무선 웨어러블 통신 애플리케이션을 위한 고도로 유연하고 전도성이 있는 인쇄 그래핀

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 18298(2016) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 논문에서는 무선 웨어러블 통신 응용 분야를 위한 전도성이 높고 유연성이 뛰어나며 가볍고 저렴한 비용으로 인쇄된 그래핀을 보고합니다. 개념 증명으로 인쇄된 그래핀 지원 전송선과 종이 기판의 안테나가 설계, 제작 및 특성화되었습니다. 웨어러블 통신 응용 분야에서 잠재력을 탐구하기 위해 기계적으로 유연한 전송선과 다양한 구부러진 케이스 아래의 안테나를 실험적으로 연구했습니다. 측정 결과는 인쇄된 그래핀이 무선 웨어러블 통신 시스템에서 RF 신호 처리의 필수 기능 중 일부를 나타내는 RF 신호 전송, 방사 및 수신에 사용될 수 있음을 보여줍니다. 또한 인쇄된 그래핀은 저온에서 가공할 수 있어 종이나 직물과 같은 열에 민감한 유연한 소재와 호환됩니다. 이 연구는 가까운 미래에 그래핀 기반 저비용 및 환경 친화적인 무선 웨어러블 통신 시스템을 구현할 수 있는 전망에 한 걸음 더 가까워졌습니다.

무선 웨어러블 통신은 의료 및 피트니스 모니터링1,2, 모바일 네트워크/인터넷3, 스마트 스킨4,5,6 및 기능성 의류7과 같은 분야에서 제공되는 수많은 잠재력으로 인해 연구 관심이 높아지고 있는 분야입니다. RF(무선 주파수) 프런트 엔드는 RF 신호를 전송하고 수신하는 모든 통신 시스템의 기본 구성 요소입니다. RF 프런트 엔드에는 안테나, 전송선(TL), 임피던스 정합 네트워크 등의 수동 구성 요소와 전력 증폭기, LNA(저잡음 증폭기), 주파수 믹서, 국부 발진기8 등의 능동 회로가 포함됩니다. 일반적으로 RF 프런트 엔드는 주로 PCB(인쇄 회로 기판) 기술을 사용하여 조립되므로 종이 및 직물과 같은 유연한 기판과 통합하는 데 큰 어려움이 있습니다4. 이 문제를 해결하기 위해 섬유 원사에 금속을 코팅/도금하는 것이 제안되었습니다9,10. 그러나 이러한 접근 방식에서는 금속이 유연한 기판에 증착되었음에도 불구하고 제조 절차가 복잡하고 효율성이 낮으며 사용된 재료가 비싸서 저비용 무선 웨어러블 애플리케이션의 대량 배치에는 적합하지 않았습니다. 은 나노와이어(AgNW), 전도성 폴리머, 탄소 나노튜브도 웨어러블 전자 응용 분야를 위해 개발되었습니다. AgNW는 전도성이 높지만11 RF 응용 분야에 대해 충분히 낮은 시트 저항을 얻으려면 상대적으로 두꺼운 AgNW 코팅이 필요합니다(거의 11의 경우 230). 이는 은이 부족하고 비싸기 때문에 대량 생산 비용이 높아집니다. 전도성 폴리머의 경우 센서, 태양전지 등 유연한 전자 장치에 사용할 수 있지만 전도성이 너무 낮아 RF 신호 전송 및 방사선에 사용하기에는 어렵습니다. 전도성 폴리머는 화학적 및 열적 불안정성16으로 인해 제한됩니다. 중첩된 나노튜브17,18 사이의 높은 접합 저항으로 인해 일반적인 시트 저항이 2 이상인 탄소 나노튜브는 여전히 실제 RF 회로 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 전도성이 없습니다.

그러나 탄소나노튜브의 동소체인 그래핀은 높은 전도성과 독특한 특성으로 인해 무선 웨어러블 통신 응용 분야에 매우 유망한 소재입니다5,19. 지금까지 연구자들은 트랜지스터나 다이오드와 같은 능동 소자를 만들기 위해 그래핀을 응용하는 방법을 집중적으로 연구해 왔습니다. 4차 디지털 변조기는 두 개의 그래핀 트랜지스터5를 사용하여 달성되었습니다. RF 대역의 증폭기는 그래핀 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 실험적으로 시연되었습니다. 주파수 믹서22,23 및 발진기24,25와 같은 다른 능동 장치도 시연되었습니다. 최근에는 신호 증폭, 필터링 및 하향 변환을 수행하는 모놀리식 그래핀 RF 수신기 집적 회로(IC)도 보고되었습니다.