최근 중국과학원 선전첨단기술연구소의 쑨룽(Sun Rong) 연구원과 연구진은 경량 은/환원 그래핀 산화물 코팅 탄화 멜라민(CMF/rGO/Ag) 폼 소재를 제조하기 위한 간단한 1단계 열처리 전략을 제안했습니다. 이 탄화 복합 멜라민 폼 소재는 우수한 기계적 특성과 뛰어난 전자파 차폐 효과(EMI SE)를 제공했습니다.
5G 통신과 스마트폰의 등장으로 전자파 간섭 문제가 더욱 심화되었습니다.
심각한 전자파 간섭은 데이터 손실, 시스템 장애를 일으킬 수 있으며 심지어 인간의 건강을 위협할 수도 있습니다.
초저밀도와 우수한 기계적 유연성을 갖춘 고성능 전자파 간섭 차폐 소재를 개발하는 것은 유해한 전자파 오염이나 방사선을 억제하는 효과적인 방법입니다.
기존 금속 소재의 경우, 전도성을 개선하는 것이 고성능 차폐 소재를 얻기 위한 주요 전략으로 항상 사용되어 왔습니다.
또한, 그래핀, 탄소나노튜브, MXene과 같은 새로운 나노소재도 높은 EMI 차폐 성능을 갖는 것으로 보고되었습니다.
나노소재는 제조 공정이 매우 유연하여 EMI 차폐를 위해 폼이나 필름 형태로 가공됩니다. 나노소재의 폼 형태에 비해 밀도가 높은 필름은 더 높은 전도성을 보입니다.
높은 전도성은 입사하는 전자파를 강하게 반사시켜 높은 EMI SE를 직접 생성할 수 있습니다.
예를 들어, 전도성이 높은 금속의 전자파 반사 계수는 일반적으로 90%를 넘습니다. 즉, 입사 전자파의 90%가 자유 공간으로 반사된다는 의미입니다.
반사된 전자파는 심각한 2차 전자파 오염을 유발할 수 있습니다. 따라서 전자파 반사 계수가 낮은 고성능 EMI 차폐 재료를 확보하는 것은 여전히 어려운 과제입니다.
폼 타입 차폐재는 다공성 구조로 이루어져 있습니다. 가볍고, 기계적 압축성이 우수하며, EMI 차폐 성능을 조절할 수 있어 기존의 경질 금속 차폐재를 대체할 수 있는 잠재력이 매우 높습니다.
특히, 다공성 구조는 폼 형태의 차폐재가 입사 전자기파에 대해 뚜렷한 다중 반사를 갖도록 하여, 폼이 전자기파를 흡수하고 감쇠시킬 수 있도록 합니다. 다공성 구조가 MXene의 전자기파 흡수를 향상시키는 것으로 보고되었습니다.
다공성 구조는 고체 재료에 비해 전자파 임피던스 정합 능력이 우수하여 입사 전자파가 차폐 폼 내부 구조로 유입될 수 있습니다. 따라서 반사 계수가 낮고 흡수 계수가 높은 EMI 차폐 재료는 우수한 임피던스 정합(낮은 반사)과 높은 다중 반사를 가져야 합니다. 예를 들어, 높은 EMI 차폐 계수와 흡수 계수를 갖는 적층 구조, 다층 구조, 등방성 구조가 개발되었습니다. 일반적으로 복잡한 구조와 다성분 구조는 다단계 공정을 필요로 하며, 기계적 유연성이 낮습니다.
은도금 폴리이미드 폼은 물리적 분사법으로 제조되었으며, 밀도는 23kg/m³입니다. 은도금 멜라민 폼은 화학 증착법으로 제조되었습니다. 제조된 은도금 멜라민 폼은 3dB의 높은 EMI 차폐율(SE)과 90중량%의 은 함량을 가집니다. 또한, 구리/니켈 코팅 폴리메타크릴이미드 하이브리드 폼과 금 나노입자 코팅 폴리머 기반 나노섬유 전자파 차폐 무전해 도금 방법도 제안합니다.
그러나 강성 금속과 유연 프레임 사이의 본질적인 계면 불일치로 인해, 전기 도금, 무전해 도금, 그리고 물리적 분사 방식으로 제조된 금속 폼 차폐재는 기계적 물성이 좋지 않습니다. 금속 입자와 유연 폼 골격 사이의 결합력을 강화하고 우수한 기계적 물성을 가진 금속 폼 차폐재를 구현하는 것은 여전히 어려운 과제입니다.
본 연구에서 저자는 우수한 기계적 물성과 탁월한 전자파 차폐 효과(EMI SE)를 갖는 경량 은/환원된 그래핀 산화물 코팅 탄화 멜라민(CMF/rGO/Ag) 복합 폼 소재를 제조하기 위한 간단한 단일 단계 열처리 전략을 제안했습니다. 복합 프레임워크와 은 사이의 향상된 계면 덕분에 CMF/rGO/Ag 폼은 1000회의 하중-제하 압축 시험 사이클 후에도 우수한 구조적 안정성을 보였습니다. 또한, 폼의 EMI SE는 50.6 mg cm² g-16의 밀도와 2 vol%의 매우 낮은 Ag 함량에서 1 dB에 도달했습니다.
흥미롭게도, 다공성 프레임워크와 여러 계면의 협력으로 CMF/rGO/Ag 폼의 매우 높은 흡수 계수(0.5 이상)가 형성되었습니다. CMF/rGO/Ag 폼의 높은 흡수 계수 차폐 메커니즘은 유한요소해석(FEA)을 통해 더욱 심도 있게 연구되었습니다. CMF/rGO/Ag 폼의 탁월한 근거리 EMI 차폐 성능은 저밀도, 고강도 CMF/rGO/Ag 폼이 전자 패키징용 EMI 차폐 재료로서 큰 장점과 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있음을 보여줍니다.