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KIST 한국과학기술연구원 Korea Institute of Science and Technology

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금속 없는 고분자 복합체로 전자파 막는다 보기
제목 금속 없는 고분자 복합체로 전자파 막는다
연구팀 물질구조제어연구단 구종민 박사팀 조회수 17495
파일첨부 20160907 [KIST 보도자료] 금속없는 고분자 복합체로 전자파 막는다-물질구조제어연구단 구종민 박사.hwp  
금속 없는 고분자 복합체로 전자파 막는다


- 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


<그림자료>
Ti3C2Tx 및 Ti3C2Tx-SA 고분자 복합체 필름 제조 모식도

<그림 1> Ti3C2Tx 및 Ti3C2Tx-SA 고분자 복합체 필름 제조 모식도 
Ti3C2Tx MXene 표면에 다양한 관능기가 존재하여 고분자 (SA)와의 친화도가 우수하여 고분자복합체 제조 및 필름 성형이 용이하다.

Ti3C2Tx 및 Ti3C2Tx-SA 고분자 복합체 형상 및 특성

<그림 2> Ti3C2Tx 및 Ti3C2Tx-SA 고분자 복합체 형상 및 특성
2D 나노 판상구조의 Ti3C2Tx MXene 및 이를 이용한 MXene 고분자 복합체 이미지와 두께에 따른 전자파 차폐 특성을 보인다. Ti3C2Tx는 1나노미터(nm) 두께에 수 마이크로미터 (μm) 길이를 가지는 2D 판상구조이며 고분자 복합체 제조시 여러 층이 적층된 구조를 보이고 고분자 내에 잘 분산 된다. 또한 두께에 따라 전자파차폐성능이 증가하며 2.5마이크로미터 두께에서 58 dB, 45마이크로미터 두께에서 92dB 의 높은 전자파차폐특성을 보인다.

Ti3C2Tx-SA 전자파차폐 특성 비교 및 메커니즘

<그림 3> Ti3C2Tx-SA 전자파차폐 특성 비교 및 메커니즘
기존 전자파차폐재료와 비교했을 때 MXene 고분자 복합체는 기존 고분자복합체 재료에 비해 매우 우수한 전자파 성능을 보이며 그 특성은 금속필름의 특성에 가까운 우수한 특성이다. 이러한 우수한 전자파차폐특성은 2D 나노 판상구조인 MXene이 우수한 전기전도도를 가지고 있을 뿐만 아니라, 필름 내에서 MXene들이 다층 적층 구조로 존재하여 필름 내에서 강한 내부다중반사(internal multiple reflection) 효과가 발생하기 때문이다. 




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