전자파 STOP!! 전자파 차단 신소재 개발!

 

‘전자파’의 원래 이름은 전자기파(Electromagnetic waves)로 전기 및 자기의 흐름에서 발생하는 전자기 에너지입니다. 즉 전기가 흐를 때 그 주위에 전기장과 자기장이 동시에 발생하는데 이들이 주기적으로 바뀌면서 생기는 파동을 전자파라고 하는 것입니다. 전기장과 자기장은 서로 성질은 다르지만, 전기가 흐르는 곳 어디에서나 발생하기 때문에 전기를 사용하는 모든 기기에는 필연적으로 전자파가 발생하게 됩니다.

 

최근 애플에서 i-phone 7 핵심 칩에 전자파 차폐 기술을 적용하겠다고 발표한 기사를 접해보신 적 있으신가요? 그만큼 전자기기 소비자들은 전자파에 대한 우려가 높습니다. 이러한 소비자들의 우려 뿐만 아니라 전자파를 차폐하는 것은 전자제품 생산자에게도 장점이 있습니다. 전자파 차폐 기술을 적용하면 칩 간 전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)으로 인한 예상치 않은 이상 동작을 방지할 수 있습니다. 전자파 간섭이 줄어들면 회로 기판도 더욱 오밀조밀하게 구성할 수 있고 칩 사이의 거리를 좁히면 남는 면적을 배터리에 할애해서 사용시간을 더 늘릴 수도 있습니다. 결과적으론 EMI 차폐 작업을 위한 추가 비용이 들어가지만 완성품 관점에선 여러 가지 이득이 많은 셈입니다.

 

전자파 간섭을 막는 것은 그릇에 물을 넣은 뒤 마구 흔들었을 때 물이 전혀 새지 않도록 하는 것과 비슷합니다. 우선 전자파를 차폐하고자 하는 물체의 바깥쪽을 모두 전도성 소재 (알루미늄박, 철판 등)로 감쌉니다. 그 결과 물체 내에서 발생하거나 외부의 다른 기기에서 전달되는 전자파는 물체 표면의 전도성 소재와 부딪치며 반사되게 됩니다. 이때 전자파의 차폐율은 차폐하고자 하는 물체의 재질 및 두께, 전자파 에너지의 강도에 따라 변하게 됩니다. 보통 전기전도도가 높은 소재일수록 높은 전자파 차폐 성능을 보입니다.

[그림1] 출처: http://eoasis.tistory.com/46

앞서 언급했듯이 기존의 전자파차폐 방식은 금속성 재료들을 사용해서 진행되었지만, 최근에는 금속성 재료의 사용에 문제점을 제기하기도 합니다. 이를테면 핸드폰 등의 전자기기를 살펴보면 수많은 소자로 구성되어 있는데 각각의 소자에 전류가 흐르게 되면 자기 성분 또는 전자파 성분들이 발생하고 이러한 소자들이 서로 영향을 미치게 되는 식입니다. 이러한 간섭을 막기 위해서 사용하는 일반적인 방식은 전자기기를 촘촘하게 만들어두고 문제가 되는 부분을 테이프 붙이듯이 둘러싸는 방식입니다. 하지만 전자제품들의 소형화 경량화가 지속되면서 전체를 조립해놓고 전자파를 차단하는 것이 아니라 소자 단위에서 이를 처리할 필요성이 대두되고 있습니다. 또한, 전기자동차의 경우는 고전압, 고전류가 흐르기 때문에 전자파 발생 양 또한 많은데 이를 원하는 형태 안에서 전자파차폐를 해야하는 경우가 필요하기도 합니다.

 

이러한 선제적인 전자파 차폐나 크기가 매우 작아 기존의 방식으로 처리하기 힘든 소자의 경우, 쉽게 작은 단위에서도 코팅할 수 있는 소재가 필요하게 되는 것이지요. 이러한 문제의식에서 출발한 것이 바로 MXene연구입니다.

 

MXene은 MAX라고 불리는 층상구조로부터 출발합니다. MAX는 M층, A층, X층으로 이루어진 구조를 갖는데 M은 앞전이금속(early transition metal,  [그림2]의 빨간색으로 표시된 원소), A는 A족 원소 ([그림2]의 파란색으로 표시된 원소), X는 탄소 혹은 질소로 이루어진 물질로서 Mn+1AXn(n=1,2, or 3)의 구성을 갖습니다. MAX구조는 세라믹 연구 분야에서 약 10~15년 전부터 많은 연구가 진행되고 있습니다. 일반적으로 대부분의 세라믹 물질은 깨지기 쉽습니다. 반면 MAX는 연성성질을 가지므로 이러한 측면에서 많은 연구가 진행되었습니다. MAX는 원소의 수에 따라 가능한 조합이 매우 많으며 요즘에는 transition metal을 한 종류가 아닌 두 종류를 사용하는 bi-transition metal 구조에 대한 연구도 진행되고 있어서, 이론적으로 가능한 조합이 수천, 수백 개가 존재합니다. 현재까지 연구된 것은 약 10종류에 불과하므로 발전 가능성이 무궁무진한 연구 분야라고 할 수 있습니다.

[그림2]Barsoum, M.W. Progress in Solid State Chemistry 28 (2000) 201 – 281

여기서 A 층을 etching 시키게 되면 간단하게 MAX에서 A 층이 제거된 MXene이라는 구조를 얻을 수 있게 됩니다.


[그림3]출처 : ACS Nano, 2012, 6 (2), pp 1322–1331

[그림4]출처: Michael Naguib, et al. Advanced Materials 23 (2011) 4248-4253

 

접미어 ‘ene’이 붙은 이유는 그래핀(graphene)이라는 물질과의 구조적 유사성 때문입니다. 그래핀은 탄소로 이루어져 있는 단층 형태의 물질로서 연필심의 구성물질인 흑연(graphite)에서 한 층만 떼어내면 그래핀이 되는 것입니다. 형상을 두고 보더라도 그래핀과 가깝고 성질 역시 이와 비슷합니다.

[그림5]출처 : http://phelafel.technion.ac.il/~tzipora/graphene.html

앞서 언급했듯이 전자파 차폐 효율은 전기전도도가 높을수록 높은 값을 갖게 되는데요, MXene의 일종인 Ti3C2Tx의 전기전도도는 약 5000 S/cm입니다. 사이즈 조절을 하게되면 약 6000-7000 S/cm까지도 향상됩니다. 수치는, 결함(defect) 없는 그래핀의 단위 시트당 전기전도도가 4000-5000 S/cm이므로 상당히 높은 수치입니다. 그래핀 시트가 적층되어 있는 구조인 흑연은 일반적으로 전기전도도가 약 1000 S/cm 정도인데 이러한 차이는 전자가 단위 sheet 안에서 움직이는 것보다 층간의 계면을 뛰어넘을 때 더 많은 저항이 발생하기 때문입니다. 또한 그래핀은 결함이 없을 때에만 위와 같은 수치를 가지는데 MAX는 층간의 계면을 다 포함한 상태에서도 6000-7000 S/cm 정도의 전도도를 보이므로 차폐 기능이 아주 우수한 소재임을 알 수 있으며 [그림6]에서 보이듯이 그 특성이 금속(metal)에 가깝게 나타납니다. 또한, 차폐특성은 소재의 두께와 비례하는데 MXene은 10μm의 두께에서 70dB 정도 특성을 보입니다. 이러한 특성은 [그림6]에서 확인할 수 있듯이 거의 순수 금속필름에 가깝습니다.

[그림6]출처 : Faisal Shahzad, et al. Science, 2016, 353, 1137-1140.

유연하고 공정도 편리하며 소자에 적용하기에도 적합한 전자파차폐소재라고 볼 수 있겠죠? 어떠신가요. 앞으로도 이 MXene이라는 재료의 활약이 기대되지 않나요?


※ 본 기사는 물질구조제어센터 구종민 박사님 팀의 최신 논문 (Science, 2016, 353, 1137-1140.)과 박사님의 인터뷰를 토대로 작성되었습니다. 바쁘신 일정 속에서도 흔쾌히 인터뷰에 응해주신 구종민 박사님께 감사의 말씀을 전해드립니다.

 

Posted by KIST PR

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- 그래핀보다 훨씬 우수한 2D 新나노소재(전이금속 카바이트) 응용기술 개발

- 다층적층구조에 의한 강한 내부다중반사 효과 규명하여 우수한 전자파 차폐 입증




 

전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)은 전자, 통신, 운송, 항공, 군사 장비들에서 발생하는 전자기파 간에 의한 간섭 현상으로, 이 현상은 장치들의 오작동 원인이 될 뿐만 아니라 인간에게 유해한 영향을 줄 수 있다. 특히, 최근 전자 장치들이 소형화, 고집적화 및 고기능화 되면서 장치간의 전자파간섭 현상에 의한 오작동 문제가 더욱 심각해지고 있다. 최근 국내 연구진이 이러한 전자파 간섭을 막는 금속을 사용하지 않은 전자파 차폐 소재(EMI Shielding Materials)개발에 성공했다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구단 구종민 박사팀은 미국 Drexel 대학교 Yury Gogotsi 교수팀과 공동연구로 ‘MXene’이라 불리는 2D 新나노재료, 전이금속 카바이트(Transition Metal Carbide)를 이용하여 전기전도성이 우수하면서도 가볍고, 저가이며, 가공성 또한 우수한 전자파 차폐 소재를 개발했다. 


전자파 차폐 소재는 전자파간섭 현상을 차단하는 소재로서, 전기전도성이 높은 소재일수록 전자파차폐 효율이 우수한 특성을 가진다. 기존에는 은, 구리와 같은 금속 소재들이 주로 사용되었지만 밀도가 높고, 제조비용이 비싸며,  무겁고 부식이 되기 쉬웠으며, 가공이 어려운 단점을 가지고 있어 차세대 모바일 전자/통신 장치들에 사용에 한계가 있었다. 


구종민 박사팀은 기존 소재들의 문제점들을 극복하기 위해, 2D 나노재료인 전이금속 카바이트(Transition Metal carbide (MXene))를 포함하는 고분자 복합체를 이용하여 마치 흑연의 구조와 유사한 다층적층 구조의 전자파 차폐가 우수한 소재를 개발했다. 


전이금속 카바이트(MXene) 소재는 티탄늄(Ti )과 같은 중금속 원자와 탄소 (C)원자의 이중 원소로 이루어진 나노물질로서 형상적으로는 1nm(나노) 두께 와 수 μm(마이크로미터) 길이를 가지는 이차원적인 판상구조를 가지는 2D 나노 재료이다. 


기존 나노재료들에 비해 제조 공정이 간편하고 저비용으로 생산 가능할 뿐만 아니라 표면에 다수의 친수기(물과 친화성이 강한 원자단)를 포함하고 있어, 용매에 분산이 용이하고 고분자 복합체 제조가 용이하다. 또한 우수한 전기전도성을 가지고 있어 전기전도성이 요구되는 다양한 필름, 코팅 제품 응용에 유리한 특성을 가진다.


전이금속 카바이트 고분자 복합체는 기존 고분자 복합체에 비해 매우 얇은 두께에서도 우수한 전자파차폐 특성을 보인다. 이는 우수한 전기전도도(5000S/cm)를 가지고 있을 뿐만 아니라, 45μm(마이크로) 두께의 얇은 필름 상에서 92dB라는 기존의 금속필름과도 비견될만한 우수한 결과(*그림 3 참조)를 나타냈다. 이는 필름 내에서 MXene들이 다층 적층 구조로 되어있어 필름 내에서 강한 내부다중반사(Internal Multiple Reflection) 효과를 발생시켜 전자파를 흡수하기 때문이다. 



연구진은 이번에 개발된 고분자 복합체는 스핀코팅, 스프레이코팅, 롤가공 등의 다양한 필름가공과 코팅성형이 가능하여 향후 전자파차폐재 상용화 연구에도 매우 유리한 장점이 있을 것으로 전망했다.   


KIST 구종민 박사는 “본 연구의 전이금속 카바이트(MXene) 고분자 복합체는 기존 소재에서 구현하기 힘들었던 우수한 전기전도성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 용이한 가공성, 저비중, 저비용, 고유연 특성들을 가지고 있어 전자파차폐소재 뿐만 아니라 다양한 전자소재분야에도 응용이 기대되는 소재이다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 MXene 고분자 복합체를 이용한 전자파차폐소재 상용화 후속연구에 박차를 가하고 있다. 


본 연구는 대표적인 융합연구의 형태로 이루어졌으며, 미국 Drexel University, Yury Gogotsi 교수팀과 공동으로 수행되었다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부(장관 최양희) 미래원천기술개발사업, 산업소재원천기술개발사업, 해양경비안전사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 세계적인 우수 과학 저널인 ‘Science’에 9월 9일자(한국시간) 온라인 판에 게재되었다.


* (논문명) Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes)

      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Faisal Shahzad

      - (교신저자) 한국과학기술연구원 구종민 박사, Drexel University Yury Gogotsi 교수

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