KR102236940B1 - 섬유형 패치 안테나 및 그의 제조방법 - Google Patents

섬유형 패치 안테나 및 그의 제조방법 Download PDF

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소주희
이정훈
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이현경
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한국생산기술연구원
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Abstract

섬유형 패치 안테나 및 그의 제조방법을 개시한다. 상기 섬유형 패치 안테나는 그라운드층, 유전체층 및 방사층을 포함하고, 상기 유전체층(dielectric layer, 200)은 유전체를 포함하고, 상기 그라운드층(ground layer, 100)은 상기 유전체층(200)의 하면 상에 형성된 제1 직물기재(120); 및 상기 제1 직물기재(120)의 하면 상에 형성되고 전도체를 포함하는 제1 전도부(110);를 포함하고, 상기 방사층(radiation layer, 300)은 상기 유전체층(200)의 상면 상에 형성되는 제2 직물기재(320); 및 상기 제2 직물기재(320)의 상면 상에 형성되고 전도체를 포함하는 제2 전도부(310);를 포함할 수 있다. 본 발명의 섬유형 패치 안테나의 직물기재는 편평사(flat yarn)로 인해 낮은 표면 거칠기, 편평한 표면, 작은 기공 및 균일한 전도성 패턴을 갖는 효과가 있다. 또한 본 발명의 섬유형 패치 안테나는 상용 안테나에 비해 우수한 성능을 갖는 효과가 있다.

Description

섬유형 패치 안테나 및 그의 제조방법{TEXTILE PATCH ANTENNA AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}
본 발명은 섬유형 패치 안테나 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 편평사(flat yarn)를 포함하는 직물기재에 전도성 잉크를 스크린 프린팅하고, 이를 안테나의 그라운드층 및 방사층으로 사용하는 섬유형 패치 안테나에 관한 것이다.
차세대 웨어러블 기기는 기존 직물과 유사한 높은 유연성과 적합성으로 착용자의 편안함을 향상시키기 위해 전자 직물(Electronic textile, E-textile)이 필요하다. 전자 직물은 운동복, 군복, 소방복, 건강 관리 제품 및 추적 시스템과 같은 다양한 웨어러블 의류에 적용할 수 있기 때문에 중요한 관심사가 되었다.
직물기재에 전도성 물질을 패턴화하는 두 가지 방식이 있다. 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 디스펜싱 및 스프레이 코팅 등 전도성 잉크 또는 현탁액을 사용하거나 자수, 뜨개질, 자카드 직조(Jacquard weaving) 및 스티칭 등 전도성 실(yarn)을 사용할 수 있다.
자수(embroidery)는 직물기재에 전도성 실을 적용하는 방법 중 하나로, 면 및 폴리에스테르와 같은 비전도성 직물에 전도성 라인(line) 또는 영역(area)을 패턴화하는데 사용될 수 있다. 그러나, 자수 공정은 시간이 오래 걸리고 넓은 영역을 채울 때 고해상도를 얻는 데 어려움이 있을 수 있다. 또한, 자수 영역이 두껍고 단단한 구조를 가져 최종 웨어러블 장치의 유연성 및 신축성을 저하시키는 문제점이 있다.
잉크젯 프린팅 및 디스펜싱과 같이 전도성 잉크 또는 현탁액을 사용하는 다이렉트 프린팅 공정은 매우 높은 해상도로 다양한 패턴을 만들 수 있기 때문에 집중적으로 연구되었다. 그러나, 다이렉트 프린팅은 공정 속도가 X 및 Y축에서 앞뒤로 움직여야 하는 작은 노즐 또는 니들에 의존하기 때문에 자수와 유사한 단점이 있으며, 넓은 영역을 채우기 위해 공정 시간이 증가한다. 프린팅 기술의 또 다른 단점은 노즐 막힘(nozzle clogging)이다. 전도성 잉크는 일반적으로 금속 입자 현탁액이므로, 입자 크기, 용매의 종류, 잉크의 농도 및 점도, 적용된 공기의 압력이 제어되지 않으면 노즐 끝의 작은 개구부가 막히기 쉽다.
스크린 프린팅 기술은 스크린 메쉬의 개구부(opening)를 통해 전도성 잉크를 압착하는 블레이드를 사용하여 직물에 적용한다. 위에서 언급한 기술과 달리, 스크린 프린팅은 간단하고, 빠르게 대규모 패턴을 생성하며, 최대 수백 μm의 고해상도를 얻을 수 있다.
대부분의 직물기재는 높은 다공성을 갖는 거친(rough) 표면을 가지므로 스크린 프린팅 시 균일한 전도성 패턴을 형성하기에 불리한 문제점이 있다. 일부 연구자들은 전도성 잉크를 인쇄하기 전에 거친 직물기재 상에 유연한 폴리머 필름을 적용하여 상기 문제점을 해결하려 했으나, 이는 유연성, 적합성, 통기성을 저하시키고 직물 기재의 질감을 완전히 변화시키는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 편평사(flat yarn)로 인해 낮은 표면 거칠기, 편평한 표면, 작은 기공 및 균일한 전도성 패턴을 갖는 직물기재를 포함하는 섬유형 패치 안테나를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 상용 안테나에 비해 우수한 성능을 갖는 섬유형 패치 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 그라운드층, 유전체층 및 방사층을 포함하는 안테나에 있어서, 상기 유전체층(dielectric layer, 200)은 유전체를 포함하고, 상기 그라운드층(ground layer, 100)은 상기 유전체층(200)의 하면 상에 형성된 제1 직물기재(120); 및 상기 제1 직물기재(120)의 하면 상에 형성되고 전도체를 포함하는 제1 전도부(110);를 포함하고, 상기 방사층(radiation layer, 300)은 상기 유전체층(200)의 상면 상에 형성되는 제2 직물기재(320); 및 상기 제2 직물기재(320)의 상면 상에 형성되고 전도체를 포함하는 제2 전도부(310);를 포함하는 것인 섬유형 패치 안테나(10)가 제공된다.
또한 상기 제1 직물기재(120) 및 제2 직물기재(320)가 각각 독립적으로 경사 및 위사를 포함하고, 상기 경사 및 위사가 각각 독립적으로 실다발(bundle of yarns)을 포함하고, 상기 실다발이 복수의 실(yarn)을 다발(bundle) 형태로 포함할 수 있다.
또한 상기 실이 편평사(flat yarn) 및 원형사(round yarn)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종일 수 있다.
또한 상기 실이 편평사(flat yarn)일 수 있다.
또한 상기 그라운드층(100) 및 상기 방사층(300)의 산술평균 편평도(roughness)가 각각 4 내지 9μm일 수 있다.
또한 상기 편평사(flat yarn)는 길이방향에 대한 수직 절단면의 최단 직경(b)에 대한 최장 직경(a)의 종횡비(aspect ratio, a/b)가 5 내지 7일 수 있다.
또한 상기 제1 전도부(110) 및 제2 전도부(310)가 상기 제1 직물기재(120) 및 상기 제2 직물기재(320)에 함침된 전도체를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 실이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate), 나일론(nylon), 폴리아미드(polyamide), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리술폰(polysulfone), 폴리테트라프루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN, poly(ethylene naphthalate)), 면(cotton), 레이온(rayon), 및 실크(silk)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 유전체가 부직포(felt fabric), 우레탄 폼(urethane foam), 고무(rubber), 및 비전도성 일반섬유(nonconductive fabric)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 전도체가 각각 독립적으로 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 유전체층(200)의 두께가 1 내지 3mm일 수 있다.
또한 상기 섬유형 패치 안테나가 상기 유전체층(200)과 제1 직물기재(120) 사이 및 상기 유전체층(200)과 제2 직물기재(320) 사이에 각각 제1 점착층(400) 및 제2 점착층(500)을 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 섬유형 패치 안테나가 상기 그라운드층(100)에 결합된 SMA((SubMiniature version A) 커넥터(600)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 직물기재 상에 스크린 메쉬를 위치시키고 전도체를 포함하는 전도성 잉크를 상기 직물기재 상에 스크린 프린팅하는 단계; (b) 상기 전도성 잉크가 프린팅된 직물기재를 건조함으로써 상기 직물기재 상에 전도체를 포함하는 전도부를 형성하여 직물기재/전도부를 제조하는 단계; (c) 상기 직물기재/전도부를 사용하여 제1 직물기재(120)/제1 전도부(110) 및 제2 직물기재(320)/제2 전도부(310)를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 제1 직물기재(120)/제1 전도부(110) 및 제2 직물기재(320)/제2 전도부(310)의 직물기재를 각각 유전체를 포함하는 유전체층(200)의 하면 및 상면에 마주하도록 위치시켜 제1 전도부(110)/제1 직물기재(120)/유전체층(200)/제2 직물기재(320)/제2 전도부(310)를 포함하는 섬유형 패치 안테나(10)를 제조하는 단계;를 포함하는 섬유형 패치 안테나의 제조방법이 제공된다.
또한 상기 제1 직물기재(120) 및 제2 직물기재(320)가 각각 독립적으로 경사 및 위사를 포함하고, 상기 경사 및 위사가 각각 독립적으로 실다발(bundle of yarns)을 포함하고, 상기 실다발이 복수의 실(yarn)을 다발(bundle) 형태로 포함할 수 있다.
또한 상기 실이 편평사(flat yarn)일 수 있다.
또한 상기 스크린 메쉬가 70 내지 120 mesh일 수 있다.
또한 단계 (a) 및 (b) 사이에 상기 전도성 잉크가 건조되기 전에, 직물기재 상에 스크린 메쉬를 위치시키고 전도체를 포함하는 전도성 잉크를 1회 내지 5회 연속하여 스크린 프린팅하는 단계 (a')를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 섬유형 패치 안테나의 제조방법이 상기 실을 용융 방사 공정(melting spinning process)에 의해 제조하는 단계 (a")를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 섬유형 패치 안테나의 직물기재는 편평사(flat yarn)로 인해 낮은 표면 거칠기, 편평한 표면, 작은 기공 및 균일한 전도성 패턴을 갖는 효과가 있다.
또한 본 발명의 섬유형 패치 안테나는 상용 안테나에 비해 우수한 성능을 갖는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 섬유형 패치 안테나의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 섬유형 패치 안테나의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 섬유형 패치 안테나의 정면도로, (a)는 앞면(front), (b)는 뒷면(backside)에 따른 정면도이다.
도 4는 본 발명의 섬유형 패치 안테나의 앞면(front) 및 뒷면(backside)을 나타낸 이미지이다.
도 5는 제조예 1-1 및 1-2에 따라 제조된 편평사 및 원형사의 광학 현미경 이미지이다.
도 6은 제조예 2-1 및 2-2에 따라 제조된 직물기재 표면의 3D 디지털 현미경 이미지이고, 도 6에 삽입된 이미지는 FE-SEM에 의해 관찰된 표면 모폴로지이다.
도 7은 제조예 2-1 및 2-2에 따라 제조된 직물기재 단면의 FE-SEM 이미지이다.
도 8은 제조예 2-1 및 2-2에 따라 제조된 직물기재의 3D 가상 이미지이다.
도 9는 도 8에 도시된 화살표에 따른 표면 거칠기 프로파일이다.
도 10은 실시예 1-1 내지 1-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재의 3D 디지털 현미경 이미지이다.
도 11은 실시예 2-1 내지 2-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재의 3D 디지털 현미경 이미지이다.
도 12는 실시예 1-1 내지 1-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재의 3D 현미경 이미지이다.
도 13은 실시예 2-1 내지 2-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재의 3D 현미경 이미지이다.
도 14는 실시예 1-1 내지 1-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재 단면의 FE-SEM 이미지이다.
도 15는 실시예 2-1 내지 2-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재 단면의 FE-SEM 이미지이다.
도 16은 실시예 1-1에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재 단면의 SEM 및 EDS 이미지이다.
도 17은 실시예 2-1에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재 단면의 SEM 및 EDS 이미지이다.
도 18은 실시예 1-1 내지 1-4 및 2-1 내지 2-4에 따라 제조된 직물기재의 시트저항을 나타낸 그래프이다.
도 19는 반복 굽힘 테스트 측정 이미지로 (a)는 초기 상태, (b)는 굽힘 후 곡률 반경이 3mm가 되는 지점의 이미지이다.
도 20은 실시예 1-1 내지 1-4 및 2-1 내지 2-4에 따라 제조된 직물기재의 굽힘 테스트 전후 시트저항을 나타낸 그래프이다.
도 21은 70 mesh 및 120 mesh의 3D 디지털 현미경 이미지이다.
도 22는 방사선 테스트를 위해 울림이 없는(anechoic) 챔버에 장착된 본 발명의 섬유형 패치 안테나의 (a) 전면 및 (b) 후면 이미지이다.
도 23은 소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 패치 안테나의 반사 계수(S11) 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 24는 소자실시예 1에 따라 제조된 패치 안테나의 3D 및 2D 방사 패턴이다.
도 25는 소자실시예 2에 따라 제조된 패치 안테나의 3D 및 2D 방사 패턴이다.
도 26은 소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 패치 안테나의 방사 효율 및 피크 이득을 나타낸 그래프이다.
도 27의 (a)는 양방향(two-way) Bluetooth 통신 시스템, (b)는 기준 위치에 설치된 섬유형 패치 안테나, (c)는 섬유형 패치 안테나로부터 멀리 떨어진 상용 안테나 이미지이고, (d)는 기준 위치(*로 표시)에 설치된 소자비교예 1의 상용 안테나와 송신기가 통신하는 최대 거리, (e)는 기준 위치에 설치된 소자실시예 1의 섬유형 패치 안테나와 송신기가 통신하는 최대 거리를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 및 2는 각각 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 패치 안테나의 측면도이다. 도 3은 본 발명의 섬유형 패치 안테나의 정면도로, (a)는 앞면(front), (b)는 뒷면(backside)에 따른 정면도이다.
이하, 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 섬유형 패치 안테나에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 그라운드층(100), 유전체층(200) 및 방사층(300)을 포함하는 섬유형 패치 안테나(10)를 제공한다.
유전체층(200)
본 발명의 섬유형 패치 안테나는 유전체층(dielectric layer, 200)을 포함하고 상기 유전체층(200)은 유전체를 포함할 수 있다.
상기 유전체는 부직포(felt fabric), 우레탄 폼(urethane foam), 고무(rubber), 및 비전도성 일반섬유(nonconductive fabric)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 부직포를 포함할 수 있다.
상기 유전체층(200)의 두께는 1 내지 3mm일 수 있다. 상기 두께가 1mm 미만이면 안테나의 성능이 저하돼서 바람직하지 않고, 3mm를 초과하면 웨어러블 소자로서의 유연성 및 신축성이 저하돼서 바람직하지 않다.
그라운드층(100)
본 발명의 섬유형 패치 안테나는 그라운드층(ground layer, 100)을 포함하고, 상기 그라운드층(100)은 상기 유전체층(200)의 하면 상에 형성된 제1 직물기재(120); 및 상기 제1 직물기재(120)의 하면 상에 형성되고 전도체를 포함하는 제1 전도부(110);를 포함할 수 있다.
방사층(300)
본 발명의 섬유형 패치 안테나는 방사층(radiation layer, 300)을 포함하고, 상기 방사층(300)은 상기 유전체층(200)의 상면 상에 형성되는 제2 직물기재(320); 및 상기 제2 직물기재(320)의 상면 상에 형성되고 전도체를 포함하는 제2 전도부(310);를 포함할 수 있다.
상기 제1 직물기재(120) 및 제2 직물기재(320)는 각각 독립적으로 경사 및 위사를 포함하고, 상기 경사 및 위사는 각각 독립적으로 실다발(bundle of yarns)을 포함하고, 상기 실다발은 복수의 실(yarn)을 다발(bundle) 형태로 포함할 수 있다.
상기 실은 편평사(flat yarn) 및 원형사(round yarn)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종일 수 있으며, 바람직하게는 편평사(flat yarn)일 수 있다.
상기 편평사(flat yarn)는 길이방향에 대한 수직 절단면의 최단 직경(b)에 대한 최장 직경(a)의 종횡비(aspect ratio, a/b)가 5 내지 7일 수 있다.
상기 실은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate), 나일론(nylon), 폴리아미드(polyamide), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리술폰(polysulfone), 폴리테트라프루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN, poly(ethylene naphthalate)), 면(cotton), 레이온(rayon), 및 실크(silk)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 PET를 포함할 수 있다.
상기 그라운드층(100) 및 상기 방사층(300)의 산술평균 편평도(roughness)는 각각 4 내지 9μm일 수 있다. 상기 산술평균 편평도가 4μm 미만인 경우 섬유 특성상 직물 형태가 되었을 때 최소한의 편평도를 갖는 제한을 가지므로 달성하기 어렵고, 9μm 초과의 경우 그라운드층 또는 방사층의 도전성이 저하하게 되어 바람직하지 않다.
상기 제1 전도부(110) 및 제2 전도부(310)는 상기 제1 직물기재(120) 및 상기 제2 직물기재(320)에 함침된 전도체를 추가로 포함할 수 있다.
상기 전도체는 각각 독립적으로 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 은(Ag)을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 섬유형 패치 안테나는 상기 유전체층(200)과 제1 직물기재(120) 사이 및 상기 유전체층(200)과 제2 직물기재(320) 사이에 각각 제1 점착층(400) 및 제2 점착층(500)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 섬유형 패치 안테나는 상기 그라운드층(100)에 결합된 SMA((SubMiniature version A) 커넥터(600)를 추가로 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 섬유형 패치 안테나의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 직물기재 상에 스크린 메쉬를 위치시키고 전도체를 포함하는 전도성 잉크를 상기 직물기재 상에 스크린 프린팅한다(단계 a).
상기 스크린 메쉬는 70 내지 120 mesh일 수 있다. 상기 스크린 메쉬가 70 mesh 미만이면 잉크가 고르게 도포되기 어려워 바람직하지 않고, 120 mesh를 초과하면 전도성을 가지는 금속 입자들이 메쉬에 너무 많이 걸러져서 도포된 전도층의 저항이 증가할 수 있어 바람직하지 않다.
다음으로, 상기 전도성 잉크가 프린팅된 직물기재를 건조함으로써 상기 직물기재 상에 전도체를 포함하는 전도부를 형성하여 직물기재/ 전도부를 제조한다(단계 b).
단계 (a) 및 (b) 사이에 상기 전도성 잉크가 건조되기 전에, 직물기재 상에 스크린 메쉬를 위치시키고 전도체를 포함하는 전도성 잉크를 1회 내지 5회 연속하여 스크린 프린팅하는 단계 (a')를 추가로 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 직물기재/ 전도부를 사용하여 제1 직물기재(120)/제1 전도부 (110) 및 제2 직물기재(320)/제2 전도부(310)를 제조한다(단계 c).
상기 제1 직물기재(120) 및 제2 직물기재(320)는 각각 독립적으로 경사 및 위사를 포함하고, 상기 경사 및 위사가 각각 독립적으로 실다발(bundle of yarns)을 포함하고, 상기 실다발이 복수의 실(yarn)을 다발(bundle) 형태로 포함할 수 있다.
상기 실은 편평사(flat yarn)일 수 있다.
상기 섬유형 패치 안테나의 제조방법은 상기 실을 용융 방사 공정(melting spinning process)에 의해 제조하는 단계 (a")를 추가로 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 제1 직물기재(120)/제1 전도부 (110) 및 제2 직물기재(320)/제2 전도부(310)의 직물기재를 각각 유전체를 포함하는 유전체층(200)의 하면 및 상면에 마주하도록 위치시켜 제1 전도부 (110)/제1 직물기재(120)/ 유전체층 (200)/제2 직물기재(320)/제2 전도부(310)를 포함하는 섬유형 패치 안테나(10)를 제조한다(단계 d).
상기 섬유형 패치 안테나(10)는 상술한 본 발명의 섬유형 패치 안테나(10)에서의 설명과 동일하므로 구체적인 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 실(yarn)의 제조
제조예 1-1: 편평사(flat yarn)
편평사의 용융 방사 원료로서 Hyosung Co.로부터 Intrinsic Viscosity (I.V.) 0.63 폴리에스테르 칩을 구입하였다. 용융 방사 공정은 건조(drying), 용융(melting), 압출(extruding), 냉각(quenching), 연신/열 고정(stretching/heat setting) 및 권취(winding)로 구성된다.
먼저, 칩을 100℃에서 10분 동안 건조시킨 후 추가로 180℃에서 2시간 동안 건조시켰다. 건조 공정은 방사 공정 동안 고온으로 가열될 때 가수 분해에 의해 폴리머가 분해되는 것을 방지하고, 로트(lot) 사이의 분자량 차이를 제거한다. 칩을 290℃에서 용융시킨 후, 100MPa 하에서 방사구(TMT, TMT-MS-LAB-3)의 12개의 I형 홀을 통해 편평사를 압출하였다. 노즐로부터 압출된 편평사를 균일하게 냉각시키기 위해, 0.45m/sec의 일정한 속도로 16℃에서 공기를 송풍함으로써 냉각 공정을 수행하였다. 연신 및 열-고정 공정을 수행하여 편평사에 배향(orientation), 섬도(fineness), 강도(strength) 및 신장(elongation)과 같은 특성을 부여하였다. 마지막으로, 신장된 편평사를 3,780 rpm으로 감았다.
제조예 1-2: 원형사(round yarn)
Toray Chemical Inc.에서 원형사(75d/48f, PET)를 구입하여 사용하였다.
제조예 1-1 및 1-2에 따라 제조된 편평사 및 원형사의 광학 현미경 이미지를 도 5에 도시하였으며, 섬도(Fineness), 인장 강도(Tensile Strength), 연신율(Elongation) 및 불균일(Unevenness)을 아래 표 1에 나타내었다.
제조예 Fineness
(Denier) 		Tensile Strength
(g/d) 		Elongation
(%) 		Unevenness
(U, % )
1-1(flat yarn) 78.8 3.25 13.64 1.78
1-2(round yarn) 74.2 18.80 4.72 1.77
제조예 2: 직물기재(fabric)의 제조
제조예 2-1: 편평사 직물기재(flat yarn fabric)
제조예 1-1의 편평사는 레이피어 직조기(Donier, PVS-2C-2200)를 사용하여 balanced plain weave로 직조되었다. 인치 당 픽(pick), 즉 인치 당 위사(weft)의 수는 108이다.
제조예 2-2: 원형사 직물 기재(round yarn fabric)
제조예 1-2의 원형사는 레이피어 직조기(Donier, PVS-2C-2200)를 사용하여 balanced plain weave로 직조되었다. 인치 당 픽(pick), 즉 인치 당 위사(weft)의 수는 108이다.
실시예를 설명하기에 앞서 1인치 당 70개의 개구부(opening)를 갖는 스크린 메쉬(70 mesh) 및 1인치 당 120개의 개구부를 갖는 스크린 메쉬(120 mesh)를 각각 Riso Kagaku Co.에서 구입했다. 도 21에 70 mesh 및 120 mesh의 이미지를 도시하였으며, 이들은 폴리에스테르로 만들어졌다.
은 전도성 잉크는 Henkel Co.(Electrodag® 479SS ™)로부터 구입하여 4℃에서 보관하였다. 은 함량은 74.6 중량%이고, 밀도는 2.56kg/L이며, 점도는 12,000mPa·s(cP)이다.
실시예 1: 은(Ag) 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재의 제조
실시예 1-1: 70 mesh 사용, 스크린 프린팅 1회 수행
컴퓨터화된 스크린 메이커(Riso Kagaku, GOCCOPRO QS2536)를 사용하여 메쉬 프레임에 사각형 패턴(52×52 mm2 및 66×66 mm2)을 설계하고 제작했다.
스크린 프린팅 전에 은 전도성 잉크를 실온에서 1시간 동안 예열한 다음 강철 스푼을 사용하여 손으로 1분간 저어주었다. 제조예 2-1에 따라 제조된 편평사 직물기재의 상부에 70 mesh를 위치시키고, 상기 70 mesh의 한 단부에 은 잉크를 적용한 후 SP5080EP 자동 스크린 프린터를 사용하여 1회 프린팅하였다. 이때, 압착 높이(squeeze height)는 5mm이고 스캔 속도는 0.06m/s였다.
프린팅된 은 전도성 잉크를 컨벡션 오븐에서 120℃에서 10분 동안 건조시켜 은(Ag) 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재를 제조하였다.
실시예 1-2: 70 mesh 사용, 스크린 프린팅 2회 수행
컴퓨터 스크린 메이커(Riso Kagaku, GOCCOPRO QS2536)를 사용하여 메쉬 프레임에 사각형 패턴(52×52 mm2 및 66×66 mm2)을 설계하고 제작했다.
스크린 프린팅 전에 은 전도성 잉크를 실온에서 1시간 동안 예열한 다음 강철 스푼을 사용하여 손으로 1분간 저어주었다. 제조예 2-1에 따라 제조된 편평사 직물기재의 상부에 70 mesh를 위치시키고, 상기 70 mesh의 한 단부에 은 잉크를 적용한 후 SP5080EP 자동 스크린 프린터를 사용하여 2회 프린팅 하였다. 2회 프린팅 할 때는 1번째 프린팅된 은 잉크가 완전히 건조되기 전에 2번째 프린팅이 수행된다. 이때, 압착 높이(squeeze height)는 5mm이고 스캔 속도는 0.06m/s였다.
프린팅된 은 전도성 잉크를 컨벡션 오븐에서 120℃에서 10분 동안 건조시켜 은(Ag) 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재를 제조하였다.
실시예 1-3: 120 mesh 사용, 스크린 프린팅 1회 수행
70 mesh를 사용하는 대신에 120 mesh를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 은(Ag) 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재를 제조하였다.
실시예 1-4: 120 mesh 사용, 스크린 프린팅 2회 수행
70 mesh를 사용하는 대신에 120 mesh를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-2와 동일한 방법으로 은(Ag) 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재를 제조하였다.
실시예 2: 은(Ag) 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재의 제조
실시예 2-1: 70 mesh 사용, 스크린 프린팅 1회 수행
제조예 2-1에 따라 제조된 편평사 직물기재를 사용하는 대신에 제조예 2-2에 따라 제조된 원형사 직물기재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 은(Ag) 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재를 제조하였다.
실시예 2-2: 70 mesh 사용, 스크린 프린팅 2회 수행
제조예 2-1에 따라 제조된 편평사 직물기재를 사용하는 대신에 제조예 2-2에 따라 제조된 원형사 직물기재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-2와 동일한 방법으로 은(Ag) 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재를 제조하였다.
실시예 2-3: 120 mesh 사용, 스크린 프린팅 1회 수행
제조예 2-1에 따라 제조된 편평사 직물기재를 사용하는 대신에 제조예 2-2에 따라 제조된 원형사 직물기재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-3과 동일한 방법으로 은(Ag) 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재를 제조하였다.
실시예 2-4: 120 mesh 사용, 스크린 프린팅 2회 수행
제조예 2-1에 따라 제조된 편평사 직물기재를 사용하는 대신에 제조예 2-2에 따라 제조된 원형사 직물기재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-4와 동일한 방법으로 은(Ag) 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재를 제조하였다.
소자실시예 1: 은( Ag ) 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재를 포함하는 섬유형 패치 안테나의 제조
도 4를 참조하면, 실시예 1-4에 따라 제조된 은(Ag) 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재를 얇은 양면 접착 필름을 사용하여 3mm 두께의 부직포(felt fabric)의 상면 및 하면에 부착하였다. 폴리에스테르계 전도성 직물과의 우수한 접착성 및 낮은 고유 손실 때문에 εr (Dielectric constant) = 1.36, loss = 0.016인 부직포를 사용하였다. SMA 커넥터는 전도성 에폭시를 사용하여 안테나의 관통 구멍을 통해 안테나에 부착하였다. 상기 에폭시를 60-70℃에서 15분 동안 경화시켜 섬유형 패치 안테나를 제조하였다.
상기 섬유형 패치 안테나는 작동 주파수가 2.4GHz인 Bluetooth 신호를 전송하도록 설계되었으며, 2.4GHz에서 최적화된 안테나 크기는 66mm x 66mm, 패치 크기는 52mm x 52mm이다. 2.4GHz에서 50Ω 입력 임피던스를 얻기 위해 핀은 패치 중심으로부터 12mm에 위치한다.
소자실시예 2: 은( Ag ) 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재를 포함하는 섬유형 패치 안테나의 제조
실시예 1-4에 따라 제조된 은(Ag) 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재를 사용하는 대신에 실시예 2-1에 따라 제조된 은(Ag) 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재를 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 섬유형 패치 안테나를 제조하였다.
소자비교예 1: 상용 안테나의 제조
상용 5dBi 안테나(IPTIME702R, EFM 네트워크)를 구입하여 소자비교예 1로 사용하였다.
[시험예]
스크린 프린팅 전후 직물기재의 모폴로지는 3D 디지털 현미경 (Hirox, RH-2000) 및 전계-방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM) (Hitachi, SU8010)으로 측정되었다.
직물기재의 표면 지형(topography)을 측정하기 위해 surface profilometer (Mitutoyo, Absolute)가 사용되었다.
모든 샘플의 시트 저항은 4-포인트 프로브 전도성 미터 (Dasoleng, RSD-16) 및 소프트웨어 프로그램 (Daesoleng, FPP RS8)을 사용하여 측정되었다.
시험예 1: 직물기재의 모폴로지 분석
도 6은 제조예 2-1 및 2-2에 따라 제조된 직물기재 표면의 3D 디지털 현미경 이미지이고, 도 6에 삽입된 이미지는 FE-SEM에 의해 관찰된 표면 모폴로지이다. 도 6을 참조하면, 편평사 직물기재가 원형사 직물기재보다 더 매끄럽고 균일한 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 2.54cm2에서 108개의 경사(warp threads) 및 108개의 위사(weft thread)를 갖는 동일한 밀도에서 편평사 직물기재가 더 작은 기공을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 제조예 2-1 및 2-2에 따라 제조된 직물기재 단면의 FE-SEM 이미지이다. 도 7을 참조하면, 편평사가 각각의 경사 또는 위사에서 수평적으로 쌓여 원형사 직물기재보다 더 평평한 표면을 형성함을 확인할 수 있었다.
도 8은 제조예 2-1 및 2-2에 따라 제조된 직물기재의 3D 가상 이미지이고, 도 9는 도 8에 도시된 화살표에 따른 표면 거칠기 프로파일이다. 도 8 및 9를 참조하면, 편평사 직물기재는 보다 매끄러운 표면 거칠기를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
편평사 직물기재 및 원형사 직물기재의 거칠기 평균값인 Ra (산술 평균 높이) 및 Rz (프로파일의 최대 높이)와 각 직물기재의 임의의 위치에서 10회 측정하여 얻은 두께(t)의 평균값을 아래 표 2에 나타내었다.
Roughness, Ra
[μm] 		Roughness, Rz
[μm] 		t
[μm]
제조예 2-1
( 편평사 직물기재) 		11.1 (± 0.8) 60.9 (± 4.3) 106.6 (± 2.9)
제조예 2-2
(원형사 직물기재) 		14.4 (± 1.4) 62.3 (± 7.9) 107.9 (± 2.6)
상기 표 2를 참조하면, 편평사 직물기재의 Ra 및 Rz는 원형사 직물기재보다 각각 25% 및 7% 낮지만, 직물의 두께는 서로 크게 다르지 않은 것을 확인할 수 있다.
시험예 2: 은 잉크가 프린팅된 직물기재의 모폴로지 분석
도 10 및 11은 각각 실시예 1-1 내지 1-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재 및 실시예 2-1 내지 2-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재의 3D 디지털 현미경 이미지이다.
도 12 및 13은 각각 실시예 1-1 내지 1-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재 및 실시예 2-1 내지 2-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재의 3D 현미경 이미지이다.
편평사 직물기재 및 원형사 직물기재 비교
도 10 및 11을 참조하면, 메쉬 크기 및 프린팅 횟수가 동일하다면 편평사 직물이 원형사 직물보다 더 적은 공극을 갖는 보다 균일한 표면 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 예를 들어 70 mesh로 잉크가 1회 프린팅될 때, 원형사 직물은 편평사 직물보다 더 많은 공극을 갖는다. 편평사 직물의 경우, 70 mesh로 1회 프린팅하는 경우를 제외하고는 눈에 띄는 공극 없이 전도성 잉크가 균일하게 프린팅된다. 반면, 원형사 직물은 모든 조건에 대해 보다 많은 공극을 보여준다.
도 12 및 13을 참조하면, 프린팅된 편평사 직물기재는 프린팅된 원형사 직물기재보다 매끄러운 표면 프로파일을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 프린팅되지 않은 직물기재의 표면 거칠기가 프린팅 영역의 균일성에 크게 영향을 미친다는 것을 증명한다.
70 mesh 및 120 mesh 비교
두 가지 크기의 스크린 메쉬를 사용하여 프린팅 영역의 표면 거칠기에 대한 메쉬 크기의 영향을 조사했다. 1인치 당 구멍의 수로 메쉬의 크기를 정의했다. 즉, 70 mesh는 x축과 y축 모두에서 1인치 당 70개의 개구부(opening)를 갖는다. 도 21은 70 mesh 및 120 mesh의 3D 디지털 현미경 이미지이다. 도 21을 참조하면 70 mesh의 경우, 개구부의 크기는 약 280x280 μm2이고 메쉬 와이어의 직경은 약 75 μm이다. 120 mesh의 경우, 개구부의 크기는 약 155x155 μm2이고 메쉬 와이어의 직경은 약 55 μm이다.
기재가 동일하고 프린팅 횟수가 일정한 한, 은 전도성 잉크가 70 메쉬로 스크린 프린팅될 때의 프린팅 영역은 120 mesh로 프린팅될 때보다 더 많은 공극을 갖는 것으로 관찰된다. 그 이유 중 하나는 잉크가 케첩(5~20Pa·s)과 같이 매우 점성이 높기 때문에 70 mesh의 상대적으로 두꺼운 메쉬 와이어가 인쇄되지 않은 많은 영역을 형성하기 때문이다. 개구부를 통해 침투된 잉크는 인접 개구부에 도달하지 않으므로 인접 개구부로부터 침투된 잉크와 합쳐지지 않는다. 120 mesh의 55μm 메쉬 와이어의 경우 침투된 은 잉크가 서로 연결되어 끊김없는(seamless) 전도성 네트워크를 형성할 가능성이 높다.
메쉬 와이어의 두께 이외에, 메쉬의 개구부 크기는 스크린 프린팅 패턴의 표면 형태에 영향을 줄 수 있다. 도 12 및 13의 3D 현미경 이미지에서 볼 수 있듯이 120 mesh의 스크린 인쇄 패턴은 70 mesh로 인쇄된 패턴보다 더 균일한 표면을 생성한다. 개구부 크기가 작을수록, 은 입자 덩어리가 여과되어 메쉬 상에 남음에 따라 전도성 페이스트가 투과되고 보다 정교한 패턴이 형성된다. 따라서 120 mesh가 70 mesh보다 균일한 전도성 패턴을 형성하는 데 더 적합하다.
프린팅 횟수 비교
직물기재의 표면 형태에 대한 프린팅 횟수의 영향을 조사하기 위해 은 전도성 잉크를 1회 또는 2회 프린팅 하였다. 도 10 내지 13을 참조하면, 2회 스크린 프린팅된 전도성 패턴이 1회 프린팅된 패턴보다 적은 수의 공극과 지형에서 작은 진폭을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 그 이유는 반복되는 인쇄로부터 추가된 잉크가 선행하는 하부층의 공극 및 홈(groove)을 채워 표면 평탄도를 증가시키기 때문이다.
모든 매개 변수를 고려하면 120 mesh로 편평사 직물기재에 2회 프린팅된 전도성 패턴이 가장 높은 표면 평탄도를 나타낸다.
실시예 1-1 내지 1-4, 2-1 내지 2-2에 따라 제조된 직물기재의 표면 거칠기 값인 Ra 및 Rz, 프린팅된 직물의 두께(t) 및 시트 저항(mΩ/sq.)을 아래 표 3에 나타내었다. 모든 데이터는 측정의 평균 10배를 통해 수득하였다.
실시예 mesh 종류 프린팅 횟수 Roughness, Ra
[μm] 		Roughness, Rz
[μm] 		t
[μm] 		Sheet resistance
[mΩ/sq.]
1-1 70 1 8.5 (± 0.8) 54.3 (± 9.3) 142 (±7) 60 (±4)
1-2 70 2 7.4 (± 1.9) 39.7 (± 8.7) 153 (±7) 30 (±1)
1-3 120 1 6.7 (± 1) 37.7 (± 5.9) 142 (±5) 31 (±3)
1-4 120 2 4.2 (± 2.2) 22.6 (± 11.7) 146 (±7) 16 (±3)
2-1 70 1 10.3 (± 1.1) 55.9 (± 6.5) 159 (±14) 134 (±15)
2-2 70 2 10.2 (± 0.6) 53.7 (± 9.7) 165 (±5) 37 (±8)
2-3 120 1 10.4 (± 0.5) 59.7 (± 6.7) 156 (±5) 40 (±3)
2-4 120 2 9.3 (± 1) 45.7 (± 4) 162 (±3) 24 (±4)
상기 표 3을 참조하면, 원형사 직물기재는 프린팅 공정이 엔지니어링 되더라도 표면 거칠기에 큰 변화를 나타내지 않는다. 또한, 두 가지 유형의 직물 기재의 두께는 스크린 프린팅 전에는 서로 유사하지만(표 2 참조) 원형사 직물은 프린팅 후 편평사 직물보다 대략 10% 더 두껍다.
도 14 및 15는 각각 실시예 1-1 내지 1-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재 단면 및 실시예 2-1 내지 2-4에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재 단면의 FE-SEM 이미지이다.
도 16 및 17은 각각 실시예 1-1에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 편평사 직물기재 단면 및 실시예 2-1에 따라 제조된 은 잉크가 프린팅된 원형사 직물기재 단면의 SEM 및 EDS 이미지이다.
도 14 내지 17을 참조하면, 메쉬의 밀도가 높고 프린팅 횟수가 증가할 때 인쇄 표면이 더 매끄러워지는 것을 확인할 수 있었다. 프린팅된 직물의 단면은 인쇄 된 잉크층이 아래에 있는 실다발의 표면 토포그래피를 복제하고 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 편평사 직물은 원형사 직물보다 인쇄 시 매끄러운 표면을 형성하는 데 더 유리하다.
또한 은 전도성 잉크는 편평사들 사이의 간극보다 원형사들 사이의 간극으로 침투한다. 편평사 직물은 잉크가 아래로 흘러 미세한 틈새로 침투하는 것을 방지하는 데 효과적인 적층 구조를 갖는다. 즉, 편평사의 적층 구조는 잉크가 건조될 때까지 직물의 표면에 유지되도록 하여 훨씬 더 매끄러운 표면을 생성한다.
시험예 3: 시트 저항 분석
직물의 다양한 표면 형태가 인쇄 패턴의 전기 전도도에 어떤 영향을 미치는지 분석하기 위해 시트 저항을 비교했다. 시트 저항을 측정하기 전에, 4-포인트 프로브 방법의 보정 계수(correction factor)를 결정하기 위해 프린팅된 전도성 직물의 총 두께를 수득하였다. 여기서, 두께는 직물 샘플의 전체 두께로 간주된다. 전도성 잉크는 섬유 조직을 관통하므로 직물 구조는 전기 전도성 복합재를 형성한다.
4-포인트 프로브 와 측정된 프린팅 직물의 크기를 고려하여 4.532의 기하학적 보정 계수를 활용하고, 아래 식 (1)을 사용하여 시트 저항을 계산했다.
Rs = 4.532 Х V / I (1)
여기서 V는 두 개의 내부 프로브에서 측정된 전압, I는 두 개의 외부 프로브를 통해 적용되는 전류이다. 시트 저항은 샘플의 크기 및 필름 두께와 무관하다.
직물 기재의 유형, 메쉬 크기 및 프린팅 횟수에 따른 인쇄 패턴의 시트 저항이 도 18에 도시되어 있으며 상기 표 2에 토폴로지 특성으로 요약되어 있다. 도 18 및 상기 표 2를 참조하면, 70 mesh로 1회 프린팅될 때 편평사 직물(60mΩ/sq.)이 원형사 직물(134mΩ/sq.)보다 훨씬 낮은 시트 저항을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 원형사 직물의 공극은 전도성 경로에서 전하의 흐름을 억제하고, 따라서 전기 특성을 저하시키는 데 중요한 요소로 작용한다. 그러나 메쉬 크기가 120 mesh로 줄어들고 프린팅 횟수가 두 배로 증가하면 두 직물 간의 전기 저항 차이가 크게 줄어 든다. 2가지 프린팅 조건, (1) 120 mesh로 1회, (2) 70 mesh로 2회 프린팅된 원형사 직물의 시트 저항은 70 mesh로 1회 프린팅된 원형사 직물의 시트 저항의 30% 미만이다. 이는 메쉬 크기 및 프린팅 횟수가 직물 특성뿐만 아니라 전기적 특성에도 크게 영향을 미친다는 것을 의미한다. 120 mesh로 2회 프린팅된 편평사 직물은 16 (± 3) mΩ/sq.의 최소 평균 시트 저항을 보였다.
시험예 4: 반복 굽힘 테스트
기계적 안정성을 확인하기 위해 반복 굽힘 테스트를 수행했다. 도 19는 반복 굽힘 테스트 측정 이미지로 (a)는 초기 상태, (b)는 굽힘 후 곡률 반경이 3mm가 되는 지점의 이미지이다. 도 19를 참조하면, 반복 굽힘 테스트를 위해 샘플을 고정하는 두 개의 클램프가 있는 맞춤형 장치를 사용했다. 하나의 클램프는 움직이지 않고, 다른 하나는 모터 (오리엔탈 모터, EAS6X-E015-AZACD-3)로 앞뒤로 움직인다. 두 클램프 사이의 거리는 5.5cm에서 2.5cm로 다양하여 3mm의 곡률 반경을 생성하며, 각 샘플의 굽힘을 1,000회 반복했다.
실시예 1-1 내지 1-4 및 2-1 내지 2-4에 따라 제조된 직물기재의 굽힘 테스트 전후 시트저항을 도 20 및 아래 표 4에 나타내었다.
실시예 메쉬 종류 프린팅 횟수 Sheet resistance
[ mΩ / sq .] 		Sheet resistance after bending
[ mΩ / sq .]
1-1 70 1 60 (±4) 74 (±4)
1-2 70 2 30 (±1) 33 (±2)
1-3 120 1 31 (±3) 33 (±3)
1-4 120 2 16 (±3) 17 (±3)
2-1 70 1 134 (±15) 157 (±15)
2-2 70 2 37 (±8) 38 (±8)
2-3 120 1 40 (±3) 44 (±5)
2-4 120 2 24 (±4) 27 (±6)
도 20 및 상기 표 4를 참조하면, 반복 굽힘 테스트 후 프린팅된 직물의 시트 저항에는 큰 변화가 없어 유연성과 신뢰성이 보장되는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 5: 섬유형 패치 안테나의 특성 분석
패치 안테나의 반사 계수(reflection coefficient), 방사 패턴(radiation pattern), 안테나 이득(antenna gain) 및 방사 효율(radiation efficiency)을 측정하였다.
도 22는 울림이 없는(anechoic) 챔버에 장착된 본 발명의 섬유형 패치 안테나의 (a) 전면 및 (b) 후면 이미지이다. 측정 중에 전자기파가 지속적으로 안테나 샘플을 비추는 한편, 안테나 샘플은 완전한 구형에 걸쳐 10˚ 간격으로 방위 방향으로 360˚ 및 높이 방향으로 180˚ 회전하였다. 각 간격에서 수신된 전자기파를 수집하고 처리하여 안테나의 3D 방사 패턴을 제공하였다. 간격 동안 피크 수신 전력을 사용하여 안테나 이득을 얻었으며, 모든 수신 전력을 평균하여 방사 효율을 계산하였다.
도 23은 소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 패치 안테나의 반사 계수(S11) 곡선을 나타낸 그래프이다. 반사 계수는 정상 작동 중 안테나 포트로 다시 반사되는 전력량을 나타내며, 주어진 주파수 범위 또는 대역폭 내에서 안테나 포트가 손실하는 전력량을 결정한다. 도 23을 참조하면, 소자실시예 1에 따라 제조된 패치 안테나(Flat/120 mesh/2회 프린팅)의 S11 곡선은 소자실시예 2에 따라 제조된 패치 안테나(Round/70 mesh/1회 프린팅)보다 높은 반사 계수로 더 뾰족한 피크를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
도 24 및 25는 각각 울림이 없는(anechoic) 챔버에서 측정한 소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 패치 안테나의 3D 및 2D 방사 패턴이다. 도 24 및 25를 참조하면, 최대 방사 방향은 천정(zenith)(즉, 광대역 방사)을 향하고 있으며 이것은 안테나가 옷에 착용된 경우 인체에서 멀어진다.
도 26은 소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 패치 안테나의 방사 효율 및 안테나 이득을 나타낸 그래프이다. 도 26을 참조하면, 두 안테나의 방사 효율(검은색 선)은 최대 약 30%의 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 피크 이득 값(빨간색 선)도 거의 2.5dBi의 차이를 나타낸다.
소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 패치 안테나의 공진 주파수(Resonance frequency), 반사 계수(S11), 방사 효율 및 피크 이득을 아래 표 5에 나타내었다.
소자
실시예 		실 종류 메쉬 종류 프린팅 횟수 Resonance frequency
[GHz] 		S 11
[dB] 		Radiation efficiency
[%] 		Peak gain
[ dBi ]
1 편평사 120 2 2.50 -15.09 75.41 7.33
2 원형사 70 1 2.44 -11.53 48.3 4.82
상기 표 5를 참조하면, 소자실시예 1의 편평사 직물기재를 갖는 패치 안테나가 소자실시예 2의 원형사 직물기재를 갖는 패치 안테나보다 특성이 더 우수하다는 결론을 내릴 수 있다.
실 형상 및 스크린-프린팅 공정 파라미터를 엔지니어링함으로써 형성된 도전층의 평탄한 형태 및 균일성은 안테나 특성을 개선시켰다. 안테나 방사 주파수가 제조된 두 안테나 유형 모두에 대해 시뮬레이션된 2.4GHz보다 높은 값으로 이동했지만 이 문제는 안테나 크기와 재료 특성을 최적화하여 해결할 수 있다.
시험예 6: 섬유형 패치 안테나의 원거리(far-field) 테스트
섬유형 패치 안테나의 원거리 테스트를 수행하기 위해 블루투스(Bluetooth) 및 GPS 통신이 가능한 평가 회로 보드를 준비했다. 상기 보드는 다중 프로토콜 SoC (Systems-on-Chip), 즉 Bluetooth용 nRF52840(Nordic Semiconductor) 및 GPS 통신용 UBX-G7020(UBLOX)을 사용하여 활성화되었다. 보드에 Atmega2560 마이크로 컨트롤러 (Atmel)가 사용되었다.
도 27의 (a)는 양방향(two-way) Bluetooth 통신 시스템 이미지이다. 섬유형 패치 안테나가 장착된 Bluetooth 세트는 수신기로써 기준 위치(reference location)에 설치되었고(도 27(b)), 상용 안테나가 장착된 Bluetooth 세트는 송신기로써 작업자가 기준 위치에서 4km/h의 속도로 걸어가면서 멀어짐에서 따라 운반되었다(도 27(c)). 비교를 위해 기준 위치에 소자비교예 1의 상용 안테나가 설치되었다.
GPS 모듈에 의해 측정된 위도 및 경도 정보는 기준 위치에 설치된 섬유형 패치 안테나 및 상업 안테나로 전송되었다. 도 27의 (d)는 기준 위치(*로 표시)에 설치된 소자비교예 1의 상용 안테나와 송신기가 통신하는 최대 거리, (e)는 기준 위치에 설치된 소자실시예 1의 섬유형 패치 안테나와 송신기가 통신하는 최대 거리를 나타낸 것이다. 도 27의 (d) 및 (e)에서 송신기 이동 방향은 빨간색 화살표로 표시되고, 파란색 점은 신호가 수신기로 성공적으로 전송된 위치를 나타낸다.
도 27의 (d) 및 (e)를 참조하면, 섬유형 패치 안테나의 경우 기준 위치에서 최대 316m까지 데이터 전송이 가능했다. 반면, 상용 안테나의 경우 최대 전송 거리는 180m였다. 통신 거리가 증가함에 따라 섬유형 패치 안테나는 송신기와 545회 성공적으로 통신하는 반면, 상업 안테나는 304개의 신호만을 보고했다. 전체적으로, 섬유형 패치 안테나는 통신 거리가 76% 증가하고 성공적인 통신 수가 79% 증가하여 상용 안테나보다 우수한 성능을 나타냈다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 섬유형 패치 안테나
100: 그라운드층
110: 제1 전도부
120: 제1 직물기재
200: 유전체층
300: 방사층
310: 제2 전도부
320: 제2 직물기재
400: 제1 점착층
500: 제2 점착층
600: SMA 커넥터

Claims (19)

  1. 그라운드층, 유전체층 및 방사층을 포함하는 안테나에 있어서,
    상기 유전체층(dielectric layer, 200)은 유전체를 포함하고,
    상기 그라운드층(ground layer, 100)은 상기 유전체층(200)의 하면 상에 형성된 제1 직물기재(120); 및 상기 제1 직물기재(120)의 하면 상에 형성되고 전도체를 포함하는 제1 전도부(110);를 포함하고,
    상기 방사층(radiation layer, 300)은 상기 유전체층(200)의 상면 상에 형성되는 제2 직물기재(320); 및 상기 제2 직물기재(320)의 상면 상에 형성되고 전도체를 포함하는 제2 전도부(310);를 포함하고,
    상기 제1 직물기재(120) 및 제2 직물기재(320)가 각각 독립적으로 경사 및 위사를 포함하고,
    상기 경사 및 위사가 각각 독립적으로 실다발(bundle of yarns)을 포함하고,
    상기 실다발이 복수의 실(yarn)을 다발(bundle) 형태로 포함하는 것인 섬유형 패치 안테나(10).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실이 편평사(flat yarn) 및 원형사(round yarn)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실이 편평사(flat yarn)인 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 그라운드층(100) 및 상기 방사층(300)의 산술평균 편평도(roughness)가 각각 4 내지 9μm인 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 편평사(flat yarn)는 길이방향에 대한 수직 절단면의 최단 직경(b)에 대한 최장 직경(a)의 종횡비(aspect ratio, a/b)가 5 내지 7인 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도부(110) 및 제2 전도부(310)가 상기 제1 직물기재(120) 및 상기 제2 직물기재(320)에 함침된 전도체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate), 나일론(nylon), 폴리아미드(polyamide), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리술폰(polysulfone), 폴리테트라프루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN, poly(ethylene naphthalate)), 면(cotton), 레이온(rayon), 및 실크(silk)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유전체가 부직포(felt fabric), 우레탄 폼(urethane foam), 고무(rubber), 및 비전도성 일반섬유(nonconductive fabric)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도체가 각각 독립적으로 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층(200)의 두께가 1 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 섬유형 패치 안테나가
    상기 유전체층(200)과 제1 직물기재(120) 사이 및 상기 유전체층(200)과 제2 직물기재(320) 사이에 각각 제1 점착층(400) 및 제2 점착층(500)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 섬유형 패치 안테나가 상기 그라운드층(100)에 결합된 SMA((SubMiniature version A) 커넥터(600)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  14. (a) 직물기재 상에 스크린 메쉬를 위치시키고 전도체를 포함하는 전도성 잉크를 상기 직물기재 상에 스크린 프린팅하는 단계;
    (b) 상기 전도성 잉크가 프린팅된 직물기재를 건조함으로써 상기 직물기재 상에 전도체를 포함하는 전도부를 형성하여 직물기재/전도부를 제조하는 단계;
    (c) 상기 직물기재/전도부를 사용하여 제1 직물기재(120)/제1 전도부(110) 및 제2 직물기재(320)/제2 전도부(310)를 제조하는 단계; 및
    (d) 상기 제1 직물기재(120)/제1 전도부(110) 및 제2 직물기재(320)/제2 전도부(310)의 직물기재를 각각 유전체를 포함하는 유전체층(200)의 하면 및 상면에 마주하도록 위치시켜 제1 전도부(110)/제1 직물기재(120)/유전체층(200)/제2 직물기재(320)/제2 전도부(310)를 포함하는 섬유형 패치 안테나(10)를 제조하는 단계;를
    포함하는 섬유형 패치 안테나의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 직물기재(120) 및 제2 직물기재(320)가 각각 독립적으로 경사 및 위사를 포함하고,
    상기 경사 및 위사가 각각 독립적으로 실다발(bundle of yarns)을 포함하고,
    상기 실다발이 복수의 실(yarn)을 다발(bundle) 형태로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 실이 편평사(flat yarn)인 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 스크린 메쉬가 70 내지 120 mesh인 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나의 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    단계 (a) 및 (b) 사이에
    상기 전도성 잉크가 건조되기 전에, 직물기재 상에 스크린 메쉬를 위치시키고 전도체를 포함하는 전도성 잉크를 1회 내지 5회 연속하여 스크린 프린팅하는 단계 (a')를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나의 제조방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 섬유형 패치 안테나의 제조방법이
    상기 실을 용융 방사 공정(melting spinning process)에 의해 제조하는 단계 (a")를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 패치 안테나의 제조방법.
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