Micro- and Nanomanufacturing opportunities for sustainable mobility

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1 Micro- and Nanomanufacturing opportunities for sustainable mobility Vito Lambertini Micro & Nanotechnologies Department Mod. 25-P02-00 outline Potential impact of Micro and Nano Manufacturing in the automotive CRF facilities Micro and Nanotechnology applications for automotive Lighting and on-board information Micro energy generation and saving Multifunctional materials for sensors and actuators Conclusions 2

2 The today CAR technology at low cost Today the car is assembled with parts, extremely reliable and optimized in terms of safety and environmental impact, with lower cost per kilogram respect to other high technological level consumer goods. 3 The CAR evolution The microelectronics and microsytems today represent the 15-20% of the overall cost; The introduction of microsystems is increased 15-20% in the last 5 years (more than 60 actuators and 80 sensors and 4-5 km of wires today installed in the car); The electronics today represent the 20% of the cost, expected 40% in 2015 DRIVERS SAFETY COMFORT ENVIRONMENTAL COMPATIBILITY FUEL SAVING COSTS 4

3 Nanomaterials Market in automotive In 10 years, the design and manufacturing of cars will be significantly affected by nanotechnology applied to 70% of automotive applications with expected market $6.46 billion (Frost & Sullivan); Automotive Nanotechnology Implementation Market: Revenue Forecasts Estimated Breakdown by Application (2015) 5 Impact of Micro/Nano Manufacturing on Automotive 2008 APPLICATIONS 2015 IES MICRO & NANOTECHNOLOG NEW LIGHTING, DISPLAYS AND ELECTRO-OPTICAL SYSTEMS increased safety and comfort during driving (vision enhancement, low interference with primary driving task, information easily accessible, obstacles and weather conditions detection) weight reduction and compactness lower power consumption and higher lifetime ENERGY GENERATION AND SAVING improved devices efficiency with fuel saving and reduced environmental impact delocalised energy sources and heat recovery systems introduction of novel functions enhancing driver safety and comfort Chip-LED tailight OLED devices Chip-LEDs NCs devices headlamp Functional textile (lighting) EO Sensor Emissive Reconfigurable HUD electrochromic surfaces Catalytic nanocoatings Direct methenol microfuel cells Batteries Flexible electronics Conformable, high efficiency solar cells Functional textile (energy) Nanostructured TE materials Thermal coatings MULTIFUNCTIONAL MATERIALS, SENSORS AND ACTUATORS Shape memory alloys transportation safer and more comfortable by detecting pollutants MR Fluids actuators optimisation of engine control reducing pollutants and fuel Lightweight consumption Functional textile nanocomposites (sensors, actuators) introduction of high mechanical and thermal properties composites AR structures integration of electrical conductive and magnetic composites CNT based nanocomposites 6

4 Micro & Nanotechnologies at CRF OPTICS AND PHOTONICS Information displays Optical system design New lighting systems Electro-optical sensors Nanomaterials for EO CRF - MICRO & NANOTECHNOLOGY DEPT. NANOTECHNOLOGIES μ & nanomanufacturing Photopolymer technology Materials and technologies (lighting, sensors, energy) OLED, NC devices Micro energy sources Antireflective coatings Electrochromic devices MECHATRONICS & SMART MATERIALS Shape memory alloys Piezo Magnetoreological fluids CNT SMART Polymer: Smart Textile - Composite CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA Optical system design Micro-optics LED packaging Injection moulding micro IM Nanocrystals 7 Micro & Nanotechnologies LABs at CRF Microlithography and nanopatterning processing Thick film and thin film processing Self assembling module Electro-optical and morphological characterization 8

5 Chip-on-board pilot line Pilot lines Chip-on-board and Injection moulding Injection Moulding Machines CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA BATTENFIELD 1000 CDC - Pressure 100 ton - Injection capacity 130 g NEGRI-BOSSI VE Pressure 70 ton - Injection capacity 85 g - Cleanroom Optical elements DRL Alfa 8C Characteristics SMT technology, COB (chip on board), COF (chip on flex), COG (chip on glass) UPH max = 3600 Board dimensions up to 10 x8 Pastes and components LEAD FREE Taillight 9 outline Potential impact of Micro and Nano Manufacturing in the automotive CRF facilities Micro and Nanotechnology applications for automotive Lighting and on-board information Micro energy generation and saving Multifunctional materials for sensors and actuators Conclusions 10

6 Lighting systems in the automotive EMS AUTOM MOTIVE LIGHTING SYST High mounted stop light Interior luggage light Taillights, Parking lights Door light Side lights - More than 100 spots light in interiors and exteriors; - The information content is booming (90% of cars equipped with LCD); - Great impact on comfort, safety and style; - 5% of the overall car costs; - Overall electrical to optical efficiency (currently ~ 1%); - Electrical connections complexity. Courtesy and interior lights Dashboard and Displays Headlamps Considerable Improvement by the development of new materials, processes and assembling techniques for new higher efficiency light sources and light control at lower costs. 11 Chip-LED lighting systems Chip on glass bonding Resin substrate Chip-LED FIAT IDEA lighting system White lighting system ADVANTAGES Weight reduction Compactness Lower power consumption High lifetime Today Taillight New Taillight Thickness 135 mm Thickness 20 mm 12

7 TECHNOLOGIES LED light sources in die-form using chip-on-board technology High flux LED sources integrated in micro-optics ADVANTAGES Thickness reduction New form factors & stylistic options Front lighting systems based on LED technology Fiat Panda MultiEco Concept (Ginevra 2006 Car Show) Body Daytime Running Light (DRL) Alfa 8C Competition Thermal design Mechanical design Transparent Optics Aesthetic mask MCPCB Heat pipe Heat sink Final product 13 μ & nanomanufacturing improvements Compactness and weight reduction Lower power consumption Lower costs Body Transparent Optics Aesthetic mask MCPCB Heat pipe High optical properties nanocomposites Optics fabrication (μpim, NIL ) Integrated optics manufacturing (rapid manufacturing, embossing ) Nanostructured LED surface (Nano Imprinting Lithography) Chip on board processing (Direct chip integration, Liquid Self Assembly ) Integrated optics Chip-LED Heat sink High thermal conductivity composites Electrically conductive composites Multilayer deposition processes (powder blending, spray, PVD) Patterning methods (Embossing, laser structuring, ink jet, screen printing, injection moulding) CNT and nanofibers Chip on board of LEDs Integrated heat sink 14

8 Chip-LED conformable lighting systems Conformable tailights and interiors lighting CRP CRP CRF Several prototypes produced on flexible substrate with different color. Schreiner VarioLight System CRF Integration of several functions (PV, Energy storage, sensors ) Convergence of micro and nanomanufacturing technologies for organic and inorganic materials Emphasis should be placed on the integration and assembling of functions ADVANTAGES Stand alone systems Weight and electrical connections reduction Compactness Flexible and conformal devices Costs reduction 15 Autonomous on-board systems Autonomous lighting systems Autonomous displays Autonomous rear-view mirror New portable lighting functionalities Displays for navigation and telematics Displays for Entertainment / Infotainment / Office Rear-view mirror Electrocromics coatings Sensors Transparent displays ADVANTAGES Reduction of assembly costs Reduction of cabling connection New functionalities Needs of energy harvesting and accumulation (thin film batteries, PV cells) Concept systems Autonomous lighting systems 16

9 OLEDs advantages compactness high uniformity of light high contrast at high viewing angle (180º) high luminance ( Cd/m 2 ) low DC driving i voltage (3-5V) low switching time Organic EL dashboard and lighting (OLED) CRF OLED dashboard prototype Thickness 10mm Micro& Nanomanufacturing to improve OLED Structuring of substrates and emitting layers to increase the external efficiency; Nanocrystals and low workfunction electrodes to increase EL and transport properties; Nanostructured enhanced barrier materials. Semiconductor nanocrystals based devices Nano Imprinting Lithograpgy Architecture Device CdTe, ZnS NCs CRF 400 nm SiO 2 (LTM) 17 outline Potential impact of Micro and Nano Manufacturing in the automotive CRF facilities Micro and Nanotechnology applications for automotive Lighting and on-board information Micro energy generation and saving Multifunctional materials for sensors and actuators Conclusions 18

10 Future architecture using new auxiliary power supply Primary battery Auxiliary power storage Delocalized power supply kw On-board energy request Development of novel wireless and distributed architectures Uncoupling between engine and electrical users: engine control optimization reduced fuel consumption and pollutants emission reduced electrical connections (costs and weight) Introduction of novel functions enhancing driver safety and comfort Thermoelectric Systems Micro Fuel cells Conformable Solar Cells 19 Power generation - Thermoelectric Systems Novel distributed architectures based on thermoelectric materials: - heat recovery systems - microcombustors New materials needed! LAST (lead-antimony-silver-tellurium) LAST-T (lead-antimony-silver-tellurium-tin) Materials LAST Module Thermoelectric prototype Melted nanostructured TE alloy Seebeck coefficient electrical conductivity thermal conductivity Microcombustor prototype (CRF 2007) Advantages of the conversion of energy through thermoelectric devices: no moving parts no noise long life low maintenance distributed power generation architecture 20

11 Micro-power generation Matrices of direct methenol microfuel cells Silicone Gasket Methanol flow channel CH 3OH/H 2O/CO 2 Carbon Cloth Flow Field Oxygen Single module demonstrator DMFC Stack demonstrator DMFC O 2/H 2O/CO 2 CH 3OH/H 2O Carbon Paper Flow Field Graphite Endplate Membrane Electrode Assembly Anode/Membrane/Cathode IMPROVEMENTS by Micro and Nanomanufacturing Pt catalyst on graphite by electrochemical pulsed deposition Extremely high specific membrane surface area and catalytic ti activity it Novel nanocomposites with higher chemical and mechanical performances for microchannels and membranes Novel nanostructured support to provide electrical conductivity and reliability New assembling processes MEA 21 Micro-power generation Conformable On-board Solar Technologies Integrated solar cells in interiors and exteriors for stand alone devices Dye-Sensitized PV amorphous-si PV CIS/CIGS PV Konarka Nanosolar Electrodes United Solar DayStar QDs Nanostructured n-type conductor Solid-state p-type conductor 130 companies in the world are aiming at the manufacturing of thin film solar cells with a potential in electrical vehicles (source 22nd European PV conf 3-7 Sept 2007). Several other forms of printable electronics useful for the car industry are under development. Improvements in scale-up manufacturing (deposition rates, yield, throughput) to reduce the efficiency gaps from laboratory and commercial products. Improvements in stability and reliability of cells and modules especially in outdoor applications (packaging technologies and materials). The major challenge will be in the manufacture of integrated solutions. 22

12 outline Potential impact of Micro and Nano Manufacturing in the automotive CRF facilities Micro and Nanotechnology applications for automotive Lighting and on-board information Micro energy generation and saving Multifunctional materials for sensors and actuators Conclusions 23 Nanostructured sensors Main drivers monitoring of poison gases and pollutants for on-board well-being engine control optimisation reducing emissions and fuel consumption IMPROVEMENTS with μ and nano - higher stability - higher sensitivity - low cost materials and processing - assembling Polluted air NH 3, (fertilizer, herbicide ): SO x, H 2 S Exhaust gases Purified emissions Chemical sensors Optical detection systems SPR sensors Partcle size sensor MEMS gas sensor Gas flow Detection cell Nano composite Embedded nanoparicles Light emission 24

13 Traditional materials (polymers, ceramics or metals) Multifuctional nanocomposite materials Nanometric particles nanoclay, SMA nanofibers, CNT, metal and ferromagnetic nanoclusters) MULTIFUNCTIONAL COMPOSITES MATERIALS mechanical, thermal, electrical, barrier, optical, magnetic. 25 Multifunctional automotive interiors surfaces Benefits Production of multifunctional interior surfaces Antireflective (dashboard, instrument cluster); Antiglare (dashboard, instrument cluster); Iridescent (interior surfaces); Self-cleaning (dashboard, instrument cluster); Low cost processing CRF Activities Optical design of structured surfaces Scouting on available technologies for: pattern transfer (Injection molding, embossing) master mould fabrication (e-beam, self-assembling) Spectro-photometric p characterization flat Reflectance vs pillar radius SAFETY (increased visibility of IC and through windshield) COMFORT (aesthetic iridescent part and easy to clean surfaces) 26

14 Thermal coating for IR blocking Nanometric metals/oxides inclusions in order to block the IR radiation by polymer coatings (PS, PC, PET) Solar irradiation Heating convection (External enviorment) PS matrix Au NPs TiO 2 NPs Heating conduction (engine, trasmission ) PS matrix 27 Conclusions The automotive sector opens up excellent opportunities, while posing new challenges to nanotechnologies with great impact on safety, on-board well-being, environment compatibility, fuel saving The most important challenge today for industries is to be ready to change toward thinking small. A synergic research between materials science, technology and manufacturing have to be pushed over in order to be able to see products soon A first set of Nanotechnologies are almost ready to be applied to the automotive (functional coatings, nanocomposites, lighting systems, SMA), but further developments are needed in the materials production and assembling to reduce costs MINAM brings together the innovations from research on new micro- and nanotechnological production processes with the know-how of the equipment suppliers. It represents an important support for micro- and nano-tehcnological processes, equipments, materials and products in several fields (automotive, domotic, health, energy ) The impact of nanotechnologies on transportation is such that no single organisation can sustain the competition alone. In the last 10 years, all developments we have made at CRF have been done in collaborations with organisations-institutions outside the Fiat group. 28

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