸屏。由于其特殊的性能,电磁屏蔽领域还将出现新的和有趣的应用。

  

EMI(电磁干扰)屏蔽已成为柔软、导电和透明的塑料薄膜一个非常有意义的应用领域。我们所说的EMI指的是磁场和电场以干扰的形式对电气装置、设备用房和设施的功能造成的不利影响。有效的屏蔽能够保护设备免受磁场、电场和电磁场的影响,反之亦然,周围环境也不会受到此类设备发出的辐射的影响。 

早在数十年前,人们就已经发现了这一不良影响,例如:未抑制的吸尘器或咖啡研磨机会对电视信号的接收产生相对无害的干扰。如今,这种影响将变得更为严重,例如:如果手机的控制单元无意中与机器的控制单元交互,或者工业机器人受到未抑制的电气设备的影响。 

欧洲目前的情况是,电气设备**遵守特殊规定,规定要求它们**具备足够的屏蔽能力。严格的立法标准正是用于应对这一问题。因此,欧盟于1989年推出的EMC(电磁兼容性)指令明确了欧洲各地的电气或电子设备**满足的要求。根据1996年开始强制执行的CE标签和欧盟一致性声明,制造商或进口商**保证,所有投放市场的电子设备满足特定的辐射干扰和抗干扰限值。随着世界各地的日常生活变得越来越机械化,很明显,EMI屏蔽将成为一个需求持续增长的大市场。 

技术背景

众所周知,所有运动电荷都会产生磁场。这些磁场不一定属于研究中的电气装置或在载流介质(电缆线)的附近,它们也可能在特定服务介质之外传播。此类磁场还会渗透其他电器元件,对它们的功能产生重大影响。 

无线电和手机等通信设备通过有计划地发射和/或接收电磁场来利用这种效果。相关电磁频谱如图1所示。 

但是,电磁影响也可能导致不良影响,如上文所述之对敏感电子电路的干扰。就手机而言,这可能会影响信号接收,在*坏的情况下,甚至会导致数据处理过程中的数据丢失。 

  

此时,我们需要区分

● 强电磁辐射的天然来源,如闪电或磁暴; 

● 人工磁场,如电气设备产生的磁场。非用于无线电传输的设备也可以发出干扰,如果它们的电源(尤其是电源开关元件)未被屏蔽或来自设计不当的PCB或未达到标准的LCD时。军事上故意发射的干扰和情报搜集也属于这一范畴。 

目前,电磁场的技术屏蔽主要通过导电屏蔽材料来实现。金属膜或金属片通常用于此处。实际屏蔽通过影响原理发挥作用,即通过改变静电荷。因为电磁波是一个随时间变化的过程,导电屏蔽材料产生的涡流将中和并*终衰减外部电磁场。 

为了屏蔽外壳、开关柜、显示器、计算机和电子装置,所谓的高导磁金属膜、板、片和织物均在市场上有售。高导磁金属,即μ金属,是一种具有高导磁率的弱磁性铁镍合金,具有相当强的屏蔽效果。但是,一定的机械感度仍被视为关键,因为任何变形都将从透气性方面立即和严重削弱其屏蔽性能。 

有鉴于此,以塑料薄膜基材的网状金属片形式出现的导电膜尤为电场和电磁场衰减提供了一个有意义的选择。 

总之,新的导电层技术的发展是目前世界各地的大量研发设施所追求的一个重要课题。他们对透明类型的屏蔽膜的兴趣越来越浓。这一目标可通过成熟的铟锡氧化物(ITO)薄膜技术实现。但是,因为ITO薄膜的某些属性,趋势的方向略有不同。出现这种情况的主要原因之一是,铟在未来可能无法再随意开采。因此,其他寻找ITO技术替代方案的原因也变得相当明显。一方面,各种技术性能,如机械柔韧性、色牢度或层与层之间的高导电性均有待解决。另一方面,人们试图攻克的全新表面和设计理念难以通过现有技术实现。 

新开发的所谓的金属网技术(用于制造薄膜的透明导电层)具有令人关注的和加工优势。该技术完全满足各种特殊的技术要求(机械、电气和光学)。透明的导电EMI屏蔽膜尤其适用于显示元件,如智能手机和平板电脑。 

LC显示屏被视为是辐射领域一个重要的组成部分。这也是为什么透明的导电EMI膜置于智能手机触摸传感器(盖板玻璃)和无屏蔽LCD表面之间的原因。例如,防止LCD噪音(图2)对触摸传感器产生不良影响。 

  

导电结构

纯金属或其他更复杂的化合物可用于塑料薄片的导电层。这些材料包括: 

● 贵金属,如银或铜 

● 非化学计量氧化锡、锌、铟化合物,如氧化铟锡混合物(ITO) 

● 铝掺杂氧化锌 

● 氟掺杂金属氧化物。 

ITO可通过各种方法以超薄层的形式应用于塑料膜,如真空蒸镀法、溅射法、离子镀法和化学气相沉积(CVD)。但是,当提及上述一些实例时,应当指出的是,如果以金属网的形式出现的结构表面适用的话,广泛应用的导电层需要通过化学刻蚀方法进行后续构造。 

因此,*经济有效也是*吸引人的金属网制造方法是将所需的结构通过卷对卷工艺直接应用于塑料载体薄膜。 

例如,Leonhard KurzStiftung& Co. KG的子公司—总部设在德国菲尔特的PolyIC GmbH & Co. KG专门提供具有屏蔽功能的薄膜,其品牌名为PolyTC。这些薄膜包括聚酯薄膜上的超薄金属网。除了电磁屏蔽功能,它们还具有高度灵活性,在可见光下呈透明状。这一特性使它们能够在光学要求高的地方使用(例如:显示器和监视器)(图3)。 

  

这些薄膜*初作为基底材料用于印刷电子行业。它们以结构形式出现时可作为电极材料或导体路径成功应用于可印刷的无线标签(RFID标签)、智能对象、可印刷的有机太阳能电池或可印刷的存储器。事实证明,这种结构透明和高导电性的薄膜可成功应用于汽车领域,如显示器、超薄透明加热元件和触摸传感器的。目前,事实已经证明,这些薄膜可凭借其柔韧性应用于曲线表面。任何方法,例如:层压或注塑成型,均可用于进一步加工薄膜。 

PolyTC薄膜使用卷对卷方法而成,并以透明塑料膜金属网的形式提供高分辨率导电表面。如前所述,聚酯,特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),是基材*自然的选择,因为它有许多有意义的特性:轻薄、柔软、高度透明,在热稳定状态下甚至还可批量并且价格极具吸引力。 

典型的金属网状结构导体路径的宽度为10微米。由于该结构分辨率较高,人们无法通过肉眼看见。这一工艺使薄膜的透明度和导电性由导电材料覆盖薄膜的程度来**地设定。*终结果是超薄金属层以客户指定的排列形式出现。仅5-10%的表面覆盖率即可获得非常高的光学透明度和所需的导电性。因此,该薄膜具备的优势是,它们可在满足透明度要求的同时作屏蔽膜之用,特别是在显示器和窗膜应用时。 

此外,其他层,如接触改善层和保护层,均可用于金属网薄膜制成品(表1)。 

  

电磁波的衰减效果在很大程度上取决于导电涂层的结构,因此PolyTC薄膜在这一方面具有很大的优势,因为它们可根据客户需求进行配置。金属网可设计成菱形、方形或六边形,并且表面电阻可进行个性化设置。 

EMI屏蔽膜的衰减可根据ASTM D 4935标准通过所谓的衰减测量进行检测。本文将研究中的导电膜的电磁传输与由相同厚度相同材料制成的无屏蔽控制样本的电磁传输进行了对比,如,空白塑料薄膜(0 dB衰减量)。两个衰减值的磁场强度衰减效果取决于其频率。这种测量方法的优势是,测量电磁远场所需的设置非常简单。 

透明的结构PolyTC薄膜(铜网PET薄膜)的测量典型值列于图4。在30-4000MHz频率范围内(相当于正处在GSM、UMTS、WLAN和WiMAX等无线通信的核心覆盖范围之内)检测到的衰减量为30dB上下(相当于99.9%的屏蔽效果)。 

  

结论

具有金属网涂层的塑料薄膜,即所谓的金属网薄膜,为屏蔽电磁场开辟了一个全新的前景。凭借其高光学透明性和屏蔽效果,它们还可应用于全金属膜无法使用的领域。 

 

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