RF 웨어러블 앱용 통기성 E-텍스타일

Pireta의 Mario D'Auria, John Greenwood, Chris Hunt, NPL(National Physical Laboratory)의 Martin Salter와 Nick Ridler가 작성했습니다. 이 새로운 기술을 통해 직물에 전도성 트랙을 생성할 수 있으므로 광범위한 웨어러블에 대한 잠재적인 솔루션이 됩니다.

RF 세계에서는 손실을 줄이고 주파수를 확장하기 위해 고성능 기판을 개발하기 위해 상당한 노력을 기울였습니다. 많은 고성능 기판 옵션이 현재 시장에 나와 있지만 대부분은 경성 또는 기껏해야 반유연성으로 분류될 수 있습니다. 사실, 이 고성능 레이스에서 많은 사람들이 극한의 성능과 고주파가 필요하지 않은 모든 시장을 간과했습니다. 오히려 이러한 시장은 기계적으로 호환되는 새로운 기질의 혜택을 받았을 것입니다.

기술이 점점 작아지고 저렴해지는 이 시대에 의료에서 ​​군사, 피트니스에 이르는 시장의 주요 관심 분야로 웨어러블 기술을 찾는 사람들이 늘어나고 있습니다. "강성" 부품을 사용하는 기존 제조 기술은 전체 부품을 소형화하기 위해 많은 노력이 필요합니다. 그러나 이러한 종류의 접근 방식은 전체 기하학이 주파수에 의존하고 쉽게 극복할 수 없는 특정 제한을 부과하는 RF 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.

사실, 무선 통신을 필요로 하는 많은 웨어러블 장치는 크고 부피가 커서 사용자의 움직임의 자유 또는 최소한의 편안함을 제한합니다. 여기에서 우리는 직물에 전도성 트랙을 생성할 수 있는 기술이 어떻게 공간과 디자인의 자유를 제공하는 동시에 최종 사용자에게 편안함과 유연성을 유지하는지 설명하고자 합니다.

섬유에 전도성 트랙과 패턴을 생성하는 것을 가능하게 하는 피레타의 기술 프로세스는 천연 및 합성 섬유 모두에 적합합니다. 이 독점 프로세스에는 세척, 민감화, 종자층 인쇄, 무전해 코팅 및 부동태화의 5단계가 포함됩니다. 이들은 원하는 패턴을 만드는 데 기하학적 자유를 허용하는 시드 레이어 인쇄를 제외한 모든 침지 프로세스입니다.

확장 가능하도록 설계된 이 프로세스는 대규모 생산에 적합하며 일부 처리 단계를 롤투롤 디지털 인쇄와 공유합니다. 직물은 섬유 수준에서 금속으로 코팅되어 손잡이, 드레이프, 신축성 및 통기성과 같은 고유한 특성을 잃지 않으면서 전도성이 있습니다.

RF 애플리케이션에 대한 프로세스의 적합성을 평가하는 것과 관련된 기본 구조 중 하나는 전송 라인입니다. 따라서 Pireta 공정을 사용하여 면 드릴 직물에 짧은 전송선 섹션을 제작했습니다.

전송 라인은 2mm 간격으로 2개의 5mm 너비 트랙으로 구성되었습니다. 두 개의 다른 버전이 제작되었는데 하나는 50mm 길이의 전송선 2개와 다른 하나는 80mm 길이의 전송선 2개입니다. 공면 스트립으로 알려진 이러한 종류의 전송선 는 동일 평면 도파관의 전자기(EM) 대응물입니다. ¹ Pireta 공정을 사용하여 은 시드 층을 증착한 후 구리 무전해 도금을 하고 마지막으로 은 층을 패시베이션하여 이 제품을 제조했습니다.

제조 후, 기하학적 측정을 다시 수행한 결과 트랙 너비는 5.5mm이고 간격은 1.7mm인 것으로 나타났습니다. 그 후, 직물 조각을 헴 처리하여 SMA 암 동축 커넥터를 끝단에 납땜할 수 있도록 했습니다. (그림 1) . 이 기술은 섬유를 금속으로 균일하게 코팅하기 때문에 직물의 고온 내성에 따라 직물 표면이 일반 납 또는 무연 솔더를 사용한 솔더링에 적합합니다.

1. SMA 커넥터가 있는 80mm 전송 라인은 벡터 네트워크 분석기 케이블에 연결됩니다.

VNA 측정

측정은 키사이트 PNA-X 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하여 국립 물리 ​​연구소에서 수행되었습니다. 테스트 주파수는 10MHz와 10GHz 사이에서 다양했습니다. VNA에 연결된 케이블은 최대 33GHz의 정밀 3.5mm 커넥터를 사용했습니다. ² (SMA 커넥터는 일반적으로 약 12GHz까지 사용되지만 더 높은 주파수에서도 사용할 수 있습니다.) ³ 측정을 수행하기 전에 SOLT(short-open-load-thru) 보정을 수행했습니다. ⁴ 50mm 길이의 선 중 하나와 80mm 길이의 선 중 하나에 대한 측정 결과(즉, S-파라미터)는 그림 2에 나와 있습니다. 그리고 3 , 각각.

2. 50mm 길이의 라인에 대한 S-파라미터(a 및 b)입니다.

3. 80mm 길이의 선에 대한 S 매개변수(a 및 b)가 표시됩니다.

두 라인 모두 반사 매개변수의 값(S₁₁ 및 S₂₂ ) 100MHz 이상에서는 상대적으로 불량한 매칭을 나타냅니다. 인쇄 프로세스의 해상도 제한과 예비 테스트로 인해 라인 임피던스는 의도적으로 최적화되지 않았습니다. 그러나 임피던스 변압기를 구현하면 이 정합 문제를 해결할 수 있습니다. 또한 두 경우 모두 S₁₁ 및 S₂₂ 각 주파수에서 거의 동일하므로 SMA 커넥터의 납땜 프로세스가 좋은 반복성을 가지고 있음을 나타냅니다.

전송 매개변수(S₁₂ 및 S₂₁ ) 두 라인 모두 VNA 테스트 포트 커넥터의 불일치를 줄이도록 설계가 최적화되면 최대 2GHz 및 그 이상까지 허용 가능한 성능을 보여줍니다. S₂₁로 요약된 전송 손실 4개 라인 모두에 대한 특정 주파수에서 표에 표시됩니다. .

S₂₁ 4개의 라인에 대해 특정 주파수에서 측정했습니다.

아래 공식 사용: ⁵

α'_d를 계산할 수 있습니다. (즉, 불일치 손실을 보정한 후 단위 길이당 감쇠) 두 라인에 대해. 그림 4에 표시된 결과 전기적으로 짧은 라인 섹션(즉, 10MHz ~ 100MHz에서 약 0.20dB/cm, 약 1GHz에서 0.32dB/cm)에 대해 단위 길이당 매우 낮은 감쇠를 나타냅니다.

4. 50mm 및 80mm 길이의 라인에 대해 단위 길이당 계산된 감쇠가 제공됩니다.

금속화 증가

이러한 RF 전송 라인의 성능을 향상시키기 위해 새로운 라인 세트가 제조되었습니다. 이번에는 옴 손실을 줄이기 위해 패시베이션 단계 후에 구리 전기도금 단계를 추가했습니다. 이 라인은 강성이 약간 증가했지만 이전에 제조된 라인과 유사한 외관을 가졌습니다.

그림 5 표준 Pireta 무전해(EL) 공정을 사용하여 제조된 전송 라인 세트와 전기 도금(EP) 구리의 추가 층으로 제조된 새로운 라인 세트 모두에 대해 단위 길이당 측정된 감쇠를 보여줍니다. 결과를 직접 비교할 수 있도록 설계 및 테스트 매개변수를 동일하게 유지했습니다. 전기도금 매개변수는 50mA/cm ² 였습니다. 10분 동안.

<엠>5. 무전해(EL) 및 전기도금(EP) 50mm 및 80mm 라인 간의 단위 길이당 감쇠 비교가 수행되었습니다.

결과는 10~100MHz의 주파수 범위에서 상당한 개선을 보여줍니다. 100MHz 이상에서는 손실이 점차 증가하기 시작합니다. 그럼에도 불구하고, 결과는 무전해 라인과 비교하여 0.2dB/cm 개선을 계속하여 1GHz에서 0.3dB/cm의 단위 길이당 손실을 나타냅니다.

이러한 손실 증가는 선의 불가피한 기하학적 불완전성, 직조 패턴으로 인한 인쇄된 특징의 거친 가장자리 및 직물 자체의 거칠기 때문인 것으로 생각됩니다. 더 나은 디자인과 더 미세한 직물이 결과를 개선할 것이라고 가정하는 것이 논리적입니다. Pireta 기술의 적합성은 응용 프로그램의 요구 사항에 따라 다릅니다. 구리 전기도금을 통해 사용 가능한 주파수를 최소 1GHz까지 확장할 수 있습니다.

조직 근접성

6. 감쇠는 인체 조직(손가락), 조직 사이에 스페이서가 있는 경우, 전송 라인과 조직 사이에 접힌 인쇄된 패브릭의 경우에 나타납니다.

피레타 기술을 의복에 사용하려면 피부에 닿았을 때 사용하기에 적합해야 합니다. 손실 매체인 본체가 전송선의 성능을 저하시킬 것으로 예상됩니다. 이것은 그림 6에서 볼 수 있습니다. , 세 개의 손가락이 전송선 바로 아래에 놓였을 때 (그림 7a) .

7. 80mm 전송선은 아래에 손(a), 손과 선 사이의 절연층(b), 아래에 접힌 또 다른 선과 아래에 손(c)으로 테스트되었습니다. (결과는 그림 6 참조).

핑거와 라인 사이에 절연층이 삽입된 경우에도 유사한 성능 저하가 관찰되었습니다. (그림 7b) . 그러나 선 아래에 다른 전도성 직물 층이 배치되면 성능은 거의 동일하게 유지됩니다. (그림 7c) . 이는 올바른 설계가 주어지면 성능에 대한 인체의 영향을 거의 제거할 수 있음을 보여줍니다.

평평하지 않은 패브릭

8. 직물 전송 라인에 U-bend(a), wiggle(b), misaligned(c) 및 180° 비틀림(d)의 4가지 다른 테스트 조건이 적용되었습니다.

마지막으로, 직물 기재의 다양한 왜곡 조건(즉, 평평함, U자 굽힘, 흔들기, 정렬불량 및 꼬임)에서 라인을 테스트했습니다(그림 8 ). 그림 9 이 모든 테스트 조건에 대한 결과를 보여줍니다. 이러한 다양한 테스트 조건의 결과로 측정된 성능에는 거의 변화가 없으며 흔들기 구성에서는 손실이 약간 더 클 뿐입니다. 이는 이러한 전송 라인에서 관찰된 피크의 이동에서 알 수 있듯이 라인의 서로 다른 섹션 사이에 커플링이 형성되었기 때문일 수 있습니다.

9. 이것은 5가지 테스트 조건(평평, U자형 굽힘, 흔들기, 오정렬 및 비틀림) 모두에 대해 단위 길이당 측정된 감쇠입니다.

결과 및 향후 작업

보고된 결과는 최소 1GHz 및 아마도 그 이상까지의 RF 애플리케이션을 위해 패브릭에 전송 라인을 생성하는 프로세스의 가능성을 보여줍니다. 주파수(AM:0.3~3MHz, FM:30~300MHz), RFID(3~30MHz), 무선 통신(Wi-Fi/Bluetooth:2.4GHz, 위성 라디오:1.4)의 무선 통신 범위에 해당합니다. /2.3GHz). 이러한 전송 라인의 성능에 대한 인체 조직의 영향을 제거할 가능성이 있는 이 접근 방식은 웨어러블 RF 애플리케이션에 사용될 수 있습니다. 이는 측정된 라인 손실에 거의 영향을 미치지 않는 직물 왜곡에 대한 관찰된 복원력에 의해 더욱 뒷받침됩니다.

향후 단계에는 반사 손실을 개선하기 위해 평면 구조를 최적화하는 작업이 포함됩니다. 또한 기존의 솔리드 메탈 트랙 라인과 비교하여 패브릭 기판의 유전 상수, 전도성 라인의 두께 및 불균일한 전류 경로가 모두 고려됩니다.

결론

Pireta 기술은 아직 초기 단계이지만 5G 스펙트럼의 sub-6GHz 끝을 포함하여 많은 통신 응용 프로그램의 RF 요구 사항을 충족하는 전자 섬유 기술을 제공할 수 있음이 입증되었습니다. 동시에, 이 기술은 핸들, 드레이프 및 통기성의 직물 특성에 영향을 미치지 않습니다. 이 흥미로운 속성 조합은 많은 응용 분야에서 중요한 기회를 제공하고 잠재적으로 새로운 제품 개발의 문을 열어줍니다.

참조

<올>

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