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 액체 금속(liquid metal)을 쓸 수도 있다.
[그림 1] T-1000의 모습(출처: wikipedia.org)
액체 금속이라 하면 고전 영화인 터미네이터 2에 나온 [그림 1]의 T-1000을 떠올릴 수 있지만, 그냥 액체 성질을 가진 금속이라 생각하면 된다. 액체의 성질을 가지므로 당연히 잘 휘어진다.
[그림 2] 액체 금속으로 만든 휘어지는 안테나(출처: [1])
[그림 2]는 액체 금속과 탄성 중합체(elastomer)를 이용해 만든 마이크로스트립[간략하게 μ스트립] 패치 안테나(microstrip patch antenna)이다. 액체 금속이므로 전류를 흘릴 수 있어 안테나 역할을 할 수 있지만 액체이기 때문에 기계적 강도가 없어 반드시 액체를 담을 용기가 필요하다. [그림 2]에서는 탄성 중합체가 액체 용기 역할을 한다. 탄성 중합체는 점성과 탄성을 동시에 갖는 휘어지는 고분자(polymer with viscoelasticity)라고 생각하면 된다. [1]에서는 탄성 중합체 중에서 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 이용해 기판을 만들어 기계적 강도를 얻고 있다. PDMS를 소리나는대로 읽으면 폴리-다이-메틸-실록산이 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. 그러니 헷갈리지 않는다. 우리말로는 분명 같지만, 영어로는 확실히 틀리다. 3.45 GHz 근처에서 PDMS의 유전율(permittivity)은 3.0, 손실 탄젠트(loss tangent)는 0.05 정도가 된다. 액체 금속으로 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 갈륨–인듐) 합금을 이용해서 안테나를 제작했다. EGaIn은 어는점이 15.5 ℃여서 실온에서 액체 금속이 된다[1]. 또한, EGaIn은 얇은 산화막이 저절로 생겨 수은과는 다르게 얇은 덩어리가 되지 않고 하나의 액체 금속 역할을 한다. EGaIn의 전도도(conductivity)는 $3.4 \times 10^6$ S/m이다. 구리의 전도도가 $5.96 \times 10^7$ S/m이므로, EGaIn의 전도도는 구리보다 나쁘다.
[그림 3] 액체 금속 마이크로스트립 패치 안테나 제작 방법(출처: [1])
하지만, EGaIn으로 패치 안테나와 같은 구조를 만들 때는 문제가 있다. 액체 금속이 패치 내부를 불균일하게 채우고 기포도 생성될 수 있기 때문에 패치구조를 특별히 설계해야 한다. [그림 3]에서는 패치 내부에 PDMS 기둥을 잘 세워서 액체 금속이 흐를 수 있는 구불구불한 작은 길(serpentine microchannel)을 만들어 액체 금속이 골고루 잘 퍼지도록 설계했다.
[그림 4] 액체 금속 마이크로스트립 패치 안테나의 반사도 특성(출처: [1])
[그림 4]는 [그림 3]의 방법으로 제작해 측정한 액체 금속 μ스트립 패치 안테나의 반사도 특성을 보여준다. 안테나가 곡률 반경(radius of curvature) 12.7 mm로 휘어졌을 때 안테나의 반사도가 좋도록 설계했음을 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.
[2] T. Meister, K. Ishida, C. Carta, N. Münzenrieder, and F. Ellinger, "Flexible electronics for wireless communication: a technology and circuit design review with an application example," IEEE Microw. Mag., vol. 23, no. 4, pp. 24–44, Apr. 2022.
[다음 읽을거리]
1. 신기한 투명 안테나
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