[논문]콘포멀 스프레이 코팅으로 형성한 EMI 차단막의 차폐효과 개선

허정; 이원희

doi:10.7236/jiibc.2018.18.6.107

콘포멀 스프레이 코팅으로 형성한 EMI 차단막의 차폐효과 개선
Improvement for Shielding Effectiveness of EMI Shield Layers using Conformal Spray Coating Scheme 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.6, 2018년, pp.107 - 112

허정 (건국대학교 전기전자공학부) , 이원희 (서일대학교 정보통신공학과)

초록
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콘포멀 스프레이 코팅으로 형성한 EMI 차단막으로 차폐효과(SE)를 얼마나 개선할 수 있는지 연구하였다. 차단막을 형성하는데 사용한 재료는 도체 분말을 아크릴계 바인더에 혼합한 금속-레진 복합재료이며, 금속분말로는 은(Ag)과 니켈(Ni)을 비교하였다. 재료의 점도는 400 cPs와 100 cPs에서 차폐성능을 비교하였다. 차단막의 두께는, 은의 경우 20 um에서 50 um, 니켈의 경우 60 um에서 120 um로 만들어 비교하였다. 차폐효과의 측정은 동축형 표준 측정기를 이용하여 ASTM D4935 방법으로 수행하였다. 니켈 시료보다 은 시료의 차폐효과가 우수했다. 차폐효과는 차단막 두께와 비례해 증가하지만 35 um 이상에서 더 이상 증가하지 않는다는 사실도 관찰하였다. 가장 차폐효과가 좋은 경우는 35 um 두께 은 시료 차단막으로, 63 dB의 차폐효과가 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Shielding effectiveness (SE) improvement with EMI shield layers fabricated by conformal spray coating system was studied. Silver or Nickel powder filled acrylic resin were sprayed on the samples. We compared the performance with the viscosity of 400 cPs and 100 cPs cases. The thickness range of the coating layer was 20 to 50 um for the silver, 60 to 120 um for the nickel. The shielding effectiveness was measured by ASTM D4935 using coaxial type TEM-cell. The silver-filled resin showed much better performance than that of the nickel-filled resin. The shielding effectiveness increased almost proportional to the thickness of the coating layers until being saturated around 63 dB for the silver-layer or around 34 dB for the nickel-layer. The best performance measured in this study was the shielding effectiveness of 63 dB with $35{\mu}m-thick$ of silver-layer.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. FR4 기판에 콘포멀 스프레이 코팅으로 EMI 차단막을 형성한 시료의 구조 Fig. 1. The structure of the EMI shield layers fabricated by conformal spray coating on FR4 substrate
그림 그림 2. FR4 기준 시료의 시뮬레이션 결과 Fig. 2. Simulation results of FR4 reference sample
그림 그림 3. FR4 기판에 동박이 입혀진 경우의 시뮬레이션 결과 Fig. 3. Simulation result for Copper cladding FR4 substrate sample
그림 그림 4. 그래파이트막이 코팅된 FR4 시료의 시뮬레이션 결과 Fig. 4. Simulation results for graphite coated FR4 substrate
그림 그림 5. 측정 시스템 구성 Fig. 5. Measurement instrument set-up
그림 그림 6. FR4 기판 위에 콘포멀 스프레이 코팅으로 형성한 EMI 차단막; (a)니켈-아크릴 도료, (b)은-아크릴 도료 Fig. 6. EMI shield layers fabricated by conformal spray coating on FR4 substrate; (a) nickel-acrylic, (b) silver-acrylic
그림 그림 7. 점도 400 cPs인 은-아크릴 도료를 50 um로 코팅한 시료의 차단효과(SE) Fig. 7. Shielding effectiveness of 50 um-thick silver-acrylic coated sample with 400 cPs viscosity
그림 그림 8. 점도 100 cPs인 은-아크릴 도료를 50 um 및 35 um 로 코팅한 시료의 차단효과(SE) Fig. 8. Shielding effectiveness of 50 um-thick and 35 um-thick silver-acrylic coated sample with 100 cPs viscosity
그림 그림 9. 니켈-아크릴 도료 EMI 차단막의 두께에 따른 차폐효과(SE) 변화 Fig. 9. Shielding effectiveness for EMI shield layers of the nickel-acrylic material
그림 그림 10. 은-아크릴 도료 EMI 차단막의 두께에 따른 차폐효과(SE) 변화 Fig. 10. Shielding effectiveness for EMI shield layers of the silver-acrylic material
그림 그림 11. 니켈-아크릴 도료와 은-아크릴 도료의 EMI 차폐효과(SE) 비교 Fig. 11. EMI Shielding effectiveness comparison between the nickel-acrylic material and the silver-acrylic material

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 콘포멀 스프레이 코팅으로 형성한 EMI 차단막으로 차폐효과(SE)를 얼마나 개선할 수 있는지 연구한 결과를 보고한다. 차단막을 형성하는 데 사용한 재료는 도체 분말을 아크릴계 바인더에 혼합한 금속-레진 이종복합재료이며, 금속분말로는 은(Ag)과 니켈(Ni)을 비교하였다.
본 연구 결과를 바탕으로 코팅막의 두께를 줄이면서도 차폐효과를 더욱 높이려는 시도를 계속하고 있으며, 이를 통해 수평면이 아닌 수직면 등에도 적용할 수 있는 차폐막을 구현할 수 있는 방법을 찾아내고자 한다.

제안 방법

차폐효과(SE; shielding effectiveness)의 측정은 동축형 표준 측정기를 이용하는 ASTM D4935 방법으로 수행하였다. 또한 Agilent 8722ES Vector Network Analyser를 이용하여 측정 환경을 구성했다.
본 논문에서는 아크릴계 수지에 은(silver) 분말과 니켈(nickel) 분말을 각각 혼합한 두 재료를 준비하여, 이들의 점도를 400 cPs와 100 cPs로 바꾸며 시료를 두 가지씩 제작하였다. 도체 분말의 평균 입도는 2 um 였다.
은 분말과 아크릴 수지를 혼합한 이종 복합도료를 콘포멀 스프레이 코팅하여 EMI 차단막을 만들었고 두께 35 um에서 최대 63 dB까지의 차폐효과(SE)를 구현하였다. 두께가 증가할수록 차폐효과가 증가하지만 35 um을 넘으면 더 이상 증가하지는 않는다는 사실도 확인하였다.
차단막을 형성하는 데 사용한 재료는 도체 분말을 아크릴계 바인더에 혼합한 금속-레진 이종복합재료이며, 금속분말로는 은(Ag)과 니켈(Ni)을 비교하였다. 재료의 점도를 400 cPs와 100 cPs로 바꾸며 도전성 막을 형성하였고 형성된 막의 균질성과 차폐성능을 비교하여 적절한 재료 점도를 추정하였다. 차단막의 두께는, 은의 경우 20 um에서 50 um, 니켈의 경우 60 um 에서 120 um로 만들어 비교하였다.
별도의 FR4 기판두 장에는 은-아크릴 시료를 두 단계의 점도로 바꾸며 스프레이 코팅하여 2장의 차단막 시료를 얻었고, 다른 FR4 기판 2장에는 니켈-아크릴 시료를 점도를 역시 두단계로 바꾸며 스프레이 코팅하여 2장의 차단막 시료를 얻었다. 적정 점도를 확인한 후에는 새로운 FR4 기판 15장을 준비하여, 은의 경우 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60um 두께로, 니켈의 경우 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 um 두께로 코팅막을 만들었다. 교반기는 가능한 수준에서 최대 가동을 하였고, 스프레이 압력도 허용하는 최대 수준으로 적용하였다.
제작된 시료를 측정하기에 앞서 동축형 표준 측정기의 유효성을 검증하고 측정 시료들의 EMI 차폐 효과를 예상하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 Ansys의 HFSS를 이용하였다.
본 논문에서는 콘포멀 스프레이 코팅으로 형성한 EMI 차단막으로 차폐효과(SE)를 얼마나 개선할 수 있는지 연구한 결과를 보고한다. 차단막을 형성하는 데 사용한 재료는 도체 분말을 아크릴계 바인더에 혼합한 금속-레진 이종복합재료이며, 금속분말로는 은(Ag)과 니켈(Ni)을 비교하였다. 재료의 점도를 400 cPs와 100 cPs로 바꾸며 도전성 막을 형성하였고 형성된 막의 균질성과 차폐성능을 비교하여 적절한 재료 점도를 추정하였다.

대상 데이터

교반기는 가능한 수준에서 최대 가동을 하였고, 스프레이 압력도 허용하는 최대 수준으로 적용하였다. FR4 기판은 두께 1 mm, 지름 125 mm인 원형으로, 측정 지그에 고정할 수 있도록 테두리에 8개의 구멍을 뚫은 것이다. 스프레이 코팅은 ㈜TTnS 의 TMCM16A coating machine과 ECO99 curing oven 을 이용하였다.
FR4 기판은 두께 1 mm, 지름 125 mm인 원형으로, 측정 지그에 고정할 수 있도록 테두리에 8개의 구멍을 뚫은 것이다. 스프레이 코팅은 ㈜TTnS 의 TMCM16A coating machine과 ECO99 curing oven 을 이용하였다. 차폐효과(SE; shielding effectiveness)의 측정은 동축형 표준 측정기를 이용하는 ASTM D4935 방법으로 수행하였다.
그림 1은 코팅 시료의 모양을 나타낸 것이다. 차폐효과가 0인 기준을 설정하기 위하여 도체막이 코팅되기 전의 FR4 기판 한 장을 준비했고, FR4에 동박을 씌운 기판으로는 차폐효과 무한대의 기준 시료로 삼았다. 별도의 FR4 기판두 장에는 은-아크릴 시료를 두 단계의 점도로 바꾸며 스프레이 코팅하여 2장의 차단막 시료를 얻었고, 다른 FR4 기판 2장에는 니켈-아크릴 시료를 점도를 역시 두단계로 바꾸며 스프레이 코팅하여 2장의 차단막 시료를 얻었다.

이론/모형

제작된 시료를 측정하기에 앞서 동축형 표준 측정기의 유효성을 검증하고 측정 시료들의 EMI 차폐 효과를 예상하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 Ansys의 HFSS를 이용하였다. 그림 2는 차폐 효과 0인 기준을 설정하기 위해 준비한 도체막 코팅 전의 FR4 기판에 대한 시뮬레이션 결과이다.
스프레이 코팅은 ㈜TTnS 의 TMCM16A coating machine과 ECO99 curing oven 을 이용하였다. 차폐효과(SE; shielding effectiveness)의 측정은 동축형 표준 측정기를 이용하는 ASTM D4935 방법으로 수행하였다. 또한 Agilent 8722ES Vector Network Analyser를 이용하여 측정 환경을 구성했다.

성능/효과

점도 400 cPs인 그림 7에서 1 GHz 이하 주파수 특성은 신뢰할 수 없는 수준이어서 삭제한 것이다. 1 GHz에서 6 GHz까지의 주파수 대역에서 차폐효과(SE)는, 점도 400 cPs인 시료가 40 dB에서 55 dB 사이이고, 점도 100 cPs인 시료는 50 dB에서 65 dB 사이로, 점도 100 cPs인 시료가 전 측정 주파수 대역에서 10 - 15 dB 이상 높은 성능을 보이고 있다. 그림 8에는 두께 50 um 코팅막의 특성에 35 um 코팅막의 특성을 같이 그려 두께에 따라 달라지는 차단효과의 차이 비교도 하였다.
그림 11은 은-아크릴 도료와 니켈-아크릴 도료의 두께에 따라 달라지는 차폐성능을 동일한 그래프에서 비교한 것이다. 동일한 두께이지만 재료가 다른 60 um의 경우 31 dB 만큼의 차폐효과(SE) 차이가 나는 것을 볼 수있고, 전반적으로 은-아크릴 도료가 니켈-아크릴 도료에 비해 절반 이하의 얇은 차단막으로도 30 dB 즉, 1000배 정도 우수한 차폐 성능을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
은 분말과 아크릴 수지를 혼합한 이종 복합도료를 콘포멀 스프레이 코팅하여 EMI 차단막을 만들었고 두께 35 um에서 최대 63 dB까지의 차폐효과(SE)를 구현하였다. 두께가 증가할수록 차폐효과가 증가하지만 35 um을 넘으면 더 이상 증가하지는 않는다는 사실도 확인하였다. 니켈 분말과 아크릴 수지를 혼합한 이종 복합도료로도 EMI 차단막을 만들어 비교하였는데, 은-아크릴 재료에 비해 차폐효과(SE)가 30 dB 이상 열등하게 나타났다.
그림 10은 점도를 100 cPs으로 고정하고, 은-아크릴 도료를 두께를 증가시키며 스프레잉한 시료의 차폐효과 (SE) 측정치 평균값이다. 두께는 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60 um까지 8 종류로 제작하였는데, 20 um일 때 55 dB, 25 um일 때 59 dB, 30 um일 때 62 dB, 35 um일 때 63 dB로 증가하다가 35 um 이상에서는 63 dB로 포화되는 것을 볼 수 있다. 즉, 은 시료의 경우 35 um의 두께일 때 63 dB로 최고 성능을 갖는다.
그림 9는 점도를 100 cPs으로 고정하고, 니켈-아크릴 도료의 두께를 증가시키며 스프레잉한 시료의 차폐효과 (SE) 측정치 평균값이다. 두께는 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 um까지 7 종류로 제작하였는데, 60 um일 때 32 dB, 70 um일 때 33 dB, 80 um일 때 33.7 dB, 90 um일 때 34 dB로 증가하다가 90 um 이상에서는 34 dB로 포화되는 것을 볼 수 있다. 즉, 니켈 시료의 경우 90 um의 두께일때 34 dB로 최고 성능을 갖는다.
그림 8에는 두께 50 um 코팅막의 특성에 35 um 코팅막의 특성을 같이 그려 두께에 따라 달라지는 차단효과의 차이 비교도 하였다. 또한 점도 400 cPs이면서 두께가 50 um인 코팅 막에 비해 두께가 훨씬 얇은 35 um인 코팅막이라도 점도가 100 cPs인 경우라면 차단특성(SE)이 10 dB 정도 우수 함을 알 수 있다. 이로서 도료의 점도는 400 cPs일 때보다 100 cPs일 때 더욱 균질하고 차단효과(SE) 특성이 우수한 코팅막을 얻을 수 있다는 것을 확인한 것이다.
07×10 6 S/m이다. 이러한 시뮬레이션의 결과로써, 동축형 표준 측정기를 가지고 측정한 SE 성능이 높은 신뢰도를 갖는다고 판단할 수 있다.
또한 점도 400 cPs이면서 두께가 50 um인 코팅 막에 비해 두께가 훨씬 얇은 35 um인 코팅막이라도 점도가 100 cPs인 경우라면 차단특성(SE)이 10 dB 정도 우수 함을 알 수 있다. 이로서 도료의 점도는 400 cPs일 때보다 100 cPs일 때 더욱 균질하고 차단효과(SE) 특성이 우수한 코팅막을 얻을 수 있다는 것을 확인한 것이다.
니켈 분말과 아크릴 수지를 혼합한 이종 복합도료로도 EMI 차단막을 만들어 비교하였는데, 은-아크릴 재료에 비해 차폐효과(SE)가 30 dB 이상 열등하게 나타났다. 재료의 점도를 400 cPs보다 100 cPs일 때 우수한 특성을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스퍼터링으로 형성된 목표물이 3자원적 입체 구조일 경우 나타나는 문제점은?	그러나 증착의 목표물이 3차원적 입체 구조일 경우에는 문제가 생긴다. 수평면에 증착되는 도체막에 비해 수직면에 증착되는 도체막이 현저하게 얇아 차폐효과를 크게 떨어뜨린다. 이런 문제를 기술적으로 극복한다 하더라도 또 하나의 더욱 큰 문제는 공정비용이 대단히 비싸고 긴 시간이 소요되어 대량생산에 부적합하다는 점이다.
	스프레잉이란?	스프레잉(spraying)은 도전성 액체를 스프레이 방식으로 목표물의 표면에 뿌려 입힌 다음 경화시켜 EMI 차단막을 만드는 것이다. 도전성 액체는 도체 분말(conductive powders)을 액상의 수지(resin)에 섞은 이종 복합재료(heterogeneous compound)이다.
	스프레잉 방식의 장점은 무엇인가?	도체로는 구리, 은, 니켈 또는 그래파이트 등이, 수지로는 에폭시, 아크릴, 우레탄, 러버(rubber) 등이 쓰인다. 스프레잉 방식은 공정에 소요되는 시간이 아주 짧아 대량 생산에 적합하며 공정 단가가 대단히 저렴하다. 그러나 비중 차이가 현격한 이종복합재료를 단순한 레진처럼 스프레이하여 균질한 도체막을 형성하는 것은 달성이 쉽지 않은 과제이기 때문에 아직 실용화되지 않고 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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