液体金属とレーザアブレーションを利用し伸縮可能微小アンテナ作製

September, 27, 2023, Washington--西安交通大学(Xi’an Jiaotong University)の研究者は、ヒドロゲルと液体金属から小さな伸縮性アンテナを製造するための新しい方法を開発した。
アンテナは、ウェアラブルで柔軟なワイヤレス電子デバイスに使用して、電力供給、データ処理、および通信のためにデバイスと外部システム間のリンクを提供できる。

「われわれの新しい製造アプローチを使用して、液体金属アンテナの長さを半分に短縮できることを実証した。これは、健康モニタリング、人間の活動モニタリング、ウェアラブルコンピューティングやその他のアプリケーションに使用されるウェアラブルデバイスを小型化し、よりコンパクトで快適にするのに役立つ」と、中国の西安交通大学のTao Chenはコメントしている

Optics Express誌で、研究チームは、室温で液体である金属合金、共晶ガリウム-インジウムを、シングルステップのフェムト秒レーザアブレーションプロセスで作製されたマイクロチャネルに注入する新技術について説明している。チームは、この方法を使用して、70㎜×12㎜×7㎜ヒドロゲルスラブに埋込24 mm×0.6 mm×0.2 mmを作製した。

「伸縮性のある柔軟なアンテナは、たとえば、温度、血圧、血中酸素をモニタするウェアラブル医療機器に役立つ可能性がある。個別のモバイルデバイスが、フレキシブルアンテナを介してより大きな制御ユニットに接続でき、データやその他の通信を転送して、ワイヤレスボディエリアネットワーク(WBAN)を形成する。フレキシブルアンテナの共振周波数は加歪によって異なるため、ウェアラブルモーションセンサとしても使用できる可能性がある」(Chen)。

より柔軟な金属
この研究は、サウジアラビアのキングアブドラ科学技術大学(KAUST)のJian Huと協力して実施された以前の研究から発展し、研究チームはフェムト秒レーザアブレーションを使用して歪検出のためにヒドロゲルに埋め込まれた3D銀構造を作製する方法を開発しました(Jian Hu教授と協力)。「銀の構造は非常に脆弱であるため、伸縮性が悪かった。固体金属構造の代わりに液体金属を使用すると、金属がヒドロゲルマイクロチャネルに充填しやすくなるだけでなく、伸びる能力も向上する」(Chen)。

液体金属ダイポールアンテナ(最も単純で最も広く使用されているタイプのアンテナ)を作るために、研究者はフェムト秒レーザをスキャンして、表面を傷つけることなくヒドロゲル内に対称的なマイクロチャネルペアを形成した。レーザの短いパルス幅は、多光子吸収のような非線形光学効果を介して透明な材料のアブレーションを可能にする高いピークパワーを生成し、アブレーションがレーザの正確な焦点でのみ行われることを保証する。次に、液体金属をマイクロチャネルに注入し、アンテナとして使用できるヒドロゲル埋込ワイヤを形成した。

ハイドロゲルを基板として選択したのは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)や他の従来のポリマ基板に比べて誘電特性が高く、アンテナの長さを半分に短縮できるからである。ヒドロゲルベースのデバイスは、元の長さのほぼ2倍に伸ばすこともできる。

とは言え、ヒドロゲルベースの液体金属デバイスは、一般には、レーザを用いて上面に溝を彫り、それらを液体金属で満たして、次いでパタン化された基板を溝を彫っていない基板と接合する。「われわれの方法を使用すると、層結合を必要とせずに、単一の製造プロセスを使用してマイクロチャネルをヒドロゲルに埋め込むことができる。さらに、フェムト秒レーザを3Dスキャンすることで、3Dマイクロチャネルや液体金属構造を簡単に形成できるため、複雑な構造の2Dまたは3Dフレキシブルアンテナを製造して、性能と機能を向上させることができる」(Chen)。

伸縮性のあるアンテナ作製
新しい製造アプローチを実証するために、研究チームは伸縮性のあるダイポールアンテナを準備し、様々な周波数で反射係数を測定した。これらの実験は、純粋なヒドロゲルがほとんどすべての入射電磁波エネルギーを反射するのに対し、ヒドロゲルに埋め込まれた液体金属ダイポールアンテナは、入射電磁波の大部分を自由空間に効果的に放射し、共振周波数で反射されるのは10%未満であることを示した。また、印加歪を0〜48%の範囲で変化させることで、アンテナの共振周波数を770.3MHz～927.0MHzに調整できることを示した。

研究チームは現在、レーザ誘起マイクロチャネルで使用されるシーリング技術の改善に取り組んでおり、柔軟な伸縮性アンテナの強度と液体金属漏れの閾値ひずみを高めている。また、この新アプローチを、複雑な2Dまたは3D構造を持つ完全に柔軟な多次元歪および圧力センサの開発にどのように適用できるかについても研究する予定である。