Innovative technologies for electromagnetic protection of portable devices

The "Innovative technologies for electromagnetic protection of portable devices" (EMPROT) project proposal aims are to develop new oxide/metal heterostructure for EMI shielding of electronic portable devices. The proposal has an interdisciplinary character, involving a research team coming from National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics and an engineering team coming from private enterprise - BlueSpace Technology, the primary objective being to develop an oxide/metal transparent heterostructure for EMI shielding to prevent data theft from portable electronic devices. In the modern era dominated by data, breaches can impact vast numbers of individuals, potentially reaching hundreds of millions. The surge in digital transformation has expanded the flow of data, consequently amplifying the scale of data breaches. Today, according with Cybersecurityventures.com „Cybersecurity Ventures expects global cybercrime costs to grow by 15 percent per year over the next five years, reaching $10.5 trillion USD annually by 2025, up from $3 trillion USD in 2015” [1]. In the period of 2017-2021 the global spending on cybersecurity was reach $1 trillion and the market will exponentially grow in the coming years due to the need to protect IT data generated / stored by millions of companies / industries or people. There are several methods to steal data from electronic devices/computers such as: Social engineering, Weak passwords, System vulnerabilities, Insider threats, Human error, Compromised downloads, Physical actions, Database or server problems, publicly available information [2]. For these methods, there is currently an entire industry that offers data protection solutions but a new challenge come recently when the Mordechai Guri highlighted a new attack method called COVID-bit [3]. By using a malware on an air-gapped computer can generate radio waves and exploits the dynamic power consumption of computer. “Sensitive information can be modulated over the emanated signals and received by a nearby mobile phone” [3]. For mobile devices (mobile phone, tablets, etc) there is another method to stole the data, called “Screen Gleaning” and this method were demonstrated in 2020 by Zhuoran Liu et all by presenting a “low-cost SCA (side-channel analysis) attack that can recover information displayed on a mobile device’s screen by capturing the electromagnetic signal sent to the phone screen” [4]. As a countermeasure “Screen gleaning” attacks would be made difficult by using a shielding technique. An electromagnetic shield used for the screen of electronic devices (phone, tablets, etc) must follow some rules: high optical transparency (>80%) in the visible wavelength spectrum (380-700 nm); low electrical resistivity and high SE Shielding Effectiveness. Along with the increasing requirements for electromagnetic interference (EMI) shielding, considerable efforts have recently been made for the development and realization of new materials / heterostructures with functional properties. Today on the market there are companies which provide the shield protection solution for LCD or LED screen. For example, Holland shielding systems BV [6] offer the EMI/RFI-shielded glass which can provide good shielding performance in the range of frequency of from 10 kHz -40 GHz, with optical transparency of 84%. The major drawback of this solution is the thickness of glass (3-6 mm) and the higher resistivity (~20 ohm.cm). In that context, we are proposing a novel oxide/metal heterostructure for EMI shielding for electronic devices using thin layers of conductive transparent oxides and metal meshes deposited on transparent substrates in areas up to 150 cm2 (10x15 cm).

The scope of the project is to obtain a thinner heterostructure with SE Shielding Effectiveness up to 25 dB on a wide range of frequencies1 MHz-18 GHz. The heterostructure will be integrated in mobile devices as screen cover. The EMI attenuation will be tested / validate with and without EMI shield heterostructure and the best response will be implemented. The proposed EMI shield heterostructure will include following layers:

1. The bottom layer TCO layer with low resistivity and high optical transparency and thickness up to 200 nanometers; The TCO bottom layer will be obtain by laser ablation technique (PLD) on commercial glass and flexible polymer substrates. The deposition will be made at lower temperature starting from room temperature to 1000C. The thickness of thin layer will be adjusted for a specific frequency attenuation response.
2. Metal mesh with a thickness of 50 nanometers; The metallic mesh will be obtained by lithography technique. The dimension of metallic mesh and the thickness (up to 10 nm) will be adjusted to keep a good optical transparency and a capability to absorb electromagnetic radiation at specific frequency.
3. The top layer of TCO with low thickness (200 nm), low electrical resistivity and high optical transparency. The top layer of will be deposit as the bottom layer, by PLD.
4. The TCOs/metal heterostructure will cover a mobile device screen (phone) and the EMI attenuation will be evaluating.

Propunerea de proiect „Tehnologii inovatoare pentru protecția electromagnetică a dispozitivelor portabile” (EMPROT) își propune să dezvolte o nouă heterostructură oxid/metal pentru ecranarea EMI a dispozitivelor electronice portabile. Propunerea are un caracter interdisciplinar, implicând o echipă de cercetare de la Institutul Național pentru Fizica Laserelor, Plasmei și Radiațiilor și o echipă de ingineri de la o întreprindere privată - BlueSpace Technology, obiectivul principal fiind dezvoltarea unei heterostructuri transparente oxid/metal pentru ecranarea EMI, pentru a preveni furtul de date de pe dispozitivele electronice portabile. În era modernă, dominată de date, breșele de securitate pot afecta un număr mare de persoane, ajungând potențial la sute de milioane. Creșterea transformării digitale a extins fluxul de date, amplificând în consecință amploarea breșelor de securitate. Astăzi, potrivit Cybersecurityventures.com, „Cybersecurity Ventures se așteaptă ca costurile globale ale criminalității cibernetice să crească cu 15% pe an în următorii cinci ani, ajungând la 10,5 trilioane de dolari americani anual până în 2025, față de 3 trilioane de dolari americani în 2015” [1]. În perioada 2017-2021, cheltuielile globale pentru securitatea cibernetică au ajuns la 1 trilion de dolari, iar piața va crește exponențial în următorii ani datorită nevoii de a proteja datele IT generate/stocate de milioane de companii/industrie sau persoane. Există mai multe metode de a fura date de pe dispozitive electronice/computere, cum ar fi: ingineria socială, parolele slabe, vulnerabilitățile sistemului, amenințările interne, erorile umane, descărcările compromise, acțiunile fizice, problemele bazei de date sau ale serverului, informațiile disponibile publicului [2]. Pentru aceste metode, există în prezent o întreagă industrie care oferă soluții de protecție a datelor, dar o nouă provocare a apărut recent, când Mordechai Guri a evidențiat o nouă metodă de atac numită COVID-bit [3]. Prin utilizarea unui malware pe un computer cu spațiu liber se pot genera unde radio și se poate exploata consumul dinamic de energie al computerului. „Informațiile sensibile pot fi modulate prin semnalele emanate și recepționate de un telefon mobil din apropiere” [3]. Pentru dispozitivele mobile (telefon mobil, tablete etc.) există o altă metodă de furt a datelor, numită „Screen Gleaning”, iar această metodă a fost demonstrată în 2020 de Zhuoran Liu și alții, prezentând un „atac SCA (analiză laterală) low-cost care poate recupera informațiile afișate pe ecranul unui dispozitiv mobil prin captarea semnalului electromagnetic trimis către ecranul telefonului” [4]. Ca contramăsură, atacurile de tip „Screen gleaning” ar fi îngreunate prin utilizarea unei tehnici de ecranare. Un ecran electromagnetic utilizat pentru ecranul dispozitivelor electronice (telefon, tablete etc.) trebuie să respecte anumite reguli: transparență optică ridicată (>80%) în spectrul de lungimi de undă vizibile (380-700 nm); rezistivitate electrică scăzută și eficacitate ridicată a ecranării SE. Odată cu cerințele tot mai mari pentru ecranarea împotriva interferențelor electromagnetice (EMI), s-au depus recent eforturi considerabile pentru dezvoltarea și realizarea de noi materiale/heterostructuri cu proprietăți funcționale. Astăzi pe piață există companii care oferă soluții de protecție pentru ecranele LCD sau LED. De exemplu, Holland shielding systems BV [6] oferă sticlă ecranată EMI/RFI, care poate oferi performanțe bune de ecranare în intervalul de frecvență de la 10 kHz la 40 GHz, cu o transparență optică de 84%. Principalul dezavantaj al acestei soluții este grosimea sticlei (3-6 mm) și rezistivitatea mai mare (~20 ohm.cm). În acest context, propunem o nouă heterostructură oxid/metal pentru ecranarea EMI a dispozitivelor electronice, utilizând straturi subțiri de oxizi transparenți conductivi și plase metalice depuse pe substraturi transparente în zone de până la 150 cm2 (10x15 cm).

Scopul proiectului consta în obținerea unei heterostructuri  subțiri cu eficiență de ecranare SE de până la 25 dB pe o gamă largă de frecvențe 1 MHz-18 GHz. Heterostructura va fi integrate în dispozitive mobile ca acoperire pentru ecran. Atenuarea EMI va fi testată/validată cu și fără heterostructură de ecranare EMI, iar cel mai bun răspuns va fi implementat. Heterostructura de ecranare EMI propusă va include următoarele straturi:

1. Stratul inferior TCO cu rezistivitate scăzută, transparență optică ridicată și grosime de până la 200 nanometri; Stratul inferior TCO va fi obținut prin tehnica de ablație cu laser (PLD) pe sticlă comercială și substraturi polimerice flexibile. Depunerea se va face la o temperatură mai scăzută, pornind de la temperatura camerei până la 100 oC. Grosimea stratului subțire va fi ajustată pentru un răspuns specific de atenuare a frecvenței.
2. Plasă metalică cu o grosime de 50 nanometri; Plasa metalică va fi obținută prin tehnica litografiei. Dimensiunea plasei metalice și grosimea (până la 10 nm) vor fi ajustate pentru a menține o bună transparență optică și o capacitatede a absorbi radiațiile electromagnetice la o frecvență specifică.
3. Stratul superior de TCO cu grosime redusă (200 nm), rezistivitate electrică scăzută și transparență optică ridicată. Stratul superior va fi depus ca strat inferior, prin PLD.
4. Heterostructura TCO/metal va acoperi ecranul telefonului mobil, iar atenuarea EMI va fi evaluată.