ワイヤレスウェアラブル通信アプリケーション向けの柔軟性と導電性に優れたプリントグラフェン

Scientific Reports volume 5、記事番号: 18298 (2016) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この論文では、ワイヤレスウェアラブル通信アプリケーション向けの、高導電性、高柔軟性、軽量、低コストのプリントグラフェンについて報告します。 概念実証として、印刷されたグラフェンを使用した紙基板上の伝送線路とアンテナが設計、製造、特性評価されました。 ウェアラブル通信アプリケーションにおけるその可能性を探るため、さまざまな曲げケースの下で機械的に柔軟な伝送線路とアンテナが実験的に研究されました。 測定結果は、印刷されたグラフェンが RF 信号の送信、放射、受信に使用できることを示しており、これはワイヤレスウェアラブル通信システムにおける RF 信号処理の重要な機能の一部を表しています。 さらに、印刷されたグラフェンは低温で処理できるため、紙や繊維などの熱に弱い柔軟な素材と互換性があります。 この研究により、近い将来、グラフェンを利用した低コストで環境に優しい無線ウェアラブル通信システムを実装する見通しに一歩近づきました。

ワイヤレス ウェアラブル通信は、ヘルスケアおよびフィットネスのモニタリング 1、2、モバイル ネットワーク/インターネット 3、スマート スキン 4、5、6、機能性衣類 7 などの分野で数多くの可能性がもたらされるため、研究の関心が高まっている分野です。 無線周波数 (RF) フロントエンドは、RF 信号を送受信するあらゆる通信システムの基本的な構成要素です。 RF フロントエンドには、アンテナ、伝送線路 (TL)、インピーダンス整合ネットワークなどの受動コンポーネントと、パワーアンプ、低ノイズアンプ (LNA)、周波数ミキサー、局部発振器などの能動回路が含まれます8。 従来、RF フロントエンドは主に PCB (プリント基板) 技術を使用して組み立てられていましたが、紙や繊維などのフレキシブル基板との統合には大きな課題が生じていました4。 これに取り組むために、繊維糸に金属をコーティング/メッキすることが提案されました9,10。 しかし、これらのアプローチでは、たとえ金属がフレキシブル基板上に堆積されたとしても、製造手順は複雑で効率が低く、使用される材料は高価であり、低コストのワイヤレスウェアラブルアプリケーションでの大量導入には適していませんでした。 銀ナノワイヤ (AgNW)、導電性ポリマー、カーボン ナノチューブもウェアラブル エレクトロニクス用途向けに開発されています。 AgNW は導電性が高いですが 11、RF アプリケーションに十分低いシート抵抗を得るには、比較的厚い AgNW コーティングが必要です 11,12 (ほぼ 11 の場合は 230)。その結果、銀が希少で高価であるため、大量生産のコストが高くなります 13。 導電性ポリマーに関しては、センサーや太陽電池などのフレキシブルエレクトロニクスに使用できますが、導電率が低すぎるため、RF 信号の送信や放射に使用できません 14,15。 導電性ポリマーは、化学的および熱的不安定性によっても制限されます16。 カーボン ナノチューブは、重なり合ったナノチューブ間の接合抵抗が高いため 17,18 を超える典型的なシート抵抗を持ちますが、実際の RF 回路要件を満たすほど十分な導電性はまだありません。

しかし、カーボンナノチューブの同素体であるグラフェンは、その高い導電性と独特の特性により、ワイヤレスウェアラブル通信アプリケーションにとって非常に有望な材料です5,19。 これまで研究者らは、トランジスタやダイオードなどの能動デバイスを製造するためのグラフェンの応用を集中的に研究してきました。 4 値デジタル変調器は、2 つのグラフェン トランジスタを使用して実現されました5。 RF 帯域での増幅器は、グラフェン電界効果トランジスタを使用して実験的に実証されました 20、21。 周波数ミキサー 22、23 や発振器 24、25 などの他の能動デバイスもデモンストレーションされました。 最近では、信号増幅、フィルタリング、ダウンコンバージョンを実行するモノリシック グラフェン RF 受信機集積回路 (IC) も報告されています 26。