RF-E-Textiles Bernapas: Kain Konduktif Fleksibel untuk Komunikasi Wearable

Ditulis oleh Mario D’Auria, John Greenwood, dan Chris Hunt di Pireta, bersama dengan Martin Salter dan Nick Ridler di Laboratorium Fisika Nasional (NPL), kami menyajikan metode pioneering untuk menyetor jalur konduktif langsung pada kain. Inovasi ini membuka jalan ke spektrum luas perangkat wearable.

Di domain RF, upaya besar telah difokuskan pada substrate performa tinggi yang mengurangi kehilangan dan memperluas bandwidth operasional. Sementara banyak opsi sekarang tersedia, mereka sebagian besar kaku atau setengah-fleksibel, mengabaikan pasar di mana performa ekstrim tidak diperlukan tetapi kepatuhan mekanis esensial.

Sementara perangkat menyusut dan biaya turun, teknologi wearable menjadi fokus sentral untuk industri yang bervariasi dari kesehatan hingga pertahanan dan kebugaran. Manufaktur konvensional bergantung pada komponen kaku, membuat miniaturisasi menantang, terutama untuk sistem RF di mana geometri erat terikat pada frekuensi.

Wearable nirkabel yang besar dan membandel membatasi kebebasan dan kenyamanan pengguna. Teknologi kain konduktif kami menyediakan kebebasan spasial dan desain sambil mempertahankan fleksibilitas dan kemampuan bernapas.

Proses proprietary Pireta, kompatibel dengan serat alami dan sintetik, terdiri dari lima langkah rendaman—pembersihan, sensitisasi, cetakan lapisan benang, penurunan logam elektroless, dan passivasi—bersama dengan lapisan benang yang dapat dicetak yang memberikan kebebasan geometri.

Metode ini dapat diskalakan dan berbagi langkah dengan pencetakan digital roll-to-roll, memungkinkan produksi skala besar. Logam melapisi seret tanpa mengurangi penanganan, drap, regangan, atau kemampuan bernapas.

Transmission lines, esensial untuk evaluasi RF, dibuat pada kain drill katun menggunakan proses Pireta. Dua bagian strip coplanar (lacak 5 mm lebar, jarak 2 mm) dibuat dengan panjang 50 mm dan 80 mm. Lacak pertama di-seed dengan perak, kemudian dipoles dengan tembaga, dan akhirnya di-passivasi dengan lapisan perak.

Setelah fabriksi, lebar lacak aktual diukur 5,5 mm dan jarak 1,7 mm. Konektor SMA female di-solder pada ujung, proses yang dimungkinkan oleh lapisan logam yang seragam.

Pengukuran VNA

Pengukuran dilakukan di NPL dengan analis jaringan vektor Keysight PNA-X di seluruh 10 MHz–10 GHz. Konektor presisi 3,5 mm (berrating hingga 33 GHz) digunakan; konektor SMA umum hingga ~12 GHz. Kalibrasi short-open-load-thru dilakukan sebelum tes.

Gambar 2 dan 3 menunjukkan S-parameter untuk garis 50 mm dan 80 mm. Koefisien refleksi (S_11 dan S_22) buruk di atas 100 MHz, kemungkinan karena batas resolusi pencetakan. Menerapkan impedance transformer dapat mengurangi ketidaccocokan ini. Nilai S_11 dan S_22 yang hampir identik mengonfirmasi repeatabilitas konektor yang baik.

Koefisien transmisi (S_12, S_21) tetap dapat diterima hingga 2 GHz, menunjukkan garis berfungsi setelah ketidaccocokan diatasi. Tabel 1 meringkas kehilangan S_21 pada frekuensi terpilih.

Menggunakan rumus attenuasi standar, kehilangan per satuan panjang yang dikoreksi (α_d) dihitung (lihat Gambar 4). Untuk bagian pendek, kehilangan sangat rendah: ~0,20 dB cm⁻¹ dari 10 MHz hingga 100 MHz, meningkat hingga ~0,32 dB cm⁻¹ dekat 1 GHz.

Metalisasi Tingkat Lanjut

Untuk mengurangi kehilangan ohmik, langkah electroplating tembaga ditambahkan setelah passivasi, menciptakan varian electroplated (EP) di samping garis electroless (EL) asli. Keduanya memiliki penampilan serupa, dengan peningkatan kekakuan sedikit.

Garis EP menunjukkan perbaikan 0,2 dB cm⁻¹ dibanding EL di seluruh 10–100 MHz, dengan kehilangan meningkat secara bertahap di atas 100 MHz. Pada 1 GHz, kehilangan EP mencapai 0,3 dB cm⁻¹. Kehilangan yang tersisa dikaitkan pada ketidaksempurnaan geometri dan kekasaran kain; kain yang lebih halus dan desain yang disempurnakan seharusnya meningkatkan performa lebih lanjut.

Interaksi dengan Jaringan Manusia

Ketika garis bersentuhan langsung dengan kulit (Gambar 7a), performa menurun karena sifat kehilangan jaringan. Memperkenalkan spasi isolasi (Gambar 7b) menghasilkan kehilangan yang serupa, sementara menambahkan lapisan konduktif kedua di bawah garis memulihkan performa (Gambar 7c). Hasil ini menunjukkan bahwa, dengan desain yang tepat, efek tubuh dapat diminimalkan sebagian besar.

Efek Distorsi Kain

Gambar 9 menampilkan attenuasi per satuan panjang di seluruh lima kondisi. Garis menunjukkan variasi minimal, dengan peningkatan modest dalam konfigurasi goyang, kemungkinan karena kopling antar-segmen.

Hasil dan Kerja Masa Depan

Data mengonfirmasi bahwa transmission lines kain konduktif dapat beroperasi secara efektif setidaknya hingga 1 GHz, mencakup pita AM, FM, RFID, Wi-Fi/Bluetooth, dan radio satelit. Dengan menutralkan pengaruh jaringan manusia dan menunjukkan ketahanan terhadap distorsi, teknologi ini cocok untuk aplikasi RF wearable. Kerja masa depan akan mengoptimalkan geometri datar, menyelidiki konstanta dielectric substrat, ketebalan garis, dan mengatasi jalur arus yang tidak seragam relatif terhadap jejak logam padat konvensional.

Kesimpulan

Proses e-textile Pireta, meskipun masih berkembang, menunjukkan kemampuan untuk memenuhi persyaratan RF banyak aplikasi telekomunikasi, termasuk sub-6 GHz 5G, sambil mempertahankan properti tekstil seperti penanganan, drap, dan kemampuan bernapas. Kemampuan ganda ini membuka jalan baru untuk inovasi produk di berbagai sektor.

Referensi

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Microstrip Lines and Slotlines. London: Artech House, 2013, hal. 376–377.
2. IEEE Std 287‑2007, “IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz).”
3. IEC 60169‑15:1979, “Radio‑frequency connectors. Part 15: R.F. coaxial connectors with inner diameter of outer conductor 4.13 mm (0.163 in) with screw coupling – Characteristic impedance 50 Ω (Type SMA).”
4. S. Rehnmark, “On the Calibration Process of Automatic Network Analyzer Systems,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Apr 1974, hal. 457–458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, “Attenuation measurement,” in Microwave Measurements, London, U.K.: IEE, hal. 132–134, 1989.