통기성 RF-E-텍스타일: 착용형 통신을 위한 유연한 전도성 직물

개요

Pireta의 Mario D'Auria, John Greenwood, Chris Hunt와 국립물리연구소(NPL)의 Martin Salter, Nick Ridler가 공동으로 직물에 직접 전도성 트랙을 증착하는 개척적인 방법을 제시합니다. 이 혁신은 광범위한 착용형 장치로의 길을 엽니다.

RF 분야에서는 손실을 줄이고 동작 대역폭을 확장하는 고성능 기판에 많은 노력이 집중되어 왔습니다. 많은 옵션이 이제 이용 가능하지만, 이들은 주로 경질이거나 반유연할 뿐, 극한의 성능은 불필요하지만 기계적 순응성이 필수적인 시장을 간과하고 있습니다.

장치가 소형화되고 비용이 하락함에 따라 착용형 기술은 헬스케어부터 방위, 피트니스까지 다양한 산업의 핵심 초점이 되고 있습니다. 기존 제조는 경질 부품에 의존하여 소형화를 어렵게 만들며, 특히 지오메트리가 주파수와 밀접하게 연결된 RF 시스템에서는 더욱 그렇습니다.

크고 부피가 큰 무선 착용형 기기는 사용자의 자유와 편안함을 제한합니다. Pireta의 전도성 직물 기술은 유연성과 통기성을 유지하면서 공간 및 설계 자유도를 제공합니다.

Pireta의 독점 공정은 천연 및 합성 섬유와 호환되며, 5단계 침지 공정(세정, 감광, 시드 층 프린팅, 무전해 금속 증착, 패시베이션)과 기하학적 자유도를 주는 프린터블 시드 층으로 구성됩니다.

이 방법은 롤투롤 디지털 프린팅과 공정을 공유하여 대량 생산에 확장 가능합니다. 금속이 섬유를 코팅하면서 핸들, 드레이프, 신축성, 통기성을 손상시키지 않습니다.

전송선 제작 및 평가

RF 평가를 위한 전송선은 Pireta 공정으로 면 드릴 직물에 제작되었습니다. 두 개의 코플래너 스트립 섹션(5mm 폭 트랙, 2mm 간격)을 50mm와 80mm 길이로 제작했습니다. 트랙은 먼저 은으로 시드된 후 구리로 도금되고 마지막으로 은 층으로 패시베이션되었습니다.

제작 후 실제 트랙 폭은 5.5mm, 간격은 1.7mm로 측정되었습니다. 균일한 금속 코팅 덕분에 SMA 암 커넥터를 양단에 납땜할 수 있었습니다.

VNA 측정

측정은 Keysight PNA-X 벡터 네트워크 분석기로 10MHz~10GHz 범위에서 NPL에서 수행되었습니다. 정밀 3.5mm 커넥터(33GHz 정격) 사용; SMA 커넥터는 ~12GHz까지 일반적. Short-Open-Load-Thru 캘리브레이션 후 테스트 진행.

그림 2와 3은 50mm와 80mm 라인의 S-파라미터를 보여줍니다. 반사 계수(S11, S22)는 100MHz 이상에서 좋지 않으며, 이는 프린팅 해상도 제한 때문일 가능성이 높습니다. 임피던스 트랜스포머 구현으로 이 미스매치를 완화할 수 있습니다. 거의 동일한 S11과 S22 값은 우수한 커넥터 반복성을 확인시켜 줍니다.

전송 계수(S12, S21)는 2GHz까지 허용 가능한 수준을 유지하여, 미스매치가 해결되면 라인이 기능적임을 시사합니다. 표 1은 선택된 주파수에서 S21 손실을 요약합니다.

표준 감쇠 공식으로 단위 길이당 보정된 손실(α_d)을 계산했습니다 (그림 4 참조). 짧은 섹션에서 손실은 놀랍게 낮습니다: 10MHz~100MHz에서 ~0.20 dB/cm, 1GHz 근처에서 ~0.32 dB/cm로 상승.

향상된 금속화

옴 손실을 줄이기 위해 패시베이션 후 구리 전기 도금 단계를 추가하여, 원래 무전해(EL) 라인 옆에 전기 도금(EP) 변형을 만들었습니다. 두 세트 모두 외관이 유사하며 약간의 강성 증가만 보였습니다.

EP 라인은 10~100MHz에서 EL 대비 0.2 dB/cm 개선을 보이며, 100MHz 이상에서는 점진적으로 손실이 상승합니다. 1GHz에서 EP 손실은 0.3 dB/cm에 도달. 잔여 손실은 기하학적 불완전성과 직물 거칠기에 기인하며, 더 미세한 직물과 정교한 설계로 추가 개선 가능.

인체 조직과의 상호작용

라인이 피부에 직접 접촉할 때(그림 7a), 조직의 손실 특성으로 성능이 저하됩니다. 절연 스페이서 도입(그림 7b)은 유사한 손실을 보이나, 라인 아래에 두 번째 전도성 층을 추가하면 성능이 복원됩니다(그림 7c). 이 결과는 적절한 설계로 신체 영향을 크게 완화할 수 있음을 시사합니다.

직물 변형의 영향

그림 9는 다섯 가지 조건 모두에서 단위 길이당 감쇠를 보여줍니다. 라인은 최소한의 변동을 보이며, 위글 구성에서만 약간의 증가가 있어 세그먼트 간 결합 때문으로 보입니다.

결과 및 향후 과제

데이터는 전도성 직물 전송선이 최소 1GHz까지 효과적으로 동작할 수 있음을 확인합니다. 이는 AM, FM, RFID, Wi-Fi/블루투스, 위성 라디오 대역을 커버합니다. 인체 조직의 영향을 중립화하고 변형에 대한 회복력을 보여줌으로써 이 기술은 착용형 RF 애플리케이션에 적합합니다. 향후 작업은 평면 지오메트리 최적화, 기판 유전율, 라인 두께 조사, 기존 고체 금속 트랙 대비 불균일한 전류 경로 해결을 포함합니다.

결론

Pireta의 e-텍스타일 공정은 아직 초기 단계지만, 서브-6GHz 5G를 포함한 많은 통신 애플리케이션의 RF 요구 사항을 충족하면서 핸들, 드레이프, 통기성 같은 직물 특성을 보존할 수 있음을 입증했습니다. 이 이중 능력은 다양한 분야에서 제품 혁신의 새로운 길을 엽니다.

참고문헌

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Microstrip Lines and Slotlines. London: Artech House, 2013, pp. 376–377.
2. IEEE Std 287-2007, "IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz)."
3. IEC 60169-15:1979, "Radio-frequency connectors. Part 15: R.F. coaxial connectors with inner diameter of outer conductor 4.13 mm (0.163 in) with screw coupling – Characteristic impedance 50 Ω (Type SMA)."
4. S. Rehnmark, "On the Calibration Process of Automatic Network Analyzer Systems," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Apr 1974, pp. 457–458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, "Attenuation measurement," in Microwave Measurements, London, U.K.: IEE, pp. 132–134, 1989.