종이와 잉크젯으로 만드는 안테나(Antenna Made of Paper and Inkjet)

[경고] 아래 글을 읽지 않고 "종이와 잉크젯으로 만드는 안테나"를 보면 바보로 느껴질 수 있습니다.
1. 가장 쉬운 안테나 이론

안테나(antenna)를 제작할 때 가장 비싼 부분은 안테나용 기판(substrate)과 식각(etching) 비용이다. 이 비용을 획기적으로 줄여서 안테나를 값싸게, 가볍게, 휘어지게, 환경친화적으로 만드는 기술이 종이와 잉크젯으로 만드는 안테나 기술[1], [3]이다. 식각 공정을 이용하지 않기 때문에 환경을 오염시키는 부산물이 나오지 않고 안테나 제작도 빠르게 할 수 있다.

[그림 1] 잉크젯 프린터를 이용해 잉크를 뿌린 모습(출처: [1])

[그림 1]은 일반적인 잉크젯 프린터(inkjet printer)를 이용해 출력한 경우 잉크 방울의 특성을 보여준다. 잉크젯 프린터를 조정해서 선을 그릴 수도 있고 점을 찍을 수도 있다. 잉크가 전도성을 가지도록 하기 위해 은 나노 입자(silver nanoparticle)가 포함된 잉크를 사용했다. 은 나노 입자가 잉크에 잘 흩어지도록 입자 표면에 얇은 중합체(polymer)를 입혔다. 은 나노 입자는 [2]에서 구입할 수 있다.

[그림 2] 종이 기판 위에 잉크젯으로 형성한 비발디 안테나(출처: [1])

참고문헌 [1]에서는 사진 전용 인화지(photo paper)를 기판으로 사용해 비발디 안테나(Vivaldi antenna)를 만들었다. 인화지는 손실(loss)이 좀 크지만 12.5 GHz까지 사용할 수 있다. 주파수 6.5 GHz를 기준으로 인화지의 유전 상수(dielectric constant)는 3, 손실 탄젠트(loss tangent)는 0.06 정도 된다. 이 인화지에 은 나노 입자가 든 잉크를 잉크젯 프린터로 뿌려 비발디 안테나 패턴을 만들었다. 하지만 은 나노 입자 표면에 입혀진 중합체로 인해 전도성을 띠지 않기 때문에, 열이나 레이저로 중합체를 녹여 전도성이 커지도록 한다.

[참고문헌]

[1] B. S. Cook and A. Shamim, "Inkjet printing of novel wideband and high gain antennas on low-cost paper substrate," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 9, pp. 4148–4156, Sept. 2012.

[2] 한국 머크(Merck), "Sigma-Aldrich Solutions." (방문일 2012-11-05)

[3] J. Lundquist, L. Linkous, M. E. Piper, Z. Sickey, K. Zimmet, I. Mendoza, S. Suresh, and E. Topsakal, "Textile-based inkjet-printed RFIDs: exploring wearable antennas in the real world," IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 66, no. 1, pp. 50–62, Feb. 2024.

[4] H. Chang, F.-P. Lai, and Y.-S. Chen, "Design and fabrication of optically transparent transmitarrays using inkjet-printing technology," Int. J. Microw. Wirel. Technol., 2024.