2012년 6월 25일 월요일

액체금속(liquid metal)을 이용한 휘어지는 안테나(flexible antenna)


[경고] 아래 글을 읽지 않고 "휘어지는 안테나"를 보면 바보로 느껴질 수 있습니다.
1. 가장 쉬운 안테나 이론
2. 입는 안테나


입는 안테나(wearable antenna)에 쓰이는 직물 안테나(textile antenna) 기법을 이용해도 휘어지는 안테나(flexible antenna)를 만들 수 있지만 또다른 기법으로 액체금속(liquid metal)을 쓰는 방법도 있다.

[그림 1] T-1000의 모습(출처: wikipedia.org)

액체금속이라 하면 "터미네이터 2"에 나온 [그림 1]의 T-1000을 떠올릴 수 있지만 그냥 액체성질을 가진 금속이라 생각하면 된다. 액체의 성질을 가지므로 당연히 잘 휘어진다.

[그림 2] 액체금속으로 만든 휘어지는 안테나(출처: [1])

[그림 2]는 액체금속과 탄성중합체(elastomer)를 이용해 만든 MS 패치안테나(microstrip patch antenna)이다. 액체금속이므로 전류를 흘릴 수 있어 안테나 역할을 할 수 있지만 액체이기 때문에 기계적 강도가 없어 반드시 액체를 담을 용기가 필요하다. [그림 2]에서는 탄성중합체가 액체 용기 역할을 한다.
탄성중합체는 점성과 탄성을 동시에 갖는 휘어지는 고분자(polymer with viscoelasticity)라고 생각하면 된다. [1]에서는 탄성중합체 중에서 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 이용해 기판을 만들어 기계적 강도를 얻고 있다. PDMS를 소리나는대로 읽으면 '팔이-다이-메썰-실앜세인'이 된다. 쉽게 얘기하면 PDMS는 접착제로 많이 쓰는 투명한 실리콘(silicone)으로 볼 수 있다. 여기서 실리콘은 규소를 의미하는 실리콘(silicon)이 아니고 규소 수지를 뜻하는 실리콘(silicone)이다. 헷갈리지 말자. 우리말로는 같지만 영어로는 분명히 틀리다. 3.45 [GHz] 근처에서 PDMS의 유전율(permittivity)은 3.0, 손실탄젠트(loss tangent)는 0.05 정도가 된다.
액체금속은 수은(mercury)을 떠올릴 수 있지만 독성이 있고 구슬처럼 덩어리가 되는 성질이 있어 휘어지는 안테나 소재로는 적합하지 못하다. 그래서 [1]에서는 EGaIn(eutectic Gallium-Indium: 공융(共融) 갈륨-인듐) 합금을 이용해서 안테나를 제작했다. EGaIn은 어는점이 15.5 °C여서 실온에서는 액체금속이 된다[1]. 또한, EGaIn은 얇은 산화막이 저절로 생겨 수은과는 다르게 얇은 덩어리가 되지 않고 하나의 액체금속 역할을 한다. EGaIn의 전도도(conductivity)는 3.4×10^6 [S/m]이다. 구리의 전도도가 5.96×10^7 [S/m]이므로 EGaIn의 전도도는 좋은 편은 아니다.

[그림 3] 액체금속 MS 패치안테나 제작방법(출처: [1])

하지만, EGaIn으로 패치안테나와 같은 구조를 만들 때는 문제가 있다. 액체금속이 패치 내부를 불균일하게 채우고 기포도 생성될 수 있기 때문에 패치구조를 특별히 설계해야 한다. [그림 3]에서는 패치 내부에 PDMS 기둥을 잘 세워서 액체금속이 흐를 수 있는 구불구불한 작은 길(serpentine microchannel)을 만들어 액체금속이 골고루 잘 퍼지도록 설계했다.

[그림 4] 액체금속 MS 패치안테나의 반사도 특성(출처: [1])

[그림 4]는 [그림 3]의 방법으로 제작해 측정한 액체금속 MS 패치안테나의 반사도 특성을 보여준다. 안테나가 곡률반경(radius of curvature) 12.7 [mm]로 휘어졌을 때 안테나의 반사도가 좋도록 설계한 것을 볼 수 있다.

[참고문헌]
[1] G. J. Hayes, J.-H. So, A. Qusba, M. D. Dickey, and G. Lazzi, "Flexible liquid metal alloy (EGaIn) microstrip patch antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 60, no. 5, pp. 2151-2156, May 2012.

[다음 읽을거리]
1. 신기한 투명 안테나
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