5G 사물 인터넷을 위한 ‘막센’ 안테나의 미래
‘어드밴스드 매터리얼스(Advanced Materials)’ 저널에 발표된 바와 같이, 스프레이 분사 형태로 제작 가능한 얇은 새로운 안테나가 5G 모바일 장치에서 사용할 대역폭의 강력한 신호를 받는데 충분한 것으로 나타났다. 막센(MXene)이라는 새로운 유형의 2면 재료로 만들어진 이 안테나는 ‘사물 인터넷’ 기술에 중요한 영향을 미칠 수 있다.
드렉셀 대학교(Drexel University)에서 개발된 막센 안테나는 오늘날 대부분의 모바일 장치에서 볼 수 있는 구리 안테나와 거의 같은 성능을 발휘하지만 구리 안테나의 두께와 무게의 일부에 불과하다는 이점을 갖고 있다.
이러한 통신 성능과 극도의 얇음, 유연성 및 내구성의 조합은 안테나 기술의 새로운 표준을 정의하고 있다. 구리 안테나는 꽤 오랫동안 성능 면에서 최고였다. 하지만 물리적 한계로 인해 ‘연결’ 및 ‘모바일’ 기술에 있어 많은 사람들이 예상했던 바와 같이 큰 도약을 이루진 못했다. 그러나 고유한 특성으로 인해 막센 안테나는 ‘사물 인터넷’ 기술 개발에서 중요한 역할을 담당할 수 있다.
신호 처리 기능 외에도 미래의 장치용 안테나는 전화 및 컴퓨터의 회로 기판 외부 환경에서도 작동할 수 있어야 한다. 따라서 막센은 거의 모든 기판에 스프레이 방식을 적용하여, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 인쇄가 가능하고 성능 저하 없이 유연성을 유지하기 때문에 새로운 안테나에 대한 아주 매력적인 소재이다. 즉, 막센은 물과 융합하여 안테나를 만들기 위해 스프레이로 분사되거나 인쇄될 수 있는 잉크로 제작 가능하기 떄문이다.
‘어드밴스드 매터리얼스’에 소개된 스프레이 분사로 코팅된 막센 안테나는 유사한 구리 안테나보다 7~14배, 15~30배 더 가벼우며 페인트 코팅보다 더 얇다. 연구자들은 일반적으로 통신에 사용되는 3가지 무선 주파수에 대한 이득, 방사 효율성 및 지향성을 위해 실험실과 개방형 환경에서 이 새로운 안테나를 테스트했다. 여기에는 5G 장치의 목표 주파수도 포함되었다.
각 경우, 막센 안테나는 구리 안테나의 크기 5% 내에서 수행되었으며 안테나 두께에 따라 성능이 증가했다. 막센은 또한 5G 대역폭에서 작동하는 구리 제품보다 98% 더 효과적이었다.
막센 안테나의 성능은 은 잉크, 탄소 나노튜브, 그래핀을 포함하여 안테나용으로 현재 고려 중인 여러 신소재의 성능을 능가하고 있다. 더 중요한 것은, 이러한 성능 수치는 막센 안테나가 다른 재료를 훨씬 능가하는 내구성에 있는데, 최대 5,000번의 굽힘 주기를 겪었을 때도 형태를 유지했다. 제조 분야에서 막센의 확장성과 환경적 지속 가능성은 이미 잘 확립되어 있어, 향후 막센 안테나에 대한 개발은 더 큰 폭으로 진행될 것 같다.
[References]
Advanced Materials, November 2020, “Solution‐Processed Ti 3 C 2 T x MXene Antennas for Radio‐Frequency Communication,” by Meikang Han, et al. © 2020 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved.
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Solution‐Processed Ti3C2Tx MXene Antennas for Radio‐Frequency Communication - Han - 2021 - Advanced Materials - Wiley Online Library
As described in the journal Advanced Materials, new antennas so thin that they can be sprayed into place are also robust enough to provide a strong signal in the bandwidths that will be used by 5G mobile devices. The antennas, which are made from a new type of two-dimensional material called MXene, could have important ramifications for “internet of things” technology.
The MXene antennas, developed at Drexel University perform nearly as well as the copper antennas found today in most mobile devices, but with the benefit of being just a fraction of their thickness and weight.
This combination of communications performance with extreme thinness, flexibility, and durability sets a new standard for antenna technology. While copper antennas have been the best in terms of performance for quite some time, their physical limitations have prevented connected and mobile technology from making the big leaps forward that many predicted. But, due to their unique set of characteristics MXene antennas could play an enabling role in the development of “internet of things” technology.
Beyond signal handling capabilities, antennas for devices of the future must also be able to perform in environments outside of the circuit boards of phones and computers. This makes MXene an appealing material for new antennas because it can be spray applied, screen printed, or inkjet-printed onto just about any substrate and remains flexible without sacrificing performance. This puts MXene at a distinct advantage because it disperses in water to produce ink, which can be sprayed or printed to create antennas.
The spray-coated MXene antennas described in Advance Materials were between 7-14 times thinner and 15-30 times lighter than similar copper antennae, even thinner than a coat of paint. The researchers tested the antennas in both lab and open environments for gain, radiation efficiency, and directivity across the three radio frequencies commonly used for telecommunication. This included one in the target frequency for 5G devices.
In each instance, the MXene antennas performed within 5 percent of copper antennas, with performance increasing with the thickness of the antenna. MXenes were also 98 percent as effective as their copper counterparts operating in the 5G bandwidth.
Their performance exceeded that of several new materials being considered for antennas, including silver ink, carbon nanotubes, and graphene. And, significantly, these performance numbers did not waiver when the MXene antennas were subjected to as many as 5,000 bending cycles — a mark of durability that far surpasses other materials.
MXene’s scalability and environmental sustainability in manufacturing have been well established.
References
Advanced Materials, November 2020, “Solution‐Processed Ti 3 C 2 T x MXene Antennas for Radio‐Frequency Communication,” by Meikang Han, et al. © 2020 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved.
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