[논문]유연한 투명 전자기 간섭 차폐 필름의 기술개발 동향

임현수; 오정민; 김종웅

doi:10.6117/kmeps.2021.28.1.021

유연한 투명 전자기 간섭 차폐 필름의 기술개발 동향
Technical Trends of Flexible, Transparent Electromagnetic Interference Shielding Film 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.28 no.1, 2021년, pp.21 - 29

임현수 (전북대학교 신소재공학부) , 오정민 (전북대학교 신소재공학부) , 김종웅 (전북대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, semiconductor chips and electronic components are increasingly being used in IT devices such as wearable watches, autonomous vehicles, and smart phones. As a result, there is a growing concern about device malfunctions that may occur due to electromagnetic interference being entangled with each other. In particular, electromagnetic wave emissions from wearable or flexible smart devices have detrimental effects on human health. Therefore, flexible and transparent electromagnetic interference (EMI) shielding materials and films with high optical transmittance and outstanding shielding effectiveness have been gaining more attention. The EMI shielding films for flexible and transparent electronic devices must exhibit high shielding effectiveness, high optical transmittance, high flexibility, ultrathin and excellent durability. Meanwhile, in order to prepare this EMI shielding films, many materials have been developed, and results regarding excellent EMI shielding performance of a new materials such as carbon nano tube (CNT), graphene, Ag nano wire and MXene have recently been reported. Thus, in this paper, we review the latest research results to EMI shielding films for flexible and transparent device using the new materials.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. (a) Graph of the EMI SE for Ni-Pd CNT NP layers of thicknesses 10, 30, 50, and 100 nm. (b) Graph of EMI SE (dB) converted to percentage. (c,d) Variations in the EMI reflection and absorption with thickness of the layer.³⁰⁾
그림 Fig. 2. (a) Optical microscopy image of a TiO₂ cracked film. (b) SEM image of Ni mesh. (the inset figure shows high magnification of Ni wires, and the scale bar is 5 ㎛). (c) Dependences of sheet resistance and visible transmittance on thickness of the Ni mesh. (d) Picture of a 20 nm-thick Ni mesh film in a large scale.³¹⁾
그림 Fig. 3. (a) Dependences of sheet resistance and transmittance of hybrid mesh in the thickness of the Ni mesh used to grow graphene. (b) EMI SE (dB) spectra of the hybrid mesh and Ni mesh, difference between the aforementioned two, and graphene mesh (Ni etched away by FeCl₃/HCl (1M/1M) solution). (c) EMI SE (%) at 3 GHz of the hybrid mesh samples versus Ni mesh thickness.³¹⁾
그림 Fig. 4. (a) Electromagnetic interference (EMI) shielding effec-tiveness (SE) of poly (vinyl alcohol)/polypyrrole/graphene quantum dots (PVA/WPPy/GQDs) nanocomposites in X-band frequency region (8-12 GHz); (a) pure PVA, (b) PVA/WPPy blend, (c) 2 wt% GQDs, (d) 4 wt% GQDs, (e) 6 wt% GQDs, (f) 8 wt% GQDs, and (g) 10 wt% GQDs.³⁵⁾
그림 Fig. 5. (a) Reflection loss, (b) absorption loss, (c) total EMI shielding effectiveness (SE) of AgNW EMI films, and (d) comparison of total EMI SE vs. optical transmittance (at 550 nm) for AgNW films and other EMI shielding films.³²⁾
그림 Fig. 6. (a) Schematic illustrating the fabrication procedure of a transparent MXene/AgNW film. (b) Resistance changes of the AgNW film in the soldering process. (c) Soldering mechanism of the MXene/AgNW film. SEM images of (d) AgNW and (e) MXene/ AgNW films. AFM images of (f) AgNW and (g) MXene/AgNW films. (h) Comparison of sheet resistances and transmittances of MXene, AgNW, and MXene/AgNW films. (i) EMI SE results of MXene, AgNW, and MXene/AgNW films. ³³⁾
그림 Fig. 7. (a) Schematic of the fabrication for transparent MXene/AgNWx-PVA films. (b) Photograph of MXene/AgNW632-PVA film. AFM images of (c) MXene-PC, (d) MXene/AgNW948-PC, and (e) MXene/AgNW948-PVA films. (f) Cross-sectional SEM image of MXene/AgNW948-PVA film. (g) Transmittance spectra of MXene/AgNWx-PVA films. (h) Plot of transmittance (550 nm) versus sheet resistance of MXene/AgNWx-PVA films.³⁴⁾
그림 Fig. 8. (a) Thickness, (b) transmittance, (c) sheet resistance, and (d) conductivity of the MXene-MWCNT and MXene-SWCNT composite films. (e) Comparison of the specific EMI shielding effectiveness of different materials (i.e., metal-based, carbon-based, MXenebased, and LBL MXene-CNT composite films). (f) Proposed EMI shielding mechanism of the LBL MXene-CNT composite film.²⁴⁾

AI 본문요약
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문제 정의

금속을 기반으로 한 기존의 소재들은 유연하고 투명한 전자기 간섭 차폐 필름을 제조하기에 한계가 있어 이를 대체할 수 있는 새로운 소재에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있는데, 그 중에서도 가장 유망한 소재인 탄소 나노 튜브, 그래핀, 은 나노 와이어, 맥신을 중심으로 연구 사례를 소개하였다. 소개된 사례에서는 각 소재의 고유한 특성을 기반으로 연구가 진행되었으며, 서로 다른 소재를 결합하여 복합 구조를 제조해 특성을 보완하고 보강하는 등 연구가 꾸준히 진행되고 있음을 확인할 수 있었다.
위 소재들은 높은 전기 전도도로 인해 전자기 간섭 차폐 기능을 수행함과 동시에 고유의 구조적 특성들로 인해 기계적 내구성이 좋고 투명하게 전극을 설계할 수 있기 때문에 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 위에 언급한 전도성 나노 소재들을 중심으로 유연하며 투명하게 설계될 수 있는 전자기 간섭 차폐 필름의 개발 연구 중 주목할 만한 내용을 소개하고자 한다.
본고에서는 유연하고 투명한 전자기 간섭 차폐 필름 개발 동향을 파악하고자 최근에 보고된 연구들에 대해 리뷰하였다. 금속을 기반으로 한 기존의 소재들은 유연하고 투명한 전자기 간섭 차폐 필름을 제조하기에 한계가 있어 이를 대체할 수 있는 새로운 소재에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있는데, 그 중에서도 가장 유망한 소재인 탄소 나노 튜브, 그래핀, 은 나노 와이어, 맥신을 중심으로 연구 사례를 소개하였다.
위에서 소개한 소재들은 각각의 소재가 지닌 고유한 장점을 가지고 있지만 상용화에 앞서 반드시 해결되어야 할 문제점 또한 존재하기 때문에 이를 해결하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본고에서는 이러한 소재들을 유연한 투명 전자기 간섭 차폐 필름의 제작에 적용한 사례들 중 주목할만한 사례들을 리뷰하고자 한다.
앞서 소개한 연구에서는 은 나노 와이어를 대상으로 특수한 공정 방법을 적용하여 전자기 간섭 차폐 효율을 증가시키고자 하였다. 최근 그래핀 뿐만 아니라 2D 물질 인맥 신을 이용하여 은 나노 와이어의 단점을 개선해 전자기 간섭 차폐 효율을 향상 시킨 결과가 보고되었다.

가설 설정

하지만 이러한 장점에도 불구하고 은 나노 와이어는 높은 접촉 저항, 기판과의 낮은 접착력 등의 문제가 있는데, 이를 해결하기 위해 액체 증기 압력에 의한 습식 소결 공정을 적용하여 강화된 은 나노 와이어의 네트워크 구조를 이루는 유연한 투명 전자기 간섭 차폐 필름을 개발한 사례가 보고되었다.³²⁾ 습식 소결은 건식소결보다 공정 온도가 낮아 열에 민감한 고분자를 기판으로 사용하는 공정에 적합하다. 보고된 연구에서 습식소결 공정을 통해 은 나노 와이어 간 전기적 접촉 저항을 감소시키며 표면 거칠기 또한 감소시켰다.

제안 방법

전자기 간섭 차폐의 향상 원인은 전자기파가 Ni-Pb 합금에 입사 됨과 동시에 충돌 에너지가 순간적으로 표면 전류로 변환해 이 전류의 일부가 주변 탄소 나노 튜브로 빠르게 이동하며 열의 형태로 손실된다. Ni-Pd의 나노 입자를 보강한 탄소 나노 튜브를 이용해 실제 전자기 간섭 차폐 필름을 제조하여 휴대폰 보호 필름 시험을 진행하였다. 제작한 필름을 부착한 후 휴대폰을 사용함에 있어 문제가 없었으며 디스플레이의 투명도 또한 유지하였다.
먼저 PET 기판 위에 코팅된 은 나노 와이어에 맥 신을 분사, 코팅하여 표면 거칠기를 감소시켰고 은 나노와이어끼리의 상호작용을 강화하여 접촉 저항을 줄여 전기 전도성을 높였다. 또한 제조한 필름을 층상 구조로 설계하여 차폐 효율을 극대화하였다. 결과적으로 59%의 투과율에서 96.
8에 나타내었다. 맥신/탄소 나노튜브 필름을 제조하기 위한 고분자 기판으로는 우수한 내 화학성, 생체 안전성, 저렴한 비용을 갖춘 PVA (poly(vinyl alcohol))과 기계적 강도와 안정성을 갖춘 PSS (poly(sodium 4-styrene sulfonate))를 선택해 유연성과 내구성을 확보하였다. SSLBL 공정을 통해 제조된 맥신/탄소 나노 튜브 필름은 웨어러블 및 휴대용 전자기기에서 고성능 전자기 간섭 차폐 필름으로 사용될 것으로 전망된다.
³³⁾ 일반적으로 맥신은 증류수 및 다양한 용액에 분산이 용이하여 용액 공정으로 스핀 코팅 하거나 바 코팅을 통해 필름을 제조한다. 본 연구에서는 IPA에 분산된 맥신을 스프레이 코팅 공정을 이용하여 은 나노 와이어 위에 성장시켰다. 먼저 PET 기판 위에 코팅된 은 나노 와이어에 맥 신을 분사, 코팅하여 표면 거칠기를 감소시켰고 은 나노와이어끼리의 상호작용을 강화하여 접촉 저항을 줄여 전기 전도성을 높였다.
또한 투명하고 전기 전도성을 갖는 맥신 복합 나노 필름을 균일하게 제조하기 위해서는 높은 수준의 공정 처리가 필요하다. 본 연구에서는 Spin Spray Layer-By-Layer (SSLBL) 조립 공정을 이용하여 균일한 맥신/탄소 나노 튜브 다층 구조 필름을 제조 하였다. SSLBL 공정을 통해 필름의 막 두께, 투명도 및 전기전도도 같은 다양한 특성을 조정해 차세대 투명 전자기간섭 차폐 필름을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
앞서 소개한 연구는 금속 메쉬에 그래핀과 같은 나노물질을 응용하여 전자기 간섭 차폐 효율을 높이는 방향으로 접근하였다. 반면 그래핀을 고분자 나노 복합체에 전도성 나노 필러로 응용하여 전자기 간섭 차폐 효율을향상시킨 연구 결과도 소개 되었는데, Graphene Quantum-Dots (GQds)과 PVA (poly(vinyl alcohol)), PPy (Polypyrrole) 복합체를 이용하여 유연한 투명 전자기 간섭 차폐 필름을 제조한 사례가 있다.
³⁴⁾ 최근에는 맥신의 높은 전자기 간섭차폐 성능과 더불어 기계적 안정성을 향상시키기 위해 높은 금속 전자 이동성 및 전도성, 큰 종횡비 및 우수한 유연성으로 유망한 후보인 1차원 나노 물질인 은 나노 와이어를 함께 적용한 연구가 진행되었다. 필름의 제조는 PVA(poly(vinyl alcohol)) 기판 위에 맥신과 은 나노 와이어를 전사시키는 공정으로 맥신과 은 나노 와이어의 샌드위치 구조를 형성하여 접촉 저항은 크게 감소시키고 전자기 간섭 차폐 효율을 높여 우수한 유연성 투명 전자기차폐 필름을 개발하였으며, 실험의 모식도와 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 결과적으로 맥신-은 나노 와이어 필름은 18.

성능/효과

24) 일반적인 맥신 공정 방법인 용액 처리 공정은 접근성이 높고 공정이 간단하다는 장점이 있지만 맥신 필러의 양이 90 wt% 미만으로 제한됨에 따라 전기 전도도가 급격히 감소하는 단점이 있다. 또한 투명하고 전기 전도성을 갖는 맥신 복합 나노 필름을 균일하게 제조하기 위해서는 높은 수준의 공정 처리가 필요하다.
본 연구에서는 Spin Spray Layer-By-Layer (SSLBL) 조립 공정을 이용하여 균일한 맥신/탄소 나노 튜브 다층 구조 필름을 제조 하였다. SSLBL 공정을 통해 필름의 막 두께, 투명도 및 전기전도도 같은 다양한 특성을 조정해 차세대 투명 전자기간섭 차폐 필름을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다. 이러한 연구결과를 Fig.
또한 제조한 필름을 층상 구조로 설계하여 차폐 효율을 극대화하였다. 결과적으로 59%의 투과율에서 96.5 dB의 높은 전자기 간섭 차폐 효율을 달성하였으며, 연구 결과가 Fig. 6에 나타나 있다. PET/은 나노 와이어/맥신의 계층 구조와 전기 음성도는 압력 감도 또한 우수해 차세대 음향, 압력 감지 센서 등에도 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
7에 나타내었다. 결과적으로 맥신-은 나노 와이어 필름은 18.2 Ω/sq의 면저항과 52.3%의 투과율에서 32 dB의 우수한 전자기 간섭 차폐 효율을 입증하였다. 맥신으로 인해 높은 전자기 차폐 성능을 구현하였으며, 은 나노 와이어와 샌드위치 구조를 형성함으로써 필름의 굽힘 시험이 100회 이상 반복된 후에도 저항이 증가하지 않아 강력한계면 접착과 내구성 향상을 입증하였다.
추가적으로 그래핀 옥사이드 및 환원 그래핀 옥사이드를 습식 소결 공정 처리된 은 나노 와이어에 적용하여 차폐 효율을 더욱 높일 수 있다는 것을 입증했다. 결과적으로 액체 증기 압력에 의한 습식 소결 공정으로 제작된 은 나노 와이어 전자기 간섭 차폐 필름은 롤 투 롤 공정을 통해 대량으로 생산이 가능하며 높은 내구성과 유연성을 가지고 있다. 또한 차폐 효율이 우수하고 투과율이 높아 유연 디스플레이, 터치 스크린 패널 및 웨어러블 기기에 적용이 가능할 것으로 전망된다.
5~4 dB 정도 향상 시켰음을 보여준다. 그래핀 코팅에 의해 니켈 메쉬 표면에서 전자기파의 반사 손실이 증가하여 차폐 효율이 향상되었음을 알 수 있다. 또한 그래핀이 니켈 표면에 코팅됨으로써 장기적 안정성 또한 향상되어 전자 장치의 고성능 전자기 간섭 차폐를 위한 유망한 소재로 제공될 뿐만 아니라 열악한 환경에서도 전자기 간섭 차폐를 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
3%의 투과율에서 32 dB의 우수한 전자기 간섭 차폐 효율을 입증하였다. 맥신으로 인해 높은 전자기 차폐 성능을 구현하였으며, 은 나노 와이어와 샌드위치 구조를 형성함으로써 필름의 굽힘 시험이 100회 이상 반복된 후에도 저항이 증가하지 않아 강력한계면 접착과 내구성 향상을 입증하였다.
본 연구에서는 IPA에 분산된 맥신을 스프레이 코팅 공정을 이용하여 은 나노 와이어 위에 성장시켰다. 먼저 PET 기판 위에 코팅된 은 나노 와이어에 맥 신을 분사, 코팅하여 표면 거칠기를 감소시켰고 은 나노와이어끼리의 상호작용을 강화하여 접촉 저항을 줄여 전기 전도성을 높였다. 또한 제조한 필름을 층상 구조로 설계하여 차폐 효율을 극대화하였다.
금속을 기반으로 한 기존의 소재들은 유연하고 투명한 전자기 간섭 차폐 필름을 제조하기에 한계가 있어 이를 대체할 수 있는 새로운 소재에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있는데, 그 중에서도 가장 유망한 소재인 탄소 나노 튜브, 그래핀, 은 나노 와이어, 맥신을 중심으로 연구 사례를 소개하였다. 소개된 사례에서는 각 소재의 고유한 특성을 기반으로 연구가 진행되었으며, 서로 다른 소재를 결합하여 복합 구조를 제조해 특성을 보완하고 보강하는 등 연구가 꾸준히 진행되고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 타 소재에 비해 비교적 늦게 발견된 2차원 물질인 맥신의 경우, Ti₃C₂T_x기반의 나노 시트로 제조된 필름은 투명성을 확보하면서 높은 전자기 간섭 차폐 효율을 보여주었다.
1배 증가했다. 추가적으로 그래핀 옥사이드 및 환원 그래핀 옥사이드를 습식 소결 공정 처리된 은 나노 와이어에 적용하여 차폐 효율을 더욱 높일 수 있다는 것을 입증했다. 결과적으로 액체 증기 압력에 의한 습식 소결 공정으로 제작된 은 나노 와이어 전자기 간섭 차폐 필름은 롤 투 롤 공정을 통해 대량으로 생산이 가능하며 높은 내구성과 유연성을 가지고 있다.

후속연구

6에 나타나 있다. PET/은 나노 와이어/맥신의 계층 구조와 전기 음성도는 압력 감도 또한 우수해 차세대 음향, 압력 감지 센서 등에도 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
맥신/탄소 나노튜브 필름을 제조하기 위한 고분자 기판으로는 우수한 내 화학성, 생체 안전성, 저렴한 비용을 갖춘 PVA (poly(vinyl alcohol))과 기계적 강도와 안정성을 갖춘 PSS (poly(sodium 4-styrene sulfonate))를 선택해 유연성과 내구성을 확보하였다. SSLBL 공정을 통해 제조된 맥신/탄소 나노 튜브 필름은 웨어러블 및 휴대용 전자기기에서 고성능 전자기 간섭 차폐 필름으로 사용될 것으로 전망된다.
그래핀 코팅에 의해 니켈 메쉬 표면에서 전자기파의 반사 손실이 증가하여 차폐 효율이 향상되었음을 알 수 있다. 또한 그래핀이 니켈 표면에 코팅됨으로써 장기적 안정성 또한 향상되어 전자 장치의 고성능 전자기 간섭 차폐를 위한 유망한 소재로 제공될 뿐만 아니라 열악한 환경에서도 전자기 간섭 차폐를 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
결과적으로 액체 증기 압력에 의한 습식 소결 공정으로 제작된 은 나노 와이어 전자기 간섭 차폐 필름은 롤 투 롤 공정을 통해 대량으로 생산이 가능하며 높은 내구성과 유연성을 가지고 있다. 또한 차폐 효율이 우수하고 투과율이 높아 유연 디스플레이, 터치 스크린 패널 및 웨어러블 기기에 적용이 가능할 것으로 전망된다.
제작한 필름을 부착한 후 휴대폰을 사용함에 있어 문제가 없었으며 디스플레이의 투명도 또한 유지하였다. 이 연구는 복합 용액을 통한 한 번의 과정으로 필름을 형성시킬 수 있어 대량 생산에 이점이 있으며 전자기 간섭 차폐뿐만 아니라 태양 발전 장치, 유연 전자장치 등 광범위한 분야에도 적용될 수 있는 장점이 있다.
^2-7) 초기의 금속 소재에 국한되었던 연구에서 벗어나 최근에는 다양한 소재를 개발, 적용하여 기계적으로 유연하고 투명한 높은 전자기 간섭 차폐 효과를 갖는 필름을 개발하고자 노력하고 있다. 이러한 필름 개발 기술이 발전하여 상용화된다면 휴대용 전자 기기뿐만 아니라 군사, 항공우주, 의료 장비 및 로봇 등에 적용되어 광범위한 영역에서 유용한 역할을 할 수 있을 것으로 전망된다.^8-10) 일반적으로 금속은 높은 전기 전도도, 넓은 대역폭, 낮은 공정 비용 등으로 전자기 간섭 차폐 분야에서 가장 널리 사용되는 소재이다.

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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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