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오작동 없는 스마트한 세상-고기능성 전자파차폐 소재개발 연구
  • 작성자홍보실
  • 작성일시2021/04/29 14:18
  • 조회수536

광물자원연구본부 자원활용연구센터 최지혁 박사 연구팀은 광물자원이나 폐자원으로부터 제조할 수 있는 기능성 나노 소재를 제조하고 응용함으로써 자원의 산업원료 소재화 기술 개발과 자원 활용을 통한 고부가가치 신소재 제조를 위한 연구를 수행하고 있다. 오늘날 전기차, 자율주행차, 커넥티드카의 수요가 증가하면서 자동차 내 전장부품의 다량 탑재가 요구되고 있다. 그러나 이에 따른 유해전자파의 발생과 전자파간섭(EMI, electromagnetic interference)에 의해 전장부품 간 오작동을 최소화하기 위해 고기능성 전자파 차폐소재 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 연구팀은 나노소재기반 전자잉크(electronic ink)를 이용하여 전자파차폐박막을 제조하고 평가하는 연구를 진행하고 있다.

 

 

 


오작동 없는 스마트한 세상
고기능성 전자파차폐 소재개발 연구

writer. 최지혁 책임연구원(자원활용연구센터)

 

 

 

 

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전자파의 두 얼굴


전자파(electromagnetic wave)는 전기와 자기로 이루어진 파로 자연 햇빛에서부터 흔히 사용되는 휴대폰, TV, 네비게이션, 그리고 병원에서 쓰는 X-ray까지 다양한 전자기기에 사용되며 동시에 외부로 발생되고 있다. 전자파는 전기의 흐름이 있는 곳이면 어디나 존재하기 때문에 전기를 사용하는 모든 전자기기에는 필연적으로 발생한다. 다시 말해 우리 생활의 거의 모든 공간에 전자파가 존재하며, 우리는 생활 속에서 전자파를 이용하고 동시에 흡수하며 살고 있다.


전자파는 눈에 보이는 게 아니라서 실제로 우리가 사는 공간에서 얼마나 나오고 있는지, 얼마나 해로운지에 대한 전자기기 사용자들의 우려가 커지고 있다. 그뿐만 아니라 TV 옆에서 헤어드라이기나 진공청소기를 사용하면 TV의 화상이 떨리는 것처럼 외부로부터 전해진 전자파가 주위의 다른 전자기기에 이상을 미쳐 오작동을 일으키는 것도 큰 문제이다.


애플에서도 i–phone 7부터 전자파 차폐 기술을 적용한다는 기사를 본 적이 있을 것이다. 특히, 오늘날 포터블(portable, 휴대가능한) 기기를 넘어 피부에 부착 가능한 웨어러블 전자기기의 발전과 전기차, 자율주행차와 같은 최첨단 기술제품에 대한 수요가 증가하면서 고기능성 전자파차폐(EMI, electromagnetic interference) 소재개발에 관한 관심이 더욱 높아지고 있다. 이렇게 유해전자파의 발생과 전장부품 간 전자파 간섭을 최소화한다면, 전자기기 내 회로기판의 구성을 오밀조밀하게 구성할 수 있고 칩 사이의 간격을 줄여 고성능의 제품을 생산할 수 있다.

 

 

 

 

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저온, 용액 공정을 이용한 나노입자 전자파 차폐막 개발


전자파 차폐 물질은 전기가 잘 흐르고 높은 표면적을 갖는 것이 유리하며, 일반적으로 전도성이 뛰어난 금속계, 탄소계, 전도성 고분자계 소재가 이용되고 있다. 간단한 예로, 휴대폰을 알루미늄 호일로 감싸면 송신과 수신이 되지 않는다. 이는 알루미늄 호일 표면의 높은 전도성이 휴대폰과 기지국간 전자파를 반사시켜 차단했기 때문이다. 하지만 앞에서 언급했듯이 전자제품의 소형화가 지속되면서 전자파 차폐제를 완성제품에 감싸는 것이 아니라 제품 내 부품소자 단위에서 이를 처리할 필요성이 대두되고있다. 이를 위해서는 낮은 비용과 온도에서 원하는 형태로 코팅이 가능한 전도성 높은 소재가 필요하다.


이러한 기술적 요구에 최근 금속계 나노입자를 이용한 차폐소재는 높은 안정성과 우수한 전기전도도 특성으로 주목받고 있다. 연구팀에서는 다양한 나노입자 전자잉크를 이용하여 용액공정(solution process)을 통한 전자파 차폐 기능이 있는 박막개발 연구를 하고 있다. 여기서 용액공정이란, 사용 재료를 용매에 분산하여 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 방법 등으로 기판 위에 증착하는 방식이다. 이는 전통적인 방법인 진공 증착법에 비해 빠르고 상온, 상압에서 가능하므로 공정비용과 효율을 낮출 수 있다.

 

먼저 합성된 은(Ag) 나노입자 표면에는 리간드(Ligand)라고 하는 원자나 분자가 결합되어 있다. 이것을 리간드 치환(ligand exchange)법을 통해 초기의 긴 유기 리간드에서 짧은 무기 리간드로 치환시켜 입자 사이의 거리를 좁혀준다. 또한, 입자가 가까워지면서 입자들이 상온에서도 하나의 덩어리로 되는 현상을 보이게 되며, 결과적으로 입자 사이의 전기의 흐름을 비약적으로 향상시킬 수 있다.


이렇게 제조된 은 나노입자 박막은 ~1um의 얇은 두께로 최대 약 60dB(99.9999%의 차단 효과)의 우수한 차폐 효율을 보인다. 또한 제조된 은 나노입자 박막은 높은 수준의 유연성과 전기 전도성을 보이기 때문에 터치 패널, LCD, OLED 등에 전자 소자로서 이용되어 폴더블 및 웨어러블 디스플레이에 적용될 수 있다.

 

 

 

3

 

 

 

경량화 시대를 위한 탄소 차폐막


경량화는 에너지 효율을 높이기 위한 대표적인 방안이다. 특히, 이산화탄소 배출량이 상당히 높은 항공기나 자동차와 같은 산업계에서는 차체의 무게를 줄여 소비 에너지를 줄임으로써 배출가스를 감축하고자 하는 많은 노력이 이어지고 있다.

 

전기차의 핵심 부품인 배터리의 무게 때문에 내연기관차보다 약 20~30% 더 무겁다. 따라서 전기차의 주행거리를 늘리고 연비를개선하기 위해 배터리 외에도 내, 외장재 경량화를 통해 차량의 무게를 줄이는데 주력하고 있다. 그러나 항공기 및 자동차와 같은 운송수단은 안정성 확보가 무엇보다 중요하며, 오랜 시간 거쳐 이미 검증이 완료된 금속을 대체하는 소재를 찾기란 쉽지 않다.

 

즉, 가벼우면서 높은 강도와 경도 및 연성을 지니고, 필요에 따라서는 전기전도성 및 내습성의 기능도 함께 있어야 한다. 탄소소재는 금속소재와 비교해 녹이 잘 슬지 않고 경화, 균열, 변형 등에도 강하다. 제조비용과 생산효율도 탁월해 차세대에 사용할 혁신소재로 꼽힌다. 본 연구팀은 다양한 형태의 탄소소재를 이용하여 가볍고 우수한 성능을 갖는 에너지소재와 전자파차폐소재를 제조하고 있다.

 

 

 

4

 

 

 

 

그래핀을 반죽하다


산화그래핀(graphene oxide, GO)은 부드럽고 주형이 가능한 반죽(dough)으로 제조해 다양한 형태의 모양을 만들고 3차원 구조로 변형할 수 있다. 따라서 이를 이용해 그래핀 제조산업에서 당면한 여러 가지 문제를 해결할 수 있다. 현재 GO는 건조 고체 또는 분말 형태로 보관하여 연소가 쉽다. 또한, 수백배 희석하여 묽은 분산액으로 보관해야 하기 때문에 산업적으로 보관과 이동에 큰 어려움이 있다. 하지만 동일한 양의 액체GO를 반죽형태로 만들면 보관과 이동이 훨씬 편리하다.


최지혁 박사 연구팀은 고농도의 GO에 단순히 유기용매를 첨가하여 GO를 반죽형태로 만들 수 있다. 이렇게 성형된 반죽은 빵(bread)을 굽는 것처럼 열처리 과정을 통해 전기전도성이 있고 화학적으로 안정하며 기계적으로 단단한 고밀도 고체로 변환될 수 있다.

 

이렇게 만들어진 그래핀 빵은 반죽 과정에서 크기와 형태를 다양하게 만들 수가 있으며 자른 재료를 첨가해 기능성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 전기전도도를 향상시키기 위해 전도성 나노소재를 분말상태로 섞어 손쉽게 전도성이 향상된 GO 반죽을 만들 수 있다. GO 반죽으로부터 제조된 다양한 형태의 전자파 차폐소재는 높은 경량화(0.3~4g/㎤)를 보이고 약 99.999%(50dB) 이상의 우수한 전자파 차폐성능을 보였다. 또한, 이에 그치지 않고, 고분자, 금속분말을 섞어 더 높은 수준의 전자파 차폐성능을 위한 연구를 진행 중이다.

 

 

키워드 전자파, 나노소재, 산업원료, 신소재, 전자파차폐, 경량화, 그래핀, 지질자원사람, 한국지질자원연구원, KIGAM