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자연 | 소식

전파 수신기는 원래 크기의 100분의 1로 줄어들었습니다.

미셸 그림과 톰 그림/Alamy

새로운 디자인은 휴대폰 기지국에 표시된 부피가 큰 안테나를 최대 100배 더 작게 만들 수 있습니다.

TV 신호와 전파를 송수신하는 금속 안테나는 곧 최대 100배 더 작은 소형 필름으로 대체될 수 있다고 과학자들은 말합니다. 가능한 이점 중에는 더 작은 스마트폰과 웨어러블 기술, 뇌 세포를 자극하는 소형 이식형 장치 등이 있습니다.

기존 안테나는 금속 케이블 위아래로 전자 전류를 진동시켜 케이블 크기와 관련된 파장의 전자기(EM) 방사선을 내보내 신호를 전송하기 때문에 부피가 큽니다. 전파 스펙트럼 중 가장 일반적으로 사용되는 부분의 경우 이는 안테나가 방출하는 방사선의 파장에 따라 안테나 길이가 센티미터 또는 수십 센티미터가 되어야 함을 의미합니다.

그러나 Nature Communications1에 발표된 논문에서 보스톤 Northeastern University의 엔지니어 Nian Xiang Sun과 그의 동료들은 새로운 방식으로 EM 신호를 감지하고 전달하는 소형 안테나의 생성을 보고했습니다. 이 설계에서 전파를 감지하고 방출하는 안테나는 직경이 1밀리미터 미만일 수 있다고 Sun은 말합니다.

프로토타입 안테나는 음파(재료의 진동)를 전자기파와 결합하여 작동합니다. 그들은 전류에 노출되면 진동하는 얇은 압전막을 사용합니다. 이 진동은 자성 입자를 포함하는 부착된 필름을 늘리거나 압축합니다. 그 작용은 진동하는 자기장을 생성하고 결과적으로 전자기파를 생성합니다. 이 과정은 전파를 포착하기 위해 반대 방향으로 발생합니다. 들어오는 방사선은 필름에 진동 자기장을 설정하고, 이는 부착된 멤브레인에 진동을 유발하며, 멤브레인의 모양이 변화하여 전기 신호를 생성합니다.

안테나가 매우 작을 수 있는 이유는 멤브레인의 음파가 생성되는 전자기파보다 더 느리게 이동하기 때문입니다. 예를 들어 1GHz(기가헤르츠)의 초고주파 전파는 초당 10억 번 진동합니다. 10억분의 1초에 빛의 속도로 움직이는 이 파동은 30cm를 이동합니다. 그러나 동일한 주파수에서 진동하는 박막은 단지 수백 나노미터만 움직입니다.

초소형 자기 안테나에 대한 아이디어는 2년 전에 제안되었지만 프로토타입이 테스트된 것은 이번이 처음이라고 Sun은 말합니다. 기본 이론을 제시한 과학자 중 한 명인 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 Yuanxun Ethan Wang은 "이 연구는 원래 개념을 현실에 한 걸음 더 가깝게 가져왔다"고 말했습니다. Wang은 소형 안테나가 모든 측면에서 기존 안테나보다 성능이 뛰어난지는 아직 확실하지 않다고 경고합니다.

Sun은 자신의 팀이 이미 이 기술을 상용화하기 위해 기업들과 협력하고 있으며 이러한 소형 안테나를 사용하는 통신 시스템이 "2~3년 내에" 사용될 것으로 기대하고 있다고 말했습니다.

안테나는 뇌의 칩에 사용될 수 있다고 Sun은 말합니다. 생의학 연구자들은 이미 우울증과 편두통을 치료하기 위해 머리 외부에 위치한 자기 코일이 뇌 내부에 전류를 유도하는 경두개 자기 자극을 사용하고 있습니다. 이 기술은 학습 장애를 치료하기 위해 연구되고 있습니다. 그러나 코일에서 전자기파를 유도하는 것은 까다롭습니다. 전자기 방사선을 수신하고 방출하는 이식 가능하고 제어 가능한 칩은 안테나가 축소될 수 있다면 뉴런을 보다 정확하게 자극할 수 있습니다.

Sun은 웨어러블 기술 및 스마트폰과 같은 소비자 애플리케이션도 혜택을 누릴 수 있다고 생각합니다. 안테나 크기가 항상 스마트폰을 제한하는 요소는 아니지만 Wi-Fi, GPS, 비접촉식 결제를 위한 근거리 통신과 같은 서비스를 위해 개발자들이 다양한 크기의 여러 안테나를 점점 더 많이 집어넣고 있다고 Sun은 말합니다. 디자인을 간소화하는 데 도움이 됩니다.