p>Dassault Systèmes Wearable Waveguids: 3M Designs Metamaterials for Body-Area Networks

 

하이테크, 의료, 스포츠, 과학 및 군사 산업 전반에 걸친 많은 어플리케이션에서 인체에 대한 데이터를 송수신하기 위해서는 여러 개의 센서가 필요합니다. 기존에는 유선 센서를 사용했지만 이는 사용자의 이동성과 자유를 제한하기 때문에 최근에는 무선 센서가 많이 개발되고 있습니다. 이러한 무선 센서의 발전은 안테나와 배터리를 작고 가벼운 패키지에 통합해야 한다는 것을 의미합니다.

인체는 자유 공간과 크게 다른 유전체 특성을 가지고 있기 때문에 안테나 설계 시 유전체 특성을 고려하여 설계해야 합니다. 인체는 전파를 흡수, 굴절, 반사하기 때문에 성능이 저하되거나 신호가 없는 데드존이 발생할 수 있습니다.

신호를 신체에서 멀리 보내는 안테나를 개발하면 체외 통신 범위를 개선하고 전력 소비를 줄일 수 있으며 이는 장시간 착용해야 하는 디바이스의 배터리 수명을 개선하는데 큰 도움이 될 수 있습니다.

 

3M에서는 신체 주변의 다수 센서를 선 없이 연결할 수 있도록 도파관 역할을 하는 신소재를 개발하여 한 웨어러블 기기에서 다른 기기로 무선 신호를 전달하는데 도움을 주고 있습니다.

이 새로운 소재는 피부를 통해 신호를 전달하여 여러 센서가 BAN(Body Area Network)을 통해 중앙 제어 장치에 연결될 수 있도록 합니다.

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도파관 소재는 에너지 효율과 수신을 개선할 뿐만 아니라 사용자가 센서의 위치를 결정할 때 더 많은 자유를 제공합니다. 선이 필요 없고 통신 사각지대가 없기 때문에 센서를 옷에 내장하거나 필요한 신체에 부착할 수 있습니다. 이 소재는 신호를 신체에서 멀리 보내 인체 노출을 줄이고 설계자가 규제된 SAR(Specific Absorption Rate) 수치 이하로 유지할 수 있도록 도와줍니다.

3M에서 연구하는 제품은 여러 원소를 결합하여 자연 현상에서 볼 수 없는 전자기 특성을 구현하는 메타 소재입니다. 이 경우 유전율이 높은 재료로 만든 수많은 소형 공진기를 기판 재료에 내장하여 HDR(High Dielectric Resonator) 어레이를 형성합니다. HDR 어레이의 설계 목표는 전력 전달을 극대화하는 공진기를 찾는 것입니다.

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SIMULIA CST Studio Suite의 전자기 시뮬레이션은 이러한 공진기 설계를 위한 강력한 툴입니다.

Unit cell 경계 조건으로 단일 공진기 특성을 빠르게 계산하면 거대한 어레이의 동작 특성을 매우 효율적으로 예측할 수 있기 때문에 필요한 주파수 대역에서 최상의 전송 특성을 도출하는 공진기 형상, 간격 및 물성 속성 등을 찾을 수 있습니다.

초기 공진기 유형을 선택한 후에 원단에 통합하게 됩니다. CST Studio Suite을 사용하면 3D 구조를 상세하게 모델링하고 신체에 맞게 구부려 착용했을 때 어떻게 동작하는지 예측할 수 있습니다.

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3M에서는 CST Studio Suite을 사용해 웨어러블 센서 간의 전송을 크게 개선한 HDR 도파관을 설계할 수 있었습니다.

실제 프로토타입을 측정한 결과는 시뮬레이션 결과와 일치했으며, HDR 도파관을 사용할 때 두 안테나 사이의 결합이 자유 공간에 비해 20dB 개선된 것으로 나타났습니다.

 

자세한 내용은 MODSIM 3DXCONFERENCE 영상을 통해 확인할 수 있습니다.

 

본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

＊원본: 다쏘시스템