[논문]저차원 나노 소재 기반 다기능 전자파 차폐 및 센싱 응용기술

민복기; 이윤식; 탐반누엔; 슈브라몬달; 최춘기

doi:10.22648/etri.2020.j.350402

저차원 나노 소재 기반 다기능 전자파 차폐 및 센싱 응용기술
Mutifunctional EMI Shielding and Sensing Applications based on Low-dimensional Nanomaterials 원문보기

전자통신동향분석 = Electronics and telecommunications trends, v.35 no.4, 2020년, pp.11 - 20

민복기 (신소자연구실) , 이윤식 (신소자연구실) , 탐반누엔 (신소자연구실 UST) , 슈브라몬달 (신소자연구실 UST) , 최춘기 (신소자연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

With the widespread use of high-performance electronics and mobile communications, electromagnetic interference (EMI) shielding has become crucial for protection against malfunctioning of electronic equipment and harmful effects to human health. In addition, smart sensor technologies will be rapidly developed in untact (non-contact) environments and personal healthcare fields. Herein, we introduce our recently developed technologies for flexible multifunctional EMI shielding, and highly sensitive wearable pressure-strain and humidity sensors realized using low-dimensional nanomaterials.

주제어

표/그림 (6)

그림 그림 1 고분자 나노 복합소재 기반.
그림 그림 2 그래핀/멕신 기반의 3차원 다기공성 구조의 전자기파 차폐/흡수 소재.
그림 그림 3 전자기파 차폐/흡수 소재의 발열 특성 평가.
그림 그림 4 복합구조체 기반 저차원 나노 소재 압력-스트레인 센서.
그림 그림 5 3차원 벌집구조체 기반 저차원 나노 소재 습도 센서
그림 그림 6 고감도 습도 센서를 활용한 피부상태 자가진단 뷰티미용 제품 예시

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 ETRI 신소자연구실에서 최근 연구개발을 진행한 고분자 나노 복합소재를 이용한 다기능 전자기파 차폐/흡수 소재 기술과 저차원 나노 복합소재를 이용한 압력-스트레인 센서 및 습도 센서 기술에 대해 소개하고자 한다.
본 장에서는 그래핀, 탄소나노튜브 그리고 우수한 전기전도도를 가지는 신소재인 멕신기반의나노 복합소재를 이용한 전자기파 차폐/흡수, 방열, 발열 소재에 대한 기존의 연구 동향을 살펴보고 최근 ETRI에서 개발한 나노 복합소재 기반 다기능 전자기파 차폐/흡수 소재 기술을 소개하고자 한다.
이를 대응하기 위해 향후 전자기파 차폐 소재는 수~수십 GHz 이상의 고주파수 대역까지 차폐할 수 있는 소재의 개발이 필요할 것으로 예상된다. 전자기파 간섭 차폐[Electromagnetic interference(EMI) shielding] 는전자부품에서 발생되는 전자기파를 반사 또는 흡수하여 전자기기 간의 전자기파 간섭을 차단하는데 목적을 가진다. 이러한 전자기파 차폐 소재는 우수한 전기전도도를 가져야 하고 넓은 표면적을 가지는 것이 유리하다.

제안 방법

ETRI에서는 이러한 요구를 충족하기 위해 광대역의 전자기파를 차폐/흡수하는 소재에 대한 원천 기술을 확보하였다. 3차원 다기공성의 금속 촉매를 이용하여 열화학기상증착법으로 3차원의 그래핀을 합성하고, 보다 효율적인 전자기파 흡수를 위해 자성 물질인 산화철 나노입자를 멕신 소재의 층간에 삽입하고 그래핀 표면에 도포하였다. 그리고 기계적인 유연성을 확보하기 위해서 3차원 다기 공성 구조의 그래핀/산화철/멕신 소재에 실리콘 엘라스토머를 도포하였다.
그림 5는 제작된 벌집 구조의 모식도와 제작샘플, 측정 결과에 해당한다. 3차원 벌집구조를 갖기 위해 아노딕 알루미늄 옥사이드(AAO: Anodic Aluminium Oxide) 멤브레인 표면에 MoS₂ 용액을 진공 여과(V.F: Vacuum Filtration)하여 벌집구조를 갖는 고감도 습도 센서 (AMHS: AAO assisted MoS₂ Humidity Sensor)를 제작하였다. 시간의 변화에 따라 주입된 공기의 상대습도와 상관된 높은 응답 특성을 보이며, 상대습도 20~85% 범위에서 0.
Junwei Gu 그룹은 3차원의 그래핀 플레이트/환원 그래핀 폼을 제작하고 에폭시를 채워 넣어 나노 복합소재를 제작하였다[5]. 그래핀 플레이트를 첨가함으로써 소재의 전기전도도 및 열전도도를 개선시켰다. 3mm 두께를 갖는 복합소재의 전자기파차폐 성능은 약 50dB 정도로 보고되었고, 열전도도는 1.
3차원 다기공성의 금속 촉매를 이용하여 열화학기상증착법으로 3차원의 그래핀을 합성하고, 보다 효율적인 전자기파 흡수를 위해 자성 물질인 산화철 나노입자를 멕신 소재의 층간에 삽입하고 그래핀 표면에 도포하였다. 그리고 기계적인 유연성을 확보하기 위해서 3차원 다기 공성 구조의 그래핀/산화철/멕신 소재에 실리콘 엘라스토머를 도포하였다. 개발된 복합소재(두께 1mm)는 X-band 영역뿐만 아니라 Ka-band 영역 (26~40GHz)에서 80dB 이상의 차폐 성능을 보여준다(그림 2).
먼저, 전자기파 차폐는 차폐 소재에 들어오는 전자기파를 어느 정도 차단해 주는지에 따라 그 성능을 평가한다. 이는 전자기파 차폐 효율(EMI SE: EMI Shielding Effectiveness)로 정의되고, 단위는 데시벨(dB)을 사용한다.
이를 극복하기 위해 Zhong Zhang 그룹은 수분산 폴리우레탄(Waterborne Polyurethane)에 다중 벽 탄소나노튜브를 다량 혼합한 전자기파 차폐/ 흡수 필름에 대한 연구를 보고하였다[11]. 이 연구에서는 폴리우레탄 고분자 체인이 물에 분산되어 있는 수분산 폴리우레탄을 이용하여 탄소나노튜브와의 분산성을 크게 향상시켜 다량의 탄소나노튜브(76.2 wt %)가 함유된 복합필름을 제작하였다. 제작된 복합필름은 2, 100S/m의 우수한 전기전도도를 보여준다.

성능/효과

특히 MoS₂ 나노 플레이크의 구성비를 점진적으로 증가시켰을 때 ~6kPa^-1의높은 민감도를 가지며 4, 000회 이상의 재현성을 확인할 수 있었다. 또한 눈 깜박임과 목 구부림 등을 감지할 수 있는 간단한 패치형태의 센싱 실험이 진행되었으며, 다양한 신체 움직임을 감지할 수 있는 결과를 보여주었다. 이러한 복합구조체의 결과는 기존의 그래핀 폼 기반의 3차원 네트워크 구조보다 우수한 민감도 특성을 보이며 다양한 웨어러블 스마트 기기 및 로봇용 스킨에 활용될 것으로 기대한다.
F: Vacuum Filtration)하여 벌집구조를 갖는 고감도 습도 센서 (AMHS: AAO assisted MoS₂ Humidity Sensor)를 제작하였다. 시간의 변화에 따라 주입된 공기의 상대습도와 상관된 높은 응답 특성을 보이며, 상대습도 20~85% 범위에서 0.5초 이내의 빠른 응답 특성을 가지며 기존 상용 습도 센서보다 660배 높은 민감도를 갖는다.
이 그룹은 멕신의한 종류인 Ti₃C₂T_X 플레이크와 Sodium alginate(SA)를 혼합하여 약 9μm 두께의 매우 얇은 복합 필름을 제작하였고, 50dB 이상의 전자기파 차폐 성능을 보고하였다. 이는 두께 대비 매우 우수한 차폐 성능을 보여주고 있고, 우수한 전자기파 차폐 소재로서의 가능성을 보여 주었다. Zhong-Zhen Yu 그룹은 멕신을 직물에 도포하여 웨어러블 소자에 응용이 가능한 다기능 전자기파 차폐 소재를 개발하였다[15].
2 wt %)가 함유된 복합필름을 제작하였다. 제작된 복합필름은 2, 100S/m의 우수한 전기전도도를 보여준다. 0.
Zhong-Zhen Yu 그룹은 멕신을 직물에 도포하여 웨어러블 소자에 응용이 가능한 다기능 전자기파 차폐 소재를 개발하였다[15]. 직물 기반의 전자기파 차폐 소재는 두께 약 1.3mm에서 90dB의 우수한 전자기파 차폐 성능을 갖는 동시에 줄 발열 특성을 보여주었다. 멕신이코팅된 직물 소재는 1,000S/m의 우수한 전기전도도를 가지고 있기 때문에 발열체로서 우수한 성능을 보임을 입증하였다.
그림 4는 제작된 MoS₂/GPN 샘플의 전자주사현미경 사진과 측정 결과를 나타낸다. 특히 MoS₂ 나노 플레이크의 구성비를 점진적으로 증가시켰을 때 ~6kPa^-1의높은 민감도를 가지며 4, 000회 이상의 재현성을 확인할 수 있었다. 또한 눈 깜박임과 목 구부림 등을 감지할 수 있는 간단한 패치형태의 센싱 실험이 진행되었으며, 다양한 신체 움직임을 감지할 수 있는 결과를 보여주었다.

후속연구

또한, 개발된 복합소재는 3차원 그래핀 네트워크 구조에서 기인한 우수한 전기전도도를 갖기 때문에 발열 특성을 갖는 히터(Heater)로 응용될 수 있다. 그림 3은 복합소재로 제작된 히터의 발열 특성 평가 결과를 보여준다.
개발된 복합소재(두께 1mm)는 X-band 영역뿐만 아니라 Ka-band 영역 (26~40GHz)에서 80dB 이상의 차폐 성능을 보여준다(그림 2). 또한, 다기공성 구조를 가지는 복합소재는 외부 압력에 따른 구조 변형에 의해 저항 변화를 감지할 수 있어 압력 센서로서의 응용 가능성을 확인하였다. 특히, 멕신이 결합된 경우, 비 표면적의 증가로 인해 압력 센서의 민감도가 크게 향상됨을 입증하였다[16].
또한 코로나19 사태로 인해 로봇, 센서 등 비대면 환경과 헬스케어 분야에서 필요한 기술들이 급격하게 발전할 것으로 예상된다. 본 고에 소개된 나노 복합소재 기반 다기능 전자기파 차폐/흡수 및 히터 기술과 고감도 압력-스트레인 센서 및 습도 센서 기술은 전자/의료 기기, 자동차 전장부품, 웨어러블 스마트 기기 및 로봇용 스킨, 헬스케어, 뷰티·미용 보습 기기, 비접촉 전자기기 등의 다양한 산업 분야에 널리 활용될 것으로 전망된다.
이러한 나노 복합소재에 외부 전압을 인가하게 되면 내부에서 전자가 이동하고 이에 따라 줄 발열이 발생한다. 이는 고분자 나노 복합소재 기반 전자기파 차폐 소재를 유연 한발 열 체로 응용할 수 있는 가능성을 보여준다.
이는 전자 및 의료기기, 자동차 전장부품, 웨어러블 스마트 기기 및 로봇용 스킨 등 전자기파 노출 환경에 적합한 다기능 차폐/흡수 및 발열 소재로서 다양하게 응용이 가능할 것으로 기대된다.
또한 눈 깜박임과 목 구부림 등을 감지할 수 있는 간단한 패치형태의 센싱 실험이 진행되었으며, 다양한 신체 움직임을 감지할 수 있는 결과를 보여주었다. 이러한 복합구조체의 결과는 기존의 그래핀 폼 기반의 3차원 네트워크 구조보다 우수한 민감도 특성을 보이며 다양한 웨어러블 스마트 기기 및 로봇용 스킨에 활용될 것으로 기대한다.
이러한 주파수 부족 현상을 해결하기 위해 수~수십 GHz 이상의 고주파수 대역으로 확장하려는 움직임이 있다. 이를 대응하기 위해 향후 전자기파 차폐 소재는 수~수십 GHz 이상의 고주파수 대역까지 차폐할 수 있는 소재의 개발이 필요할 것으로 예상된다. 전자기파 간섭 차폐[Electromagnetic interference(EMI) shielding] 는전자부품에서 발생되는 전자기파를 반사 또는 흡수하여 전자기기 간의 전자기파 간섭을 차단하는데 목적을 가진다.
전자기기의 고성능화와 데이터 통신의 고용량 및 고속도화에 따라 전자기기의 오작동을 최소화하고, 인체 유해성을 방지하기 위해서는 전자기파의 효율적인 차폐/흡수 소재 기술이 계속해서 요구될 것이다. 또한 코로나19 사태로 인해 로봇, 센서 등 비대면 환경과 헬스케어 분야에서 필요한 기술들이 급격하게 발전할 것으로 예상된다.
더욱이 디지털 헬스케어, 뷰티·미용 보습 제품, 터치리스 스크린, 엘리베이터 버튼 등에 활용이 예상된다. 특히 코로나19로 인해 접촉에 의한 감염 우려를 해결하는 대안 기술로서 비접촉 버튼/스위치 등에 적용이 기대된다.

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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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