[논문]전도성 그리드를 활용한 전자파 흡수차폐/방열 복합소재 필름

박병진; 류승한; 권숙진; 김수련; 이상복

doi:10.7234/composres.2022.35.3.175

전도성 그리드를 활용한 전자파 흡수차폐/방열 복합소재 필름
A Conductive-grid based EMI Shielding Composite Film with a High Heat Dissipation Characteristic 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.3, 2022년, pp.175 - 181

박병진 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 류승한 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 권숙진 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 김수련 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 이상복 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science)

초록
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무선통신기술의 발전과 함께 통신기기의 활용영역은 기하급수적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 통신기기 성능의 저하를 막기 위한 전자파 노이즈 간섭문제 해결 및 방열문제 해결 소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 전자파 차폐와 우수한 방열특성을 동시에 가질 수 있는 복합소재 필름을 제안하였다. 이 필름은 고분자 수지에 자성 및 방열 필러 물질이 분산된 복합소재 레이어와 전도성 그리드로 구성되어 있다. 복합소재 레이어의 조성 및 특성에 대한 제어 및 전도성 그리드 형상에 대한 설계를 통해 높은 전자파 차폐능(>40 dB), 낮은 전자파 반사능(<3 dB), 우수한 열전도도(>10 W/m·K)를 5G 통신 대역인 26.5 GHz에서 500 ㎛ 이하의 극박 필름으로 달성하는 데 성공하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the increasing number of wireless communication devices in mmWave frequency bands, there is a high demand for electromagnetic interference (EMI) shielding and heat dissipating materials to avoid device malfunctions. This paper proposes an EMI shielding composite film with a high heat dissipation characteristic. To achieve this, a conductive grid is integrated with a polymer-based composite layer including magnetic and heat dissipating filler materials. A high shielding effectiveness (>40 dB), low reflection shielding effectiveness (10 W/m·K), thin thickness (<500 ㎛) are simultaneously achieved with a tailored design of composite layer compositions and grid geometries in 5G communication band of 26.5 GHz.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the proposed composite shielding film
표 Table 1. Specimen Compositions
그림 Fig. 2. Morphology of the proposed composite shielding film: (a) Front view of the composite film; (b) Rear view of the composite film; (c) Optical microscopic image of the conductive grid; (d) SEM image of the composite film cross section
그림 Fig. 3. Measured in-plane thermal conductivity of the composite shielding films
그림 Fig. 4. (a) Total, (b) absorption, and (c) reflection shielding effectiveness of the composite shielding films
그림 Fig. 5. (a) Complex permittivity and (b) permeability of the composite layers with/without BN powder
그림 Fig. 6. Reflection shielding effectiveness of Fe/BN/MWCNT composite films with a Cu grid

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 5G 통신 주파수에서 낮은 반사능, 높은 흡수 위주 차폐능, 높은 열전도도를 동시에 달성할 수 있는 복합소재 필름에 대해 연구하였다. 열가소성 고분자 기반의 자성/유전/방열 복합 소재 레이어와 전도성 그리드의 복합화를 통해 3 dB(50%) 이하의 낮은 반사능, 40 dB(99.
본 연구에서는 전도성 그리드와 자성/방열 복합소재 레이어의 복합화를 통해 전자파 차폐와 방열기능을 동시에 수행할 수 있는 다기능 복합소재 필름을 제안하였다. 제안된 필름은 고분자 수지에 자성필러와 방열필러가 분산된 복합소재 레이어와 금속 전도성 그리드로 구성되어 있으며, 이들의 적절한 조성제어 및 형상제어를 통해 높은 전자파 차폐능(>40 dB), 낮은 전자파 반사능(<3 dB), 우수한 열전도도(>10 W/m·K)를 5G 통신 대역인 26.

제안 방법

건조가 종료된 후, 필름 5장을 차례로 적층하고 그 위에 금속 그리드를 최종 적층한 후 120°C에서 20분간 10 MPa의 압력을 가하는 핫 프레스 공정을 통해 400 µm 두께의 흡수차폐/방열 복합소재 필름을 제조한다
따라서 Cu 그리드를 사용하는 경우 높은 열전도도를 얻을 수 있으나, 반사능 또한 높아지게 되기에 우수한 흡수차폐 필름이라 할 수 없다. 따라서 높은 열전도도와 낮은 반사능을 동시에 확보하기 위해 유전율 제어가 필요하며, 이를 위해 Fe/BN 복합소재 레이어를 제조하는 과정에서 MWCNT를 추가 투입하여 흡수차폐/방열 복합소재 필름을 제조하였다. 이 때 CNT 함량 증가에 따라 반사능이 감소하여 0.
제조된 필름의 형상과 내부 구조는 광학현미경(Y-IM, Nikon) 및 주사 전자 현미경(SEM, Scanning Electron Misroscopy, JSM-7001F, JEOL)을 활용해 분석하였다.

대상 데이터

해당 그리드는 선폭 100 µm, 그리드 간격 100 µm을 가지며 두께는 20 µm이다. 니켈(Ni)과 구리(Cu)가 도금된 그리드 2종이 흡수차폐/방열 복합소재 필름에 적용되었다.
방열소재로 질화붕소(BN, Boron Nitride) 분말(Denka, XGP)이 활용되었으며 해당 분말은 평균 30 µm의 입도를 가진다.
복합소재 레이어의 수지로 송원산업의 A-9410 열가소성 폴리우레탄(TPU)이 활용되었다. 해당 수지는 TPU가 N,N-dimethylformamide (DMF) 용매에 30% 용해되어 있는 형태이다.
자성소재로 철계 분말(CIP, BASF Korea)이 활용되었으며 해당 분말은 평균 3 µm의 입도를 가진다. 유전소재로 나노솔루션의 TMC-100 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT, Multi-walled carbon nanotube)가 사용되었다. 방열소재로 질화붕소(BN, Boron Nitride) 분말(Denka, XGP)이 활용되었으며 해당 분말은 평균 30 µm의 입도를 가진다.
자성소재로 철계 분말(CIP, BASF Korea)이 활용되었으며 해당 분말은 평균 3 µm의 입도를 가진다
전도성 그리드로 삼원ACT의 전주도금 그리드가 활용되었다. 해당 그리드는 선폭 100 µm, 그리드 간격 100 µm을 가지며 두께는 20 µm이다.

이론/모형

필름의 열전도도는 레이저 플래시법(LFA 467 HyperFlash, NETZSCH)를 활용해 면내 방향(In-plane)의 열확산률을 측정한 후, 시차주사열량측정기(Q2000, TA)에서 얻은 비열과 필름의 밀도를 곱해 계산하였다.

성능/효과

흡수능에 기여하는 것은 소재 내에서 전자파를 손실시킬 수 있는 자성손실, 유전손실, 전도손실 특성으로, 제안된 복합소재 필름의 경우 철계 분말의 유전손실/자성손실과 전도성 그리드의 전도손실이 큰 역할을 한다. 4종 필름 모두 전도성 그리드를 포함하고 있기에 전도성 그리드의 전도손실 덕분에 40 dB 이상의 높은 흡수능을 나타내나, BN 분말이 포함된 필름의 경우에는 오히려 흡수능이 소폭 저하되는 것이 확인되었다. 이는 철계 분말 사이사이에 BN 분말이 분산되면서 철계 분말의 네트워크를 막는 절연 역할을 하기 때문으로, 이로 인해 유전손실이 감소하면서(Fig.
반사능의 경우, 일반적으로 3 dB 이하의 반사능을 가지는 차폐소재의 경우 50% 이하의 전자파를 반사시키기에 흡수 위주의 차폐소재라고 평가받는다. 4종 필름의 반사능을 비교해 보면 Ni 그리드를 활용한 경우에는 최소 2.69 dB의 반사능을 나타내나 BN 분말 투입에 의해 반사능이 다소 증가하고, Cu 그리드를 사용한 경우에는 반사능이 4 dB 내외로 다소 높아짐을 볼 수 있다.
열가소성 고분자 기반의 자성/유전/방열 복합 소재 레이어와 전도성 그리드의 복합화를 통해 3 dB(50%) 이하의 낮은 반사능, 40 dB(99.99%) 이상의 높은 차폐능, 10 W/m·K 이상의 우수한 열전도도를 동시에 달성하는 데 성공하였다.
따라서 높은 열전도도와 낮은 반사능을 동시에 확보하기 위해 유전율 제어가 필요하며, 이를 위해 Fe/BN 복합소재 레이어를 제조하는 과정에서 MWCNT를 추가 투입하여 흡수차폐/방열 복합소재 필름을 제조하였다. 이 때 CNT 함량 증가에 따라 반사능이 감소하여 0.3 wt% 투입시 반사능이 3 dB에 도달하는 것을 확인하였다(Fig. 6).
제안된 필름은 고분자 수지에 자성필러와 방열필러가 분산된 복합소재 레이어와 금속 전도성 그리드로 구성되어 있으며, 이들의 적절한 조성제어 및 형상제어를 통해 높은 전자파 차폐능(>40 dB), 낮은 전자파 반사능(<3 dB), 우수한 열전도도(>10 W/m·K)를 5G 통신 대역인 26.5 GHz에서 500 µm 이하의 극박 필름으로 달성하는 데 성공하였다.

후속연구

추후 연구에서는 복합소재 조성의 개선 및 퍼콜레이션 구조 등 내부 구조의 제어, 그리드 형상의 최적화 등을 통해 현재보다 더 낮은 반사능과 더 높은 열전도도를 확보하는 방안에 대해 확인해 볼 계획이다.

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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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