Hochflexibles und leitfähiges gedrucktes Graphen für drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 18298 (2016) Diesen Artikel zitieren

17.000 Zugriffe

132 Zitate

120 Altmetrisch

Details zu den Metriken

In diesem Artikel berichten wir über hochleitfähiges, hochflexibles, leichtes und kostengünstiges gedrucktes Graphen für drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen. Als Machbarkeitsnachweis wurden gedruckte graphenfähige Übertragungsleitungen und Antennen auf Papiersubstraten entworfen, hergestellt und charakterisiert. Um sein Potenzial in tragbaren Kommunikationsanwendungen zu erkunden, wurden mechanisch flexible Übertragungsleitungen und Antennen unter verschiedenen gebogenen Gehäusen experimentell untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass das gedruckte Graphen zum Senden, Abstrahlen und Empfangen von HF-Signalen verwendet werden kann, was einige der wesentlichen Funktionalitäten der HF-Signalverarbeitung in drahtlosen tragbaren Kommunikationssystemen darstellt. Darüber hinaus kann das gedruckte Graphen bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden, sodass es mit hitzeempfindlichen flexiblen Materialien wie Papieren und Textilien kompatibel ist. Diese Arbeit bringt der Aussicht, in naher Zukunft graphenbasierte kostengünstige und umweltfreundliche drahtlose tragbare Kommunikationssysteme zu implementieren, einen Schritt näher.

Drahtlose tragbare Kommunikation ist ein Bereich von zunehmendem Forschungsinteresse, da zahlreiche Potenziale in Bereichen wie Gesundheits- und Fitnessüberwachung1,2, Mobilfunknetz/Internet3, Smart Skin4,5,6 und Funktionskleidung7, um nur einige zu nennen, geboten werden. Das Hochfrequenz-Frontend (RF) ist ein grundlegender Baustein in allen Kommunikationssystemen, der RF-Signale sendet und empfängt. Ein HF-Frontend umfasst passive Komponenten wie Antennen, Übertragungsleitungen (TLs) und Impedanzanpassungsnetzwerke sowie aktive Schaltkreise wie Leistungsverstärker, rauscharme Verstärker (LNA), Frequenzmischer und Lokaloszillator8, um nur einige zu nennen. Herkömmlicherweise wird ein HF-Frontend hauptsächlich mithilfe der PCB-Technologie (Printed Circuit Board) zusammengebaut, was eine große Herausforderung bei der Integration mit flexiblen Substraten wie Papier und Textilien darstellt4. Um dieses Problem anzugehen, wurde die Beschichtung/Beschichtung von Textilgarnen mit Metall vorgeschlagen9,10. Obwohl bei diesen Ansätzen die Metalle auf flexiblen Substraten abgeschieden wurden, waren die Herstellungsverfahren jedoch kompliziert und wenig effizient, und die verwendeten Materialien waren teuer und nicht für den Masseneinsatz in kostengünstigen drahtlosen tragbaren Anwendungen geeignet. Auch Silbernanodrähte (AgNWs), leitfähige Polymere und Kohlenstoffnanoröhren wurden für tragbare Elektronikanwendungen entwickelt. Obwohl AgNWs hochleitfähig sind11, ist eine relativ dicke AgNWs-Beschichtung erforderlich11,12 (230 für fast 11), um einen ausreichend niedrigen Schichtwiderstand für HF-Anwendungen zu erzielen, was zu hohen Kosten für die Massenproduktion führt, da Silber knapp und teuer ist13. Was leitfähiges Polymer betrifft, so kann es zwar für flexible Elektronik wie Sensoren und Solarzellen verwendet werden, seine Leitfähigkeit ist jedoch zu gering, um für die Übertragung und Strahlung von HF-Signalen eingesetzt zu werden14,15. Leitfähige Polymere sind außerdem durch chemische und thermische Instabilität eingeschränkt16. Kohlenstoffnanoröhren mit einem typischen Schichtwiderstand über , aufgrund des hohen Übergangswiderstands zwischen überlappenden Nanoröhren17,18, sind immer noch nicht leitfähig genug, um die praktischen Anforderungen an HF-Schaltungen zu erfüllen.

Allerdings ist Graphen, das Allotrop von Kohlenstoffnanoröhren, aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit und einzigartigen Eigenschaften ein vielversprechendes Material für drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen5,19. Bisher haben Forscher intensiv die Anwendungen von Graphen zur Herstellung aktiver Geräte wie Transistoren und Dioden erforscht. Ein quartärer digitaler Modulator wurde mithilfe von zwei Graphentransistoren5 realisiert. Verstärker im HF-Band wurden experimentell mit Graphen-Feldeffekttransistoren20,21 demonstriert. Andere aktive Geräte wie Frequenzmischer22,23 und Oszillator24,25 wurden ebenfalls vorgeführt. In jüngerer Zeit wurde auch über monolithische Graphen-HF-Empfänger-ICs berichtet, die Signalverstärkung, Filterung und Abwärtskonvertierung durchführen26.

Obwohl bei aktiven Graphen-Geräten tiefgreifende Fortschritte erzielt wurden, hinkt das Tempo bei der Entwicklung passiver Graphen-HF-Komponenten weit hinterher. Dies liegt daran, dass sowohl exfolierte als auch CVD-Graphenschichten (chemische Gasphasenabscheidung) trotz der hohen Leitfähigkeit von Graphen einen sehr hohen Oberflächenwiderstand aufweisen, was ihre Anwendung in passiven HF-Komponenten behindert27,28. Die jüngste Entwicklung der leitfähigen Graphentinte hat jedoch die Möglichkeit eröffnet, zusammen mit ihrer Überlegenheit in Bezug auf hohe Leitfähigkeit, mechanische Flexibilität, geringes Gewicht und niedrige Kosten29,30,31. Die Herstellung leitfähiger Graphentinten kann im Allgemeinen in zwei Gruppen eingeteilt werden. Eine davon ist eine bindemittelfreie Technik, bei der das Graphen direkt in Lösungsmitteln wie N-Methyl-2-pyrrolidon oder Dimethylformamid (NMP/DMF) dispergiert wird, ohne dass ein Bindemittel hinzugefügt wird31,32, während die andere Bindemittel wie Ethylcellulose (EC)29,33 verwendet . Obwohl die letztere Technik eine höhere Leitfähigkeit bieten kann, erfordert sie ein thermisches Glühen bei hoher Temperatur, wodurch sie mit wärmeempfindlichen Substraten wie Papier und Textilien nicht kompatibel ist18. Andererseits ist die bindemittelfreie Technik dank des Glühens bei niedriger Temperatur mit wärmeempfindlichen Substraten kompatibel32, für HF-Anwendungen ist jedoch eine deutlich weitere Verbesserung der Tintenleitfähigkeit erforderlich.

Wir haben eine bindemittelfreie Technik entwickelt, die nicht nur mit wärmeempfindlichen Substraten wie Papieren und Textilien kompatibel ist, sondern auch eine hohe Leitfähigkeit und mechanische Flexibilität bietet34. Die Technik ist für den industriellen Siebdruck konzipiert. Die gemessene Leitfähigkeit dieser Technik erreicht 4,3 × 104 S/m, was fast das Doppelte der 2,5 × 104 S/m des zuvor berichteten RGO (reduziertes Graphenoxid) mit Bindemittel und zehnmal höher ist als die der bindemittelfreien Methode29,32. In diesem Bericht wird dieses hochleitfähige gedruckte Graphen außerdem zum Aufbau von Übertragungsleitungen und Antennen auf einem flexiblen Substrat wie Papier verwendet. Die Leistungen dieser Komponenten, insbesondere unter verschiedenen Biegefällen, werden experimentell in Kommunikationsfrequenzbändern untersucht, beispielsweise in Mobilfunk- und WiFi-Spektren. Die Ergebnisse zeigen, dass gedruckte Graphen-fähige passive HF-Komponenten die gewünschten Eigenschaften und Qualitäten für drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen aufweisen. Zusammen mit den oben erwähnten Fortschritten bei aktiven Graphen-HF-Geräten ist in naher Zukunft mit einem wirklich vollständig auf Graphen basierenden drahtlosen tragbaren Kommunikationssystem zu rechnen.

Die passiven HF-Komponenten in diesem Artikel bestehen aus gedrucktem Graphen. Hier stellen wir kurz die Herstellung von gedrucktem Graphen vor und die Details sind im Abschnitt „Methode“34 enthalten. Normalerweise enthält leitfähige Tinte Bindemittel wie Polymer-, Epoxid-, Siloxan- oder Harzbindemittel, da körnige Pulver ohne Verknüpfungen keinen kontinuierlichen Film bilden können. Bindemittel müssen jedoch durch thermisches Glühen bei hoher Temperatur zersetzt oder verdampft werden. Dieser Hochtemperaturprozess verhindert, dass Graphentinte auf flexible Substrate wie Papiere und Textilien gedruckt wird. Darüber hinaus sind Bindemittel Isolatoren, die die Leitfähigkeit der Tinte beeinträchtigen. Um sowohl eine Verarbeitung bei niedriger Temperatur als auch eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen, haben wir eine bindemittelfreie Strategie entwickelt, die mit Rollkompression kombiniert wird, um die Leitfähigkeit von gedrucktem Graphen zu verbessern34. Abbildung 1 zeigt, wie gedrucktes Graphen mit hoher Leitfähigkeit hergestellt wird, kombiniert mit Einfügungen von Fotos des optischen Mikroskops (OM) und des Rasterelektronenmikroskops (REM) der Probe, sowohl obige Ansichten als auch Querschnittsansichten. Wie in Abb. 1 zu sehen ist, ist die leitfähige Tinte Gra-ink 102E (BGT Materials Ltd), die Graphen-Nanoflocken, Dispergiermittel und Lösungsmittel enthält, auf das Substrat aufgetragen. Das OM-Foto mit 1000-facher Vergrößerung der Tintenbeschichtung ist in Abb. 1 (a) dargestellt und die Graphen-Nanoflockensuspensionen können beobachtet werden. Nach dem Trocknungsprozess bei 100 °C für 10 Minuten verflüchtigen sich die Lösungsmittel und es verbleibt eine Graphen-Nanoflocken-Beschichtung auf dem Substrat. Es sollte erwähnt werden, dass diese niedrige Trocknungstemperatur mit Substraten wie Papier und/oder Textilien kompatibel ist. Auch ohne Bindemittel ist die freistehende Graphenbeschichtung robust und flexibel und ihre hervorragende Filmbildungsfähigkeit sorgt dafür, dass die Nanoflocken auf dem Substrat haften35. Allerdings ist die Graphenbeschichtung in diesem Stadium sehr porös, wie in Abb. 1(b) dargestellt, was zu einem hohen Kontaktwiderstand und unebenen Wegen für den Elektronentransport führt. Um die Leitfähigkeit zu erhöhen, wird eine rollende Kompression angewendet, um die Haftung der Graphen-Nanoflocken zu verbessern. Nach dem Komprimierungsvorgang wird die Graphenbeschichtung sehr dicht und das gedruckte Graphen bildet sich, wie in Abb. 1(c) dargestellt. Um den Komprimierungsprozess besser sichtbar zu machen, sind in Abb. 1 (e – h) Querschnitts-REM-Bilder von vier Proben mit unterschiedlichen Komprimierungsverhältnissen dargestellt. Abbildung 1(e) zeigt den unkomprimierten Fall und Abbildung 1(h) zeigt das höchste Komprimierungsverhältnis von 81 %. Um eine bessere Beobachtung zu ermöglichen und an das Zielfernrohr anzupassen, werden für die Proben in Abb. 1 (e – h) Vergrößerungen von 500 ×, 1000 ×, 2000 × bzw. 3000 × verwendet. Aus Abb. 1 (e – h) ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Kompressionsverhältnis die Dicke des Graphenlaminats abnimmt.

Schematische Darstellung der Herstellung von gedrucktem Graphen und seiner Eigenschaften.

(a) Graphen-Nanoflocken-Tinte wird auf das Substrat aufgetragen, (b) Nach dem Trocknen bildet sich eine hochporöse Graphen-Nanoflocken-Beschichtung, (c) Durch Kompression wird hochdichtes gedrucktes Graphen erhalten, (d) Leitfähigkeit und Oberflächenwiderstand bei unterschiedlichen Kompressionsverhältnissen. (e) Querschnitts-REM-Bild einer unkomprimierten Probe mit einer Dicke von etwa . (f) Querschnitts-REM-Bild der Probe mit einem Kompressionsverhältnis von 30 % und einer durchschnittlichen Dicke von etwa . (g) Querschnitts-REM-Bild der Probe mit einem Kompressionsverhältnis von 73 % und einer Dicke von etwa . (h) Querschnitts-REM-Bild der Probe mit einem Kompressionsverhältnis von 81 % und einer Dicke von etwa .

Die Leitfähigkeit und der Oberflächenwiderstand des gedruckten Graphens unter verschiedenen Kompressionsverhältnissen (das Kompressionsverhältnis ist definiert als das Verhältnis der Dickenabnahme der komprimierten Probe zur Dicke der nicht komprimierten Probe) werden gemessen, wie in Abb. 1 (d) gezeigt. Es ist ersichtlich, dass bei einem Kompressionsverhältnis von 0 %, d. h. bei einer Graphenbeschichtung ohne Kompression, die Dicke und die Leitfähigkeit beträgt. Sein Schichtwiderstand wird mit berechnet. Mit zunehmendem Kompressionsverhältnis steigt die Leitfähigkeit und der Schichtwiderstand nimmt entsprechend ab. Wenn das Kompressionsverhältnis 81 % beträgt, also die Dicke des gedruckten Graphens beträgt, erhöht sich die Leitfähigkeit auf , was bedeutet, dass die Leitfähigkeit um mehr als das 50-fache verbessert wird. Außerdem verringert sich der Schichtwiderstand auf ein Zehntel der unkomprimierten Probe.

TLs sind Grundstrukturen zur Übertragung von Signalen und für HF-Schaltkreise oder auch für alle elektronischen Schaltkreise unerlässlich36. Als Machbarkeitsnachweis haben wir einige einfache gedruckte Graphen-fähige TL-Strukturen entworfen und charakterisiert, um ihre Eignung für die Übertragung von HF-Signalen zu untersuchen.

Die Leistung eines TL wird hauptsächlich durch Material- und geometrische Parameter wie Materialverluste, Dielektrizitätskonstante des Substratmaterials, Leitungsabstände, Signalleitungsdicke usw. bestimmt. Die Einfügung in Abb. 2(a) zeigt zwei Proben von TLs mit unterschiedlichen Abständen dazwischen Die Linien. Wie man sehen kann, ist an jedem Port der Leitung ein SMA-Stecker mit leitfähigem Epoxidharz angeschlossen. Die Länge der Linien beträgt und die Lücken betragen bzw.

Leistungen der Übertragungsleitungen bei unterschiedlichen Leitungslücken.

(a) Dämpfung der Übertragungsleitungen und der Einsatz besteht aus zwei Übertragungsleitungsproben mit unterschiedlichen Leitungsabständen bzw. und (b) Phasenkonstanten β der Übertragungsleitungen.

Die Streuparameter dieser Linien werden mit dem Agilent E5071B VNA gemessen (siehe ergänzende Abbildung S1) und die Ausbreitungskonstante kann mithilfe der folgenden Gleichungen berechnet werden37:

wobei α und β die Dämpfungskonstante bzw. die Phasenkonstante sind. Um den Einfluss einer Impedanzfehlanpassung auf die Analyse der Leiterverluste zu eliminieren, wird die Absorptionsdämpfung, die als das Verhältnis der in den Eingangsanschluss des Netzwerks eingegebenen Leistung zur Ausgangsleistung des Netzwerks definiert ist, von38 berechnet.

Die Dämpfung wird in p umgerechnet und in Abb. 2(a) dargestellt. Man erkennt, dass die Dämpfung umso geringer ist, je größer der Leitungsabstand ist. Dies liegt daran, dass das elektromagnetische Feld hauptsächlich an den Innenkanten der Leitungen konzentriert ist; Ein kleinerer Spalt macht das Feld intensiver und verursacht somit mehr Leiterverluste. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass der Leitungsabstand nicht beliebig eingestellt werden kann, da er die charakteristische Impedanz des TL bestimmt. Wie erwartet nimmt die Dämpfung mit der Frequenz zu. Die relativ hohe Dämpfung in diesen TLs ist auf die geringe Dicke des gedruckten Graphens zurückzuführen. Die Dicke des gedruckten Graphens in diesem Bericht bezieht sich auf die Leitfähigkeit. Seine Skin-Tiefen, von 2 GHz bis 8 GHz, liegen zwischen und , was bedeutet, dass die Dicke des gedruckten Graphens nur 14,3 % bis 28,5 % seiner Skin-Tiefe beträgt. Um die Dämpfung in praktischen Anwendungen zu reduzieren, sollte die Dicke des Leiters normalerweise das Drei- bis Fünffache seiner Eindringtiefe betragen. Die Erhöhung der Dicke des gedruckten Graphens ist eine effektive Möglichkeit, eine geringere Dämpfung zu erzielen. Außerdem ist aus Abb. 2 (b) ersichtlich, dass die Ausbreitungskonstante nahezu linear mit der Frequenz ist, was zeigt, dass die gedruckten Graphen-TLs nur eine geringe Phasenverzerrung aufweisen, was in praktischen HF-Anwendungen wünschenswert ist.

Darüber hinaus wird die überlegene Flexibilität der gedruckten Graphen-aktivierten TLs experimentell anhand der Längen- und Lückenlinien verifiziert, wie in Abb. 3 dargestellt. Es wurden vier Fälle untersucht. Das gedruckte Graphen TL wurde in Abb. 3(a) nicht gebogen, in Abb. 3(b) gebogen, aber in Abb. 3(c, d) nicht verdreht, gebogen und verdreht. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Biegen und Verdrehen der gedruckten Graphen-TLs die Übertragungskoeffizienten nicht wesentlich verändert, was für tragbare Anwendungen äußerst wünschenswert ist. Die geringfügigen Unterschiede zwischen den vier Fällen werden durch die gegenseitige Kopplung zwischen verschiedenen Segmenten der TLs verursacht. Beispielsweise hat der ungekrümmte Fall einen geringeren Übertragungskoeffizienten als die anderen drei Fälle, da keine gegenseitige Kopplung zwischen verschiedenen Teilen der Leitung auftritt. TLs in Abb. 3(b,c) haben eine geringere Kopplung als die in (d), da Segmente der Linie in (d) räumlich näher platziert sind und eine stärkere gegenseitige Kopplung eingeführt wird. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die TLs in Abb. 3 nicht für die Impedanzanpassung optimiert wurden (siehe ergänzende Abb. S2). Durch eine bessere Impedanzanpassung kann ein höherer Übertragungskoeffizient erreicht werden. Wie erwartet nehmen die Übertragungskoeffizienten für alle Fälle mit zunehmender Häufigkeit ab.

Ungebogene, gebogene und verdrehte Übertragungsleitungen und ihre Übertragungsleistungen.

Antennen werden zum Senden und Empfangen von HF-Signalen in Kommunikationssystemen verwendet. Für tragbare Kommunikationssysteme sind sowohl mechanische Flexibilität als auch effektive Strahlung erforderlich. Zum ersten Mal wird die effektive Strahlung einer flexiblen und tragbaren Antenne mit gedrucktem Graphen experimentell in Kommunikationsfrequenzbändern wie Mobilfunk- und WiFi-Spektren demonstriert. Abbildung 4 zeigt die gleiche gedruckte Graphenantenne, die für Flexibilitäts- und Anpassungsfähigkeitstests gebogen und auf Zylinder mit unterschiedlichen Radien geklebt wird. Abbildung 4(a) zeigt die ungebogene Antenne und (b), (c) und (d) zeigen die Antenne, die jeweils an Zylindern mit einem Radius befestigt ist. Die Antenne ist eine typische CPW-gespeiste Schlitzantenne und auf Papier gedruckt. Die Parameter der Antenne finden Sie in der ergänzenden Abbildung S3.

Gedruckte Graphen-fähige Antenne, gebogen auf Zylindern mit verschiedenen Radien, (a) ungebogen, (b) gebogen mit r = 5,0 cm, (c) gebogen mit r = 3,5 cm und (d) gebogen mit r = 2,5 cm.

Die Reflexionskoeffizienten der Antenne unter diesen vier verschiedenen Biegefällen wurden mit VNA (Agilent E5071B) gemessen und der Gewinn mit der Drei-Antennen-Methode39 ermittelt, zusammen dargestellt in Abb. 5(a). Es ist ersichtlich, dass bei ungebogener Antenne der Reflexionskoeffizient S11 bei 1,97 GHz −18,7 dB beträgt und ein weiterer Peak bei 3,26 GHz mit −19,2 dB liegt, was auf eine gute Impedanzanpassung schließen lässt. Der Reflexionskoeffizient liegt von 1,73 GHz bis 3,77 GHz unter –8 dB und deckt damit die Bänder für Wi-Fi, Bluetooth, WLAN (drahtloses lokales Netzwerk) und mobile Mobilfunkkommunikation ab. Der maximale Gewinn beträgt 0,2 dBi bei 1,92 GHz und über −1 dBi von 1,82 GHz bis 3,72 GHz, was eine effektive Strahlung von der gedruckten Graphenantenne in den freien Raum zeigt. Beim Vergleich der Reflexionskoeffizienten für verschiedene Biegefälle ist ersichtlich, dass die Reflexionskoeffizienten nicht empfindlich auf die Biegung reagieren und nicht stark variieren. Die Impedanzanpassungspunkte sind nahezu unverändert. Allerdings ändert sich der Antennengewinn, insbesondere im höheren Frequenzbereich. Dies liegt daran, dass der Antennengewinn durch die Stromverteilung auf der Antenne bestimmt wird. Wenn die Antenne gebogen wird, ändert sich die Stromverteilung, was zu unterschiedlichen Antennengewinnleistungen führt. Obwohl die Verstärkung im höheren Frequenzband um 3,26 GHz mit zunehmender Biegung sichtbar abnimmt, weist die Verstärkung im unteren Band um 1,9 GHz bis 2,2 GHz deutlich geringere Schwankungen auf. In diesem Frequenzband arbeiten drahtlose tragbare Kommunikationssysteme. Die hier vorliegenden experimentellen Daten zeigen, dass die Strahlung in diesem Frequenzband auch dann noch wirksam sein kann, wenn die gedruckte Graphenantenne gebogen ist.

Messergebnisse der gedruckten Graphen-fähigen Antenne, die auf Zylindern mit unterschiedlichen Radien gebogen ist, wie in Abb. 4 dargestellt; Dementsprechend entsprechen die Kurven (a–d) ungebogen, gebogen mit einem Radius von 5,0 cm, 3,5 cm bzw. 2,5 cm.

(a) Reflexionskoeffizienten und realisierte Gewinne und (b) Strahlungsmuster bei 1,97 GHz.

Die entsprechenden Strahlungsmuster in den Fällen (a)–(d) bei 1,97 GHz in der Elevationsebene wurden ebenfalls mit einem Antennenmesssystem (Antenna Measurement Studio 5.5, Diamond Engineering) gemessen. Die Daten wurden für jede Drehung um 10 Grad aufgezeichnet und in Abb. 5 (b) dargestellt. Aus den Strahlungsmustern ist ersichtlich, dass die Fälle (a)–(c) trotz geringfügiger Abnahme der maximalen Verstärkung recht ähnlich sind. Das Muster von Fall (d) unterscheidet sich deutlich von den anderen drei, da die stark gebogene Antenne eine starke Änderung der Stromverteilung mit sich bringt und eine Verschiebung der Resonanzfrequenz der Antenne verursacht. Es wurde festgestellt, dass sich in diesem Fall die Resonanzfrequenz auf 2,16 GHz verschoben hat. Das Strahlungsmuster bei 2,16 GHz ist in der ergänzenden Abbildung S4 zu finden.

Mit der oben genannten Überprüfung der Flexibilität und effizienten Strahlung der gedruckten Graphen-Antenne gehen wir hier einen Schritt weiter, um ihr Potenzial in drahtlosen tragbaren Kommunikationssystemen zu beweisen, indem wir ein reales Szenario präsentieren, das in Abb. 6(a) dargestellt ist. Es zeigt einen Kommunikationstestaufbau am Körper. Kommunikation am Körper ist das Senden/Empfangen von Signalen zwischen Netzwerken und Systemen am Körper10,40. In diesem Aufbau werden die Graphenantennen gebogen und an den Händen der Schaufensterpuppe befestigt, um HF-Signale zu senden/empfangen. Der Übertragungskoeffizient zwischen den beiden Antennen ist in Abb. 6 (b) dargestellt. Wenn der Abstand zwischen den beiden Antennen beträgt, liegt der Übertragungskoeffizient von 1,67 GHz bis 2,87 GHz über –32 dB, was mehr als 20 dB höher ist als –55 dB, die außerhalb des Bandes über 3,8 GHz beobachtet werden. Die Messergebnisse bestätigen, dass das HF-Signal von diesen beiden Graphenantennen effektiv abgestrahlt und empfangen werden kann.

Messung der Übertragung zwischen zwei auf den Körper gedruckten, mit Graphen ausgestatteten tragbaren Antennen.

(a) Messeinstellung der tragbaren Antennen an der Schaufensterpuppe und (b) Übertragung zwischen zwei Antennen, die an den Händen der Schaufensterpuppe mit einem Abstand von 0,5 m befestigt sind.

Wir haben hochleitfähige und flexible gedruckte Graphen-TLs und -Antennen mit Graphen-Nanoflocken vorgestellt, die auf drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen abzielen. Die Machbarkeit der Verwendung von gedrucktem Graphen zum Senden/Empfangen von HF-Signalen über Kabel und drahtlos wurde experimentell nachgewiesen. Die überlegene Flexibilität der gedruckten Graphen-fähigen TLs und Antennen wurde durch Messungen unter verschiedenen Biege- und Verdrehungsfällen vollständig bestätigt. Es wurde auch eine Signalübertragung am Körper einer Schaufensterpuppe vorgestellt, bei der gedruckte Graphenantennen verwendet werden, die an die Arme des Modells angepasst sind, um HF-Signale drahtlos auszustrahlen und zu empfangen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die solide mechanische Flexibilität und die effektive Strahlung der gedruckten Graphen-Antennen die drahtlose Kommunikation am Körper erfolgreich erleichtert haben. Diese Arbeit hat eindeutig bewiesen, dass gedrucktes Graphen transformative Veränderungen bei der Bildung passiver HF-Komponenten wie TLs und Antennen für tragbare Anwendungen bewirken kann. Darüber hinaus ist der Herstellungsprozess einfach und kostengünstig und daher für die kommerzielle Massenproduktion geeignet. In Kombination mit anderen tiefgreifenden Vorteilen in Bezug auf geringes Gewicht, mechanische Flexibilität und Umweltfreundlichkeit kann gedrucktes Graphen ideal für kostengünstige tragbare Verbrauchselektronik sein.

Graphen-Nanoflocken wurden in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel dispergiert, um eine gleichmäßige Graphentinte mit 10 Gew.-% zu bilden, nämlich Grat-Ink 102E. Die Tinte enthielt weniger als 1 Gew.-% nichtionische Tenside vom Polymertyp. Das Vorhandensein der Tenside verbessert die Dispersion der Graphenflocken und die Viskosität und trägt zur Bildung eines gleichmäßigen Films bei. Die wie oben beschrieben hergestellte Grat-Ink 102E wurde zum Drucken der Proben in dieser Studie verwendet. Als Substrat wurde herkömmliches Papier verwendet und die Muster der Proben wurden mit einem 150-Mesh-Edelstahlsieb über einen manuellen Labor-Siebdrucktisch gedruckt. Sie wurden 10 Minuten lang bei 100 °C getrocknet. Darüber hinaus wurde ein rollendes Kompressionsverfahren unter Verwendung einer Kompressionswalze (SERP02, Shining Energy, Taiwan) durchgeführt, um hochdichte Graphenlaminate zu erhalten. Das unterschiedliche Kompressionsverhältnis und die Dicke der Proben werden durch Einstellen des Abstands zwischen zwei Rollen gesteuert. Eine hohe Reproduzierbarkeit kann gewährleistet werden, wenn der Rollenabstand während des Betriebs fixiert ist. Der Schichtwiderstand des Graphenlaminatmusters wurde mit der 4-Punkt-Sonde (RM3000, Jandel, UK) gemessen. Die Dicken von unkomprimierten und komprimierten Graphenmustern wurden mit einem digitalen Dickenmessgerät (PC-485, Teclock, Japan) gemessen. Insgesamt wurden 10 Messungen an verschiedenen Stellen durchgeführt, um den Durchschnittswert jeder Probe zu ermitteln.

Zitierweise für diesen Artikel: Huang, X. et al. Hochflexibles und leitfähiges gedrucktes Graphen für drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen. Wissenschaft. Rep. 5, 18298; doi: 10.1038/srep18298 (2015).

Paniagua Diez, F., Suarez Touceda, D., Sierra Camara, JM & Zeadally, S. Auf dem Weg zu selbstauthentifizierungsfähigen tragbaren Geräten. IEEE Wireless Commu. 22, 36–43 (2015).

Artikel Google Scholar

Hertleer, C., Rogier, H., Vallozzi, L. & Van Langenhove, L. Eine Textilantenne für die Kommunikation außerhalb des Körpers, integriert in Schutzkleidung für Feuerwehrleute. IEEE Trans. Antennen und Propagat. 57, 919–925 (2009).

Artikel ADS Google Scholar

Royer, EM & Toh, CK Ein Überblick über aktuelle Routing-Protokolle für Ad-hoc-Mobilfunknetzwerke. IEEE Personal Comm. 6, 46–55 (1999).

Artikel Google Scholar

Bayram, Y. et al. E-Textilleiter und Polymerverbundwerkstoffe für konforme Leichtantennen. IEEE Trans. Antennen und Propagat. 58, 2732–2736 (2010).

Artikel ADS Google Scholar

Lee, S. et al. Flexible und transparente Vollgraphen-Schaltkreise für quartäre digitale Modulationen. Nat. Komm. 3, 1018 (2012).

Artikel ADS Google Scholar

Service, HF-Technologie. Elektronische Textilien machen Fortschritte. Wissenschaft 301, 909 (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Schmied, B., Günther, J., Klatt, C., Kober, H. & Raemaekers, E. STELLA – Dehnbare Elektronik für großflächige Anwendungen – Eine neue Technologie für intelligente Textilien. Adv. in Wissenschaft. und Tech. 60, 67–73. (2009).

Artikel Google Scholar

Carr, J. Das Handbuch für Funkempfänger des Technikers: drahtlose und Telekommunikationstechnologie 37–39 (Newnes, 2001).

Klemm, M. & Troester, G. Textile UWB-Antennen für drahtlose Body Area Networks. IEEE Trans. Antennen und Propagat. 54, 3192–3197 (2006).

Artikel ADS Google Scholar

Zhu, S. & Langley, R. Tragbare Dualband-Textilantenne auf einem EBG-Substrat. IEEE Trans. Antennen und Propagat. 57, 926–935 (2009).

Artikel ADS Google Scholar

De, Sukanta et al. Silber-Nanodrahtnetzwerke als flexible, transparente, leitende Filme: extrem hohes Verhältnis von Gleichstrom zu optischer Leitfähigkeit. ACS Nano 3, 1767–1774 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Song, Lingnan et al. Dehnbare und reversibel verformbare Hochfrequenzantennen auf Basis von Silbernanodrähten. ACS Angewandte Mater. & Int. 6, 4248–4253 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Zeng, Xiao-Yan et al. Ein neuer transparenter Leiter: Silber-Nanodrahtfilm, der auf der Oberfläche eines transparenten Polymers vergraben ist. Adv. Mater. 22, 4484–4488 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Cochrane, Cédric et al. Design und Entwicklung eines flexiblen Dehnungssensors für textile Strukturen auf Basis eines leitfähigen Polymerkomposits. Sensoren 7, 473–492 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Girolamo Del Mauro, Anna et al. Polymersolarzellen mit tintenstrahlgedruckter dotierter PEDOT: PSS-Anode. Polymer Composites 34, 1493–1499 (2013).

Artikel Google Scholar

Richardson-Burns, Sarah M. et al. Polymerisation des leitenden Polymers Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) um lebende Nervenzellen. Biomaterialien 28 1539–1552 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Hu, Liangbing & Hecht, David S. und George Gruner. Kohlenstoffnanoröhren-Dünnfilme: Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen. Chem. Rev. 110 5790–5844 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Kamyshny, A. & Magdassi, S. Leitfähige Nanomaterialien für gedruckte Elektronik. Small 10, 3515–3535 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Geim, AK et al. Der Aufstieg von Graphen. Nat. Mater. 6, 183–191 (2007).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Han, Shu-Jen et al. Hochfrequenz-Graphen-Spannungsverstärker. Nano-Buchstaben 11, 3690–3693 (2011).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Yang, X., Liu, G., Balandin, AA & Mohanram, K. Triple-Mode-Einzeltransistor-Graphenverstärker und seine Anwendungen. ACS Nano 4, 5532–5538 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Han, W., Hsu, A., Wu, J., Jing, K. & Palacios, T. Ambipolare HF-Mischer auf Graphenbasis. IEEE Electron Device Lett. 31, 906–908 (2010).

Artikel ADS Google Scholar

Lin, Y.-M. et al. Integrierter Graphen-Schaltkreis im Wafer-Maßstab. Science 332, 1294–1297 (2011).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Warrior, Erica et al. Integrierte Gigahertz-Graphen-Ringoszillatoren. ACS Nano 7, 5588–5594 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, Changyao et al. Mechanische Graphen-Oszillatoren mit abstimmbarer Frequenz. Nat. Nanotechnologie. 8, 923–927 (2013).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Han, SJ, Garcia, AV, Oida, S., Jenkins, KA & Haensch, W. Integrierte Schaltung für Graphen-Hochfrequenzempfänger. Nat. Komm. Rev. 5, 3086 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Gomez-Diaz, JS & Perruisseau-Carrier, J., Mikrowellen-zu-THz-Eigenschaften von Graphen und mögliche Antennenanwendungen. IEEE Int. Sym. auf Antenne. & Propag. (ISAP), Nagoys, Japan. IEEE Proceedings of ISAP 2012. S. 239–242. (2012, 29. Okt.).

Balanis, CA Antennentheorie: Analyse und Design 60–62 (John Wiley & Sons, Hoboken, 2012).

Secor, EB, Prabhumirashi, PL, Puntambekar, K., Geier, ML & Hersam, MC Tintenstrahldruck von hochleitfähigen, flexiblen Graphenmustern. Der J. of Phys. Chem. Lette. 4, 1347–1351 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Huang, L., Huang, Y., Liang, J., Wan, X. & Chen, Y. Graphenbasierte leitfähige Tinten für den direkten Tintenstrahldruck flexibler leitfähiger Muster und ihre Anwendungen in elektrischen Schaltkreisen und chemischen Sensoren. Nanoforschung 4, 675–684 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Torrisi, Felice et al. Tintenstrahlgedruckte Graphen-Elektronik. ACS Nano 6, 2992–3006 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Finn, David J. et al. Tintenstrahlabscheidung von flüssigkeitsabgeblätterten Graphen- und MoS 2 -Nanoblättern für Anwendungen in gedruckten Geräten. J. von Mater. Chem. C 2, 925–932 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Li, Jiantong et al. Effizienter Tintenstrahldruck von Graphen. Adv. Mater. 25, 3985–3992 (2013).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Huang, X. et al. Bindemittelfreies, hochleitfähiges Graphenlaminat für kostengünstige gedruckte Hochfrequenzanwendungen. Applied Physics Letters, 106, 203105 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

Lotya, M., King, PJ, Khan, U., De, S. & Coleman, JN Hochkonzentrierte, tensidstabilisierte Graphendispersionen. ACS Nano 4, 3155–3162 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Bowick, C. RF Circuit Design 2. Auflage, 185–187 (Newnes 2011).

Zhang, J. & Hsiang, TY Extraktion von Subterahertz-Übertragungsleitungsparametern koplanarer Wellenleiter. PIERS Online 3, 1102–1106 (2007).

Artikel Google Scholar

Zhang, K. & Li D. Elektromagnetische Theorie für Mikrowellen und Optoelektronik. 144 (Springer, 2008).

Balanis, CA Antenna theory: Analysis and Design 2. Auflage, (Hrsg. Elliot S. et al.) 867–868 (John Wiley & Sons, 2012).

Hall, PS & Hao, Y. Antennen und Ausbreitung für körperzentrierte Kommunikation. 2006 Erste Eur. Konf. Antennenpropag. Nice, Frankreich. IEEE, 10.1109/EUCAP.2006.4584864 (2006, 6. November).

Referenzen herunterladen

Die Autoren möchten sich besonders bei Dr. Simeon Gill vom Fashion Technology Management der University of Manchester für die Bereitstellung einer Schaufensterpuppe für Messungen der Kommunikation am Körper bedanken.

Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik, Universität Manchester, Manchester, M13 9PL, Großbritannien

Xianjun Huang, Ting Leng, Xiao Zhang, Mohammed Aqeeli und Zhirun Hu

Fakultät für Physik und Astronomie, Universität Manchester, Manchester, M13 9PL, Großbritannien

Mengjian Zhu & Kostya S. Novoselov

BGT Materials Limited, Photon Science Institute, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, Großbritannien

JiaCing Chen & KuoHsin Chang

Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, Großbritannien

Andre K. Geim

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

XH entwarf die Proben, bereitete die experimentellen Geräte vor, leitete die HF-Messungen, analysierte experimentelle Daten, nahm an Diskussionen teil und verfasste das Manuskript; TL, XZ und MA beteiligten sich an der HF-Vorbereitung, Messungen und Diskussionen; MZ bereitete sich auf einige Messungen vor und trug teilweise zum Schreiben bei. JCC und KHC bereiteten die Proben vor und testeten die Materialleistung; AKG lieferte Vorschläge zum Verfassen von Projekten und Manuskripten; KSN koordinierte das Projekt und trug zum Schreiben bei; ZH paraphierte und betreute das Projekt, verfasste das Manuskript. Alle Autoren haben der endgültigen Fassung des Manuskripts zugestimmt.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Huang, X., Leng, T., Zhu, M. et al. Hochflexibles und leitfähiges gedrucktes Graphen für drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen. Sci Rep 5, 18298 (2016). https://doi.org/10.1038/srep18298

Zitat herunterladen

Eingegangen: 7. Juli 2015

Angenommen: 3. November 2015

Veröffentlicht: 17. Dezember 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep18298

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Microchimica Acta (2023)

Zeitschrift für Elektrotechnik und Technologie (2023)

npj Flexible Elektronik (2022)

Nature Reviews-Materialien (2021)

Analytische und bioanalytische Chemie (2021)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.