Grafene stampato altamente flessibile e conduttivo per applicazioni di comunicazione indossabili wireless

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 18298 (2016) Citare questo articolo

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In questo articolo riportiamo il grafene stampato altamente conduttivo, altamente flessibile, leggero e a basso costo per applicazioni di comunicazione indossabili wireless. Come prova di concetto, sono state progettate, fabbricate e caratterizzate linee di trasmissione e antenne stampate abilitate al grafene su substrati di carta. Per esplorarne le potenzialità nelle applicazioni di comunicazione indossabili, sono state studiate sperimentalmente linee di trasmissione e antenne meccanicamente flessibili sotto varie custodie piegate. I risultati della misurazione dimostrano che il grafene stampato può essere utilizzato per la trasmissione, l’irradiazione e la ricezione del segnale RF, che rappresenta alcune delle funzionalità essenziali dell’elaborazione del segnale RF nei sistemi di comunicazione indossabili wireless. Inoltre, il grafene stampato può essere lavorato a bassa temperatura in modo che sia compatibile con materiali flessibili sensibili al calore come carta e tessuti. Questo lavoro avvicina ulteriormente alla prospettiva di implementare nel prossimo futuro sistemi di comunicazione indossabili wireless a basso costo e rispettosi dell’ambiente abilitati al grafene.

Le comunicazioni indossabili wireless sono un campo di crescente interesse di ricerca a causa delle numerose potenzialità offerte in settori quali il monitoraggio della sanità e del fitness1,2, la rete mobile/Internet3, la pelle intelligente4,5,6 e l'abbigliamento funzionale7, solo per citarne alcuni. Il front-end a radiofrequenza (RF) è un elemento fondamentale in qualsiasi sistema di comunicazione, che trasmette e riceve segnali RF. Un front-end RF include componenti passivi come antenne, linee di trasmissione (TL) e reti di adattamento di impedenza e circuiti attivi come amplificatore di potenza, amplificatore a basso rumore (LNA), mixer di frequenza e oscillatore locale8 per citarne alcuni. Convenzionalmente, un front-end RF viene assemblato principalmente utilizzando la tecnologia PCB (circuito stampato), che rappresenta una grande sfida nell'integrazione con substrati flessibili come carta e tessuti4. Per affrontare questo problema è stato proposto il rivestimento/placcatura del metallo sui filati tessili9,10. Tuttavia, in questi approcci, anche se i metalli venivano depositati su substrati flessibili, le procedure di fabbricazione erano complicate e a bassa efficienza e i materiali utilizzati erano costosi, non adatti all’implementazione di massa in applicazioni indossabili wireless a basso costo. Sono stati sviluppati anche nanofili d'argento (AgNW), polimeri conduttivi e nanotubi di carbonio per applicazioni elettroniche indossabili. Sebbene l'AgNW sia altamente conduttivo11, per ottenere una resistenza del foglio sufficientemente bassa per le applicazioni RF, è necessario un rivestimento AgNW relativamente spesso11,12 (230 per quasi 11), il che si traduce in costi elevati per la produzione di massa poiché l'argento è scarso e costoso13. Per quanto riguarda il polimero conduttivo, sebbene possa essere utilizzato per componenti elettronici flessibili come sensori e celle solari, la sua conduttività è troppo bassa per essere utilizzata per la trasmissione e la radiazione di segnali RF14,15. Il polimero conduttivo è inoltre limitato dall'instabilità chimica e termica16. I nanotubi di carbonio, con una resistenza tipica del foglio superiore a , a causa dell'elevata resistenza di giunzione tra nanotubi sovrapposti17,18, non sono ancora sufficientemente conduttivi per soddisfare i requisiti pratici del circuito RF.

Tuttavia, il grafene, l'allotropo del nanotubo di carbonio, è un materiale molto promettente per le applicazioni di comunicazione indossabile wireless grazie alla sua elevata conduttività e alle sue proprietà uniche5,19. Fino ad oggi, i ricercatori hanno esplorato intensamente le applicazioni del grafene per realizzare dispositivi attivi come transistor e diodi. Un modulatore digitale quaternario è stato realizzato utilizzando due transistor al grafene5. Gli amplificatori nelle bande RF sono stati dimostrati sperimentalmente con transistor ad effetto di campo al grafene20,21. Sono stati dimostrati anche altri dispositivi attivi come il mixer di frequenza22,23 e l'oscillatore24,25. Più recentemente è stato segnalato anche un circuito integrato (IC) ricevitore RF monolitico in grafene che esegue l'amplificazione, il filtraggio e la down-conversion del segnale26.