In der zweiten Auflage des Berichts „Optische und Hochfrequenz-Metamaterialien 2024–2034: Märkte, Akteure, Technologien“ untersucht IDTechEx umfassend die aufstrebende Technologie elektromagnetischer Metamaterialien. Basierend auf Interviews mit Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette und der bestehenden Forschung von IDTechEx zu Optik, Telekommunikation und neuen Materialien bewertet der Bericht den Markt für optische und Hochfrequenz-(HF-)Metamaterialien in verschiedenen Anwendungsbereichen. Er analysiert die Anforderungen der einzelnen Anwendungen und enthält Fallstudien etablierter Marktteilnehmer.
Der Bericht identifiziert rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS) in der Telekommunikation und Metalinsen in Smartphone-Kameras als bedeutende Chancen. Durch eine detaillierte Segmentierung bietet er einen umfassenden Überblick über den Marktstatus und das Potenzial der einzelnen Anwendungen. Prognosen zufolge wird der globale Markt bis 2034 ein Volumen von 14,9 Milliarden US-Dollar erreichen. Treiber dieses Wachstums sind die Verbesserung biometrischer Sensoren in Smartphones durch Metalinsen und der zunehmende Einsatz der 5G-mmWave-Technologie, wodurch die Verbreitung von RIS beschleunigt wird.
Die 10-Jahres-Prognose von IDTechEx unterteilt den Markt für EM-Metamaterialien in die folgenden wichtigen Segmente. Weitere Analysen finden sich im Bericht „Optische und Hochfrequenz-Metamaterialien 2024–2034: Märkte, Akteure, Technologien“. Quelle: IDTechEx
Markt für RF-Metamaterialien (Hochfrequenz)
Hochfrequenz-Metamaterialien finden in zahlreichen Branchen Anwendung, darunter Telekommunikation, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie Sicherheitstechnik. Sie können in rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen (RIS) eingesetzt werden, um elektromagnetische Strahlung zu reflektieren, auszurichten und abzuschirmen und so die geringere Reichweite hochfrequenter Signale auszugleichen. Darüber hinaus ermöglichen sie in der Radarstrahlformung die aktive Lenkung elektromagnetischer Strahlung zur Verbesserung der Winkelauflösung. Dies könnte insbesondere für Radarsysteme in der Automobilindustrie von Vorteil sein. Hochfrequenz-Metamaterialien eignen sich auch zur effektiven Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen, wodurch die Sicherheit durch Verhinderung von Signalverlusten erhöht wird. Zudem können sie frequenzselektiv eingesetzt werden, um transparente Abschirmungen zu erzeugen. Hochfrequenz-Metamaterialien bergen auch Potenzial für medizinische Anwendungen wie die Magnetresonanztomographie (MRT) und die nicht-invasive Blutzuckermessung.
Laut Prognosen von IDTechEx wird der größte Markt für HF-Metamaterialien der Bereich rekonfigurierbarer intelligenter Oberflächen (RIS) für 5G mmWave und zukünftige 6G-Kommunikation sein. Sowohl 5G mmWave als auch 6G bieten erhebliche Vorteile, wie beispielsweise die Möglichkeit, die große Bandbreite zu nutzen, um Spitzendatenraten von Gigabit bis Terabit pro Sekunde bei gleichzeitig extrem niedriger Latenz zu unterstützen.
Die Nutzung des Hochfrequenzspektrums birgt jedoch Herausforderungen wie die sehr geringe Reichweite des Signals (Zentimeter bei Frequenzen über 100 GHz) und Sichtverbindungsprobleme. Die Überwindung von Signalbeeinträchtigungen und die Gewährleistung einer zuverlässigen Kommunikation über angemessene Entfernungen sind für beide Technologien von höchster Priorität, insbesondere in dicht besiedelten Stadtgebieten, wo eine ständige Konnektivität trotz dieser Hindernisse unerlässlich ist.
Der Aufbau zahlreicher Basisstationen ist für eine ausreichende Netzabdeckung in Hochfrequenzbereichen wie 5G mmWave und 6G nicht kosteneffizient. Im Gegensatz dazu können Metamaterial-SIFs Signale reflektieren und gezielt zu den Endnutzern lenken, wodurch Reichweite und Signalstärke erhöht und gleichzeitig der Energieverbrauch minimiert werden. Darüber hinaus kann die Integration von Metamaterial-Beschichtungen in Fenster die Signalabdeckung verbessern, indem die Lichtstrahlen in urbanen Gebieten um Hindernisse herum reflektiert werden. Diese Lösungen bieten eine umfassende Abdeckung und eröffnen vielfältige Möglichkeiten zur Materialintegration.
Markt für optische Metamaterialien
Relativ einfache optische Metamaterialien, die auf der Biomimikry von Mottenaugenstrukturen basieren, werden seit geraumer Zeit als Antireflexbeschichtungen (AR-Beschichtungen) auf hochwertigen Kameraobjektiven eingesetzt. Es wird jedoch erwartet, dass Metalents, die mithilfe von Halbleiterverfahren hergestellt werden, einen enormen Einfluss haben werden, zunächst aufgrund ihrer Fähigkeit, die Leistung von Computer-Vision-Systemen zu verbessern.
Im Jahr 2022 wurden die Metalinsen von Metalenz erstmals kommerziell in Time-of-Flight-Sensoren (ToF) von STMicroelectronics eingesetzt. Die Metalinsen verbesserten dabei die Lichterfassungsleistung und ermöglichten gleichzeitig eine kompaktere Bauweise als die zuvor verwendeten Optiken. Der größte Vorteil der Metalinsen liegt in ihrer Fähigkeit, zusätzliche optische Funktionen wie Polarisationsbildgebung auf kleinstem Raum zu integrieren. Dies birgt enormes Potenzial für die Gesichtserkennung in Smartphones und könnte die Gesichtserkennung schon bald auch auf Smartphones anderer Hersteller als Apple ermöglichen. Metalenz kündigte Ende 2023 Sensormodule speziell für diese Anwendung an.
Es wird erwartet, dass flüssigkristallbasierte Metalinsen einen bedeutenden Einfluss auf Virtual-Reality-Headsets haben werden, wo sie zur Lösung des Vergenz-Akkommodations-Konflikts eingesetzt werden könnten und diesen Geräten helfen, den „visuellen Turing-Test“ zu bestehen. Darüber hinaus könnten aktive optische Metalinsen dazu beitragen, LiDAR kompakter zu gestalten und die Märkte, in denen diese Sensoren eingesetzt werden können, zu erweitern.
Der größte limitierende Faktor für Metalinsen ist ihre Breitbandleistung. Doch bedeutende Innovationen im Design der Metasurfaces selbst und in der Softwarekompensation werden sie voraussichtlich innerhalb der nächsten zehn Jahre zu einem kompakteren und kostengünstigeren Ersatz für Smartphone-Kameraobjektive machen. Letztendlich haben Metalinsen das Potenzial, viele Bereiche der Optikindustrie in naher Zukunft grundlegend zu verändern.
Autor: Sam Dale, Technologieanalyst bei IDTechEx
