연구원들은 하이드로겔과 액체 금속으로 작은 신축성 안테나를 만드는 새로운 방법을 개발했습니다. 안테나는 웨어러블하고 유연한 무선 전자 장치에 사용되어 전력 전달, 데이터 처리 및 통신을 위해 장치와 외부 시스템 간의 링크를 제공할 수 있습니다.
중국 Xi'an Jiaotong University의 Tao Chen은 “우리는 새로운 제조 방식을 사용하여 액체 금속 안테나의 길이를 절반으로 줄일 수 있음을 입증했습니다. "이는 건강 모니터링, 인간 활동 모니터링, 웨어러블 컴퓨팅 및 기타 애플리케이션에 사용되는 웨어러블 장치의 크기를 줄여 더욱 작고 편안하게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다."
저널에 광학 익스프레스연구진은 단일 단계 펨토초 레이저 절제 공정으로 생성된 마이크로채널에 공융 갈륨-인듐(상온에서 액체인 금속 합금)을 주입하는 새로운 기술을 설명합니다. 그들은 이 방법을 사용하여 24mm × 0.6mm × 0.2mm 하이드로겔 슬래브에 내장된 70mm × 12mm × 7mm 크기의 안테나를 만들었습니다.
Chen은 “신축성이 있고 유연한 안테나는 온도, 혈압, 혈중 산소 등을 모니터링하는 웨어러블 의료 기기에 유용할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “별도의 모바일 장치는 데이터 및 기타 통신을 전송하는 유연한 안테나를 통해 더 큰 제어 장치에 연결되어 무선 신체 영역 네트워크를 형성할 수 있습니다. 유연한 안테나의 공진 주파수는 적용된 변형률에 따라 달라지므로 잠재적으로 착용 가능한 모션 센서로도 사용될 수 있습니다.”
더욱 유연한 금속
이 작업은 King Abdullah University of Science의 Jian Hu와 협력하여 수행된 이전 연구에서 비롯되었습니다. Technology 사우디 아라비아에서 연구자들은 펨토초 레이저 절제를 사용하여 변형 감지를 위해 하이드로겔에 내장된 3D 은 구조를 제작하는 방법을 개발했습니다(Jian Hu 교수와 협력).
“은 구조는 매우 취약하기 때문에 신축성이 좋지 않았습니다.”라고 Chen이 말했습니다. "고체 금속 구조 대신 액체 금속을 사용하면 금속이 하이드로겔 마이크로채널을 더 쉽게 채울 수 있을 뿐만 아니라 신축성도 향상됩니다."
가장 간단하고 가장 널리 사용되는 안테나 유형인 액체 금속 쌍극자 안테나를 만들기 위해 연구진은 펨토초 레이저를 스캔하여 표면에 손상을 주지 않고 하이드로겔 내부에 한 쌍의 대칭 마이크로채널을 형성했습니다. 레이저의 짧은 펄스 지속 시간은 다광자 흡수와 같은 비선형 광학 효과를 통해 투명 재료를 절제할 수 있는 높은 피크 전력을 생성하므로 레이저의 정확한 초점에서만 절제가 발생하도록 보장합니다.
그런 다음 그들은 액체 금속을 마이크로 채널에 주입하여 안테나로 사용할 수 있는 하이드로겔 내장 와이어를 형성했습니다.
그들은 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 기타 기존 고분자 기판에 비해 유전 특성이 더 좋아 안테나 길이를 절반으로 줄일 수 있기 때문에 하이드로겔을 기판으로 선택했습니다. 하이드로겔 기반 장치는 원래 길이의 거의 두 배까지 늘어날 수도 있습니다.
그러나 하이드로겔 기반 액체 금속 장치는 일반적으로 레이저를 사용하여 상단 표면에 홈을 새기고 액체 금속으로 채운 다음 패턴화된 기판을 조각되지 않은 기판과 접착하는 방법을 사용하여 제작됩니다.
“우리의 방법을 사용하면 층 결합이 필요 없이 단일 제조 단계를 사용하여 마이크로채널을 하이드로겔에 내장할 수 있습니다.”라고 Chen이 말했습니다. “또한 펨토초 레이저를 3차원 스캐닝하면 3차원 마이크로채널과 액체 금속 구조를 쉽게 형성할 수 있어 성능 및 기능 향상을 위한 복잡한 구조의 2차원 또는 3차원 플렉서블 안테나 제작이 가능합니다.”
신축성 있는 안테나 만들기
새로운 제조 접근법을 시연하기 위해 연구원들은 신축성 있는 쌍극 안테나를 준비하고 다양한 주파수에서 반사 계수를 측정했습니다. 이 실험에서는 순수한 하이드로겔이 거의 모든 입사 전자기파 에너지를 반사하는 반면, 하이드로겔에 내장된 액체 금속 쌍극자 안테나는 입사 전자기파의 대부분을 자유 공간으로 효과적으로 방출하며 공진 주파수에서 10% 미만이 반사되는 것으로 나타났습니다.
그들은 또한 적용된 변형률을 0에서 48%까지 변화시킴으로써 안테나의 공진 주파수를 770.3MHz에서 927.0MHz까지 조정할 수 있음을 보여주었습니다.
연구원들은 현재 유연한 신축성 안테나의 강도와 액체 금속 누출의 임계 변형률을 높이기 위해 레이저 유도 마이크로채널에 사용되는 밀봉 기술을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 또한 복잡한 2D 또는 3D 구조를 갖춘 완전히 유연한 다차원 변형률 및 압력 센서를 개발하기 위해 이 새로운 접근 방식을 적용할 수 있는 방법을 탐색할 계획입니다.