Les propriétés des ondes de la 5G et de la future 6G va avoir une incidence importante sur les matériaux utilisés dans les appareils connectés, qu’il s’agisse de smartphones, d’équipement de télécommunications, ou encore de voitures connectées. Car la la propagation des ondes 5G, au sens physique du terme, fait face à de nouveaux défis techniques matériels.
Dans le détail, les télécommunications 5G introduisent deux nouvelles bandes de fréquences : sub-6 GHz (3,5 – 7 GHz) et mmWave (24 – 71 GHz). Cette 5G à ondes millimétriques (à différencier de la 5G NSA qui s’appuie sur la technologie 4G), permet une latence extrêmement faible (sous la milliseconde) et une largeur de bande importante, et donc des débits très élevés.
Et les pertes de transmission de données sont élevées quand cette 5G est diffusée avec les matériaux utilisés traditionnellement. De quoi entraîner une mauvaise propagation du signal, et limiter considérablement l’efficacité des communications 5G.
Amélioration des performances diélectriques des matériaux
Pour relever ce défi, des chercheurs travaillent donc à l’amélioration des performances diélectriques des matériaux utilisés dans les dispositifs de la 5G. Des matériaux qui doivent équiper à termes également les circuits imprimés, les antennes, mais aussi les emballages des circuit intégrés.
C’est peut être Solvay qui explique le mieux l’enjeu et ce besoin de nouveaux matériaux par le fait que "l’augmentation de fréquence" produit "un nombre plus élevé de collisions entre les molécules, ce qui entraîne une perte de signal".
"Les matériaux utilisés pour les équipements 5G doivent donc présenter des propriétés de faible perte diélectrique afin de minimiser cette atténuation du signal. Si le signal était de la lumière, cela signifierait utiliser des matériaux transparents" indique le géant de la chimie.
Le taux de croissance annuel de ce marché devrait être de plus de 30%
Cette demande de matériaux à faible perte de transmission, ou à faible perte (d’autres parlent aussi de métamatériaux) devrait dépasser les 2,1 milliards USD d’ici 2034, selon une étude du cabinet IDTechEx, qui publie une étude intitulé "Matériaux à faibles pertes pour la 5G et la 6G 2024-2034 : marchés, tendances, prévisions". Le taux de croissance annuel de ce marché devrait être de plus de 30%.
Dans le détail, la bande de fréquence 5G sub-6 GHz étant la plus déployée à ce jour, les matériaux à faible perte utilisés dans les applications sub-6 GHz représenteront environ deux tiers du marché 5G en termes de revenus en 2024, selon les estimations d’IDTechEx.
Mais le cabinet d’analyse note qu’avec des exigences de performance à peine supérieures à celles de la 4G, les applications sub-6 GHz sont à ce jour efficacement desservies par les matériaux à faible perte existants, tels que le FR-4 à base d’époxy.
Un projet européen dans ce domaine
Mais le saut de performance entre les fréquences inférieures à 6 GHz et les ondes mmWave 5G va exiger des matériaux avec une perte diélectrique encore plus faible que les matériaux existants. Cela crée des opportunités pour l’innovation des matériaux sur ce marché, assure l’analyste, notant que "les matériaux organiques tels que le PTFE (Polytétrafluoroéthylène) et le PPE (p-phénylène éther) offrent un mélange équilibré de performances diélectriques, de coûts et de facilité de fabrication".
Dans le même temps, "les matériaux inorganiques" comme le verre et le LTCC (céramique cuite à basse température) donnent eux aussi la possibilité de créer des composants "hautement intégrés et miniaturisés".
Avec l’arrivée de la 6G, dont le spectre de fréquences devrait inclure des bandes sub-THz (100 – 300 GHz), ce sont des matériaux à très faible perte qui devront être par la suite inventés, conclut l’analyste.
En Europe, le projet européen RISE-6G (Reconfigurable intelligent sustainable environments for 6G wireless networks), auquel participe Orange, vise à mettre au point de nouvelles antennes à base de métamatériaux, qui sont à la fois paramétrables et économes sur le plan énergétique.