고대 3D 종이 예술, 키리가미는 현대 무선 기술을 형성할 수 있습니다.

무선 기술의 미래는 충전 장치부터 통신 신호 증폭까지 전자파를 전송하는 안테나가 점점 더 다재다능해지고 내구성이 뛰어나며 제조하기 쉬워지는 데 달려 있습니다. 드렉셀 대학교와 브리티시 컬럼비아 대학교의 연구자들은 종이를 자르고 접어 복잡한 3차원 디자인을 만드는 고대 일본 예술인 기리가미가 차세대 안테나를 제조하는 모델을 제공할 수 있다고 믿습니다.

최근 Nature Communications 저널에 게재된 Drexel-UBC 팀의 연구에 따르면, 오리가미의 한 종류인 키리가미는 전도성 MXene 잉크로 코팅된 아세트산 시트 한 장을 유연한 3D 마이크로파 안테나로 바꿀 수 있는 것으로 나타났습니다. 이 안테나의 전송 주파수는 안테나 모양을 살짝 바꾸거나 잡아당겨서 간단히 조절할 수 있습니다.

연구자들에 따르면, 이 개념 증명은 투명한 탄성 폴리머 기판 소재에 수성 MXene 잉크를 코팅하기만 하면 안테나를 빠르고 비용 효율적으로 제조할 수 있는 새로운 방법을 나타내므로 중요합니다.

"무선 기술이 소프트 로봇공학 및 항공우주와 같은 분야의 발전을 지원하려면 안테나가 튜닝 가능한 성능과 제작 용이성을 위해 설계되어야 합니다." 드렉셀 공과대학의 Distinguished University 및 Bach 교수이자 연구의 공동 저자인 유리 고고치 박사가 말했습니다. "키리가미는 복잡한 3D 형태를 단일 2D 소재에서 만들 수 있는 단순성으로 인해 제조 공정에 적합한 모델입니다."

표준 마이크로파 안테나는 전자적으로 또는 물리적 형태를 변경하여 재구성할 수 있습니다. 그러나 안테나를 전자적으로 제어하는 ​​데 필요한 회로를 추가하면 복잡성이 증가하여 안테나가 더 크고 오작동에 더 취약하며 제조 비용이 더 많이 듭니다. 이와 대조적으로 이 공동 작업에서 시연된 프로세스는 물리적 형태 변화를 활용하여 다양한 복잡한 모양과 형태의 안테나를 만들 수 있습니다. 이러한 안테나는 유연하고 가볍고 내구성이 뛰어나 이동식 로봇 및 항공우주 구성 요소에서 생존하는 데 중요한 요소입니다.

테스트 안테나를 만들기 위해 연구자들은 먼저 아세트산 시트에 티타늄 카바이드 MXene으로 구성된 특수 전도성 잉크를 코팅하여 주파수 선택 패턴을 만들었습니다. MXene 잉크는 이 응용 분야에서 특히 유용한데, 그 이유는 화학적 구성으로 인해 기판에 강하게 접착되어 내구성 있는 안테나를 만들 수 있고 안테나의 전송 사양을 재구성하도록 조정할 수 있기 때문입니다.

MXene은 2011년 Drexel 연구자들이 발견한 2차원 나노물질 계열로, 화학적 조성을 약간 변경하여 물리적 및 전기화학적 특성을 조절할 수 있습니다. MXene은 전자파 차폐, 생물 여과 및 에너지 저장과 같이 정밀한 물리화학적 거동을 갖는 재료가 필요한 응용 분야에서 지난 10년 동안 널리 사용되었습니다. 또한 전파를 전송하는 효율성과 전자파를 선택적으로 차단하고 전송하도록 조정할 수 있는 능력으로 인해 수년 동안 통신 응용 분야에서도 연구되었습니다.

원래 기원후 4세기와 5세기에 일본에서 개발된 키리가미 기법을 사용하여 연구자들은 MXene 코팅 표면에 일련의 평행한 절단을 만들었습니다. 시트의 가장자리를 잡아당기면 정사각형 모양의 공진 안테나 배열이 2차원 표면에서 튀어나왔습니다. 장력을 변화시키면 배열의 각도가 바뀌었습니다. 이 기능은 안테나의 통신 구성을 빠르게 조정하는 데 사용될 수 있습니다.

연구원들은 테스트를 위해 두 개의 키리가미 안테나 어레이를 조립했습니다. 또한 그들은 센서에 사용되는 구성 요소인 공면 공진기의 프로토타입을 만들어 접근 방식의 다양성을 보여주었습니다. 팀에 따르면, 통신 애플리케이션 외에도 공진기와 재구성 가능한 안테나는 변형 감지에도 사용될 수 있습니다.

"이러한 안테나와 같은 주파수 선택 표면은 특정 주파수에서 전자파를 선택적으로 전송, 반사 또는 흡수하는 주기적 구조입니다." 연구를 이끈 UBC의 준교수이자 수석 연구 위원장인 모하마드 자리피가 말했습니다. "이들은 능동 및/또는 수동 구조를 가지고 있으며, 5G 이상 플랫폼에서 무선 통신의 전파 방향을 제어하기 위해 안테나, 레이돔 및 반사기와 같은 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다."

키리가미 안테나는 일반적으로 사용되는 세 가지 마이크로파 주파수 대역인 2-4GHz, 4-8GHz 및 8-12GHz에서 신호를 전송하는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 또한, 팀은 기판의 기하학과 방향을 바꾸면 각 공진기에서 나오는 파동을 재지정할 수 있다는 것을 발견했습니다.

공진기에서 생성된 주파수는 변형 조건에서 모양이 변형됨에 따라 400MHz만큼 이동했습니다. 이는 이 공진기가 인프라와 건물의 상태를 모니터링하는 변형 센서로 효과적으로 사용될 수 있음을 보여줍니다.

팀에 따르면, 이러한 발견은 관련 구조와 무선 장치에 구성 요소를 통합하기 위한 첫 번째 단계입니다. 키리가미의 수많은 형태에서 영감을 얻은 팀은 이제 새로운 모양, 기판 및 움직임을 탐구하여 안테나의 성능을 최적화하려고 합니다.

"저희의 목표는 안테나 성능의 조절성을 동시에 개선하고 키리가미에서 영감을 받은 디자인과 다재다능한 MXene 나노소재를 통합하여 새로운 마이크로파 구성품에 대한 간단한 제조 공정을 만드는 것이었습니다." 논문의 저자인 브리티시 컬럼비아 대학교의 오미드 닉산 박사가 말했습니다. "이 연구의 다음 단계에서는 안테나에 대한 새로운 소재와 기하학을 탐구할 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241014210337.htm