Grafeno impresso altamente flexível e condutor para aplicações de comunicações vestíveis sem fio

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 18298 (2016) Citar este artigo

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Neste artigo, relatamos grafeno impresso altamente condutivo, altamente flexível, leve e de baixo custo para aplicações de comunicações vestíveis sem fio. Como prova de conceito, linhas de transmissão e antenas habilitadas para grafeno impresso em substratos de papel foram projetadas, fabricadas e caracterizadas. Para explorar seu potencial em aplicações de comunicações vestíveis, linhas de transmissão mecanicamente flexíveis e antenas sob vários casos dobrados foram estudadas experimentalmente. Os resultados da medição demonstram que o grafeno impresso pode ser usado para transmissão, irradiação e recepção de sinais de RF, o que representa algumas das funcionalidades essenciais do processamento de sinais de RF em sistemas de comunicações vestíveis sem fio. Além disso, o grafeno impresso pode ser processado a baixa temperatura para que seja compatível com materiais flexíveis sensíveis ao calor, como papéis e têxteis. Este trabalho aproxima-se um pouco mais da perspectiva de implementar sistemas de comunicações vestíveis sem fio habilitados para grafeno, de baixo custo e ecologicamente corretos, em um futuro próximo.

As comunicações vestíveis sem fio são um campo de crescente interesse de pesquisa devido aos inúmeros potenciais oferecidos em áreas como saúde e monitoramento de condicionamento físico1,2, rede móvel/internet3, pele inteligente4,5,6 e roupas funcionais7, para citar alguns. O front-end de radiofrequência (RF) é um bloco de construção básico em qualquer sistema de comunicação, que transmite e recebe sinais de RF. Um front-end de RF inclui componentes passivos, como antenas, linhas de transmissão (TLs) e redes de casamento de impedância e circuitos ativos, como amplificador de potência, amplificador de baixo ruído (LNA), misturador de frequência e oscilador local8, para citar alguns. Convencionalmente, um front-end de RF é montado principalmente usando tecnologia PCB (placa de circuito impresso), o que representa um grande desafio na integração com substratos flexíveis como papéis e têxteis4. Para resolver isso, foi proposto o revestimento/revestimento metálico em fios têxteis9,10. No entanto, nestas abordagens, embora os metais tenham sido depositados em substratos flexíveis, os procedimentos de fabricação eram complicados e de baixa eficiência e os materiais utilizados eram caros, não adequados para implantação em massa em aplicações vestíveis sem fio de baixo custo. Nanofios de prata (AgNWs), polímeros condutores e nanotubos de carbono também foram desenvolvidos para aplicações eletrônicas vestíveis. Embora os AgNWs sejam altamente condutivos , para obter resistência de folha suficientemente baixa para aplicações de RF, é necessário um revestimento de AgNWs relativamente espesso 11,12 (230 para quase 11), o que resulta em alto custo para produção em massa, pois a prata é escassa e cara . Quanto ao polímero condutor, embora possa ser usado para eletrônicos flexíveis, como sensores e células solares, sua condutividade é muito baixa para ser empregada na transmissão e radiação de sinais de RF . O polímero condutor também é limitado pela instabilidade química e térmica . Os nanotubos de carbono, com resistência de folha típica acima de , devido à alta resistência de junção entre nanotubos sobrepostos, ainda não são condutores o suficiente para atender aos requisitos práticos do circuito de RF.

No entanto, o grafeno, o alótropo do nanotubo de carbono, é um material muito promissor para aplicações de comunicações vestíveis sem fio devido à sua alta condutividade e propriedades únicas5,19. Até o momento, os pesquisadores exploraram intensamente as aplicações do grafeno para fabricar dispositivos ativos, como transistores e diodos. Um modulador digital quaternário foi obtido usando dois transistores de grafeno5. Amplificadores em bandas de RF foram demonstrados experimentalmente com transistores de efeito de campo de grafeno . Outros dispositivos ativos como misturador de frequência22,23 e oscilador24,25 também foram demonstrados. Mais recentemente, também foi relatado um circuito integrado receptor de RF de grafeno monolítico (IC) que realiza amplificação, filtragem e conversão descendente de sinal .