通気性RF-E-テキスタイル：ウェアラブル通信向け柔軟導電ファブリック

PiretaのMario D'Auria、John Greenwood、Chris Hunt、および英国国立物理研究所（NPL）のMartin Salter、Nick Ridlerにより、導電トラックを布地に直接堆積させる画期的な手法が提示されています。このブレイクスルーは、幅広いウェアラブルデバイスへの道を開きます。

RF分野では、損失を低減し動作帯域を拡張する高性能基板に多くの努力が注がれてきました。多くの選択肢が存在しますが、それらは主に硬質または半柔軟であり、極限性能は不要だが機械的コンプライアンスが必須な市場を見落としています。

デバイスが小型化・低コスト化するにつれ、ウェアラブル技術はヘルスケアから防衛、フィットネスまで多様な産業で中心的焦点となっています。従来の製造は硬質コンポーネントに依存しており、RFシステムでは形状が周波数と密接に結びついているため、小型化が困難です。

大型でかさばるワイヤレスウェアラブルはユーザーの自由と快適性を制限します。Piretaの導電ファブリック技術は、柔軟性と通気性を維持しながら空間的・設計的自由度を提供します。

Piretaの独自プロセスは、天然・合成繊維の両方に対応し、5つの浸漬ステップ（洗浄、感作、シード層印刷、無電解金属堆積、パッシベーション）と、幾何学的自由度を与える印刷可能シード層で構成されます。

この手法はスケーラブルで、ロールツーロールデジタル印刷と工程を共有し、大量生産を可能にします。金属が繊維をコーティングしても、風合い、ドレープ、伸縮性、通気性を損ないません。

RF評価に必須の伝送路を、Piretaプロセスでコットンドリル生地上に製作。2つのコプラナーストリップセクション（トラック幅5mm、間隔2mm）を50mmと80mmの長さで作製。トラックはまず銀でシードされ、次に銅でメッキ、最後に銀層でパッシベートされました。

製作後、実測トラック幅は5.5mm、ギャップは1.7mmでした。SMAメスコネクタを端部にはんだ付け可能で、均一な金属被膜によって実現しています。

VNA測定

測定はNPLでKeysight PNA-Xベクトルネットワークアナライザを用い、10MHz〜10GHzで実施。精密3.5mmコネクタ（33GHz定格）を使用。SMAコネクタは一般的に~12GHzまで対応。ショート-オープン-ロード-スルーキャリブレーションを事前に実施。

図2と図3に50mmと80mmラインのSパラメータを示します。反射係数（S11、S22）は100MHz以上で悪化し、印刷解像度の限界が原因と推測されます。インピーダンストランスフォーマーの実装でこのミスマッチを緩和可能です。S11とS22のほぼ同一値はコネクタの優れた再現性を確認します。

伝送係数（S12、S21）は2GHzまで許容範囲内に留まり、ミスマッチ対処後は機能的であることを示唆します。表1に選択周波数でのS21損失をまとめます。

標準減衰式を用いて、単位長あたりの補正損失（αd）を算出（図4参照）。短区間では損失が非常に低く、10MHz〜100MHzで~0.20 dB/cm、1GHz付近で~0.32 dB/cmまで上昇。

メタライゼーション強化

オーム損失低減のため、パッシベーション後に銅電解メッキ工程を追加し、オリジナルの無電解（EL）ラインに加えて電解メッキ（EP）バリエーションを作製。両セットは外観が類似し、わずかな剛性増加のみ。

EPラインは10〜100MHzでEL比0.2dB/cm改善、100MHz以降は緩やかに上昇。1GHzでEP損失は0.3dB/cmに到達。残存損失は幾何学的不完全性と生地粗さに起因し、より細かい生地と設計改良で更なる改善が期待されます。

人体組織との相互作用

ラインが皮膚に直接接触すると（図7a）、組織の損失性により性能が劣化。絶縁スペーサーを挟んでも（図7b）同様の損失ですが、ライン下に第2導電層を追加すると性能が回復します（図7c）。適切な設計により人体影響を大幅に軽減可能であることを示唆しています。

生地歪みの影響

図9に全5条件での単位長あたり減衰を表示。ラインは最小変動しか示さず、ウィグル構成でわずかな増加のみ、セグメント間結合が原因と推測されます。

結果と今後の課題

データは導電ファブリック伝送路が少なくとも1GHzまで有効に動作し、AM、FM、RFID、Wi-Fi/Bluetooth、衛星ラジオバンドをカバーすることを確認しています。人体組織の影響を中和し、歪みに対する耐性を示すことで、ウェアラブルRFアプリケーションに適した技術であることが実証されました。今後の課題は平面幾何学の最適化、基板誘電率、ライン厚の調査、従来の固体金属トラックに対する非均一電流パスの対処です。

結論

PiretaのE-テキスタイルプロセスはまだ新興段階ですが、サブ6GHz 5Gを含む多くの通信アプリケーションのRF要件を満たしつつ、風合い、ドレープ、通気性といったテキスタイル特性を維持できることを実証しました。この二重能力が、多様な分野での製品イノベーションの新たな道を開きます。

参考文献

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Microstrip Lines and Slotlines. London: Artech House, 2013, pp. 376–377.
2. IEEE Std 287-2007, “IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz).”
3. IEC 60169-15:1979, “Radio-frequency connectors. Part 15: R.F. coaxial connectors with inner diameter of outer conductor 4.13 mm (0.163 in) with screw coupling – Characteristic impedance 50 Ω (Type SMA).”
4. S. Rehnmark, “On the Calibration Process of Automatic Network Analyzer Systems,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Apr 1974, pp. 457–458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, “Attenuation measurement,” in Microwave Measurements, London, U.K.: IEE, pp. 132–134, 1989.