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グラファイトフィルムは電子機器を電磁放射線から保護することができますが、現在の製造技術では数時間かかり、約3000℃の処理温度が必要です。中国科学院瀋陽国家材料科学研究所の研究チームは、ニッケル箔の高温ストリップをエタノール中で急冷することで、わずか数秒で高品質のグラファイトフィルムを製造できる代替方法を実証しました。このフィルムの成長速度は既存の方法よりも2桁以上速く、電気伝導性と機械的強度は化学蒸着法（CVD）で製造されたフィルムと同等です。
すべての電子機器は、ある程度の電磁放射を放出します。機器が小型化し、より高い周波数で動作するようになると、電磁干渉（EMI）の可能性が高まり、機器自体だけでなく、周囲の電子システムの性能にも悪影響を及ぼす可能性があります。
グラファイトは、ファンデルワールス力によって結合したグラフェン層からなる炭素の同素体であり、優れた電気的、熱的、機械的特性を数多く備えているため、電磁波に対する効果的なシールドとして機能します。しかし、高い導電性を得るには、非常に薄いフィルム状にする必要があります。これは、材料内部の電荷キャリアと相互作用する電磁波を反射・吸収できるため、実用的なEMIアプリケーションにとって重要です。
現在、グラファイト膜を製造する主な方法は、芳香族ポリマーの高温熱分解、または酸化グラフェン（GO）またはグラフェンナノシートを層状に積み重ねる方法です。どちらの方法も約3000℃の高温と1時間の処理時間を必要とします。CVD法では必要な温度はより低く（700～1300℃）、ナノメートル厚の膜を製造するには真空中でも数時間かかります。
任文才（レン・ウェンカイ）氏率いる研究チームは、ニッケル箔をアルゴン雰囲気下で1200℃に加熱し、その後0℃のエタノールに急速に浸漬することで、数秒以内に数十ナノメートルの厚さの高品質グラファイト膜を生成した。エタノールの分解で生成された炭素原子は、ニッケルの高い炭素溶解度（1200℃で0.4重量%）により拡散し、ニッケルに溶解する。この炭素溶解度は低温では大幅に低下するため、その後、急冷時に炭素原子はニッケル表面から分離・沈殿し、厚いグラファイト膜が形成される。研究者らは、ニッケルの優れた触媒活性も高結晶性グラファイトの形成を助けていると報告している。
レン氏らは、高解像度透過型顕微鏡、X線回折、ラマン分光法を組み合わせ、作製したグラファイトが広い面積にわたって高度に結晶化し、層状構造が良好で、目に見える欠陥がないことを発見した。膜の電子伝導率は2.6 x 105 S/mと高く、CVD法や高温法、GO/グラフェン膜のプレス法で作製した膜と同等であった。
この材料が電磁波をどの程度遮断できるかをテストするため、研究チームは表面積600 mm2のフィルムをポリエチレンテレフタレート（PET）製の基板に転写した。次に、8.2～12.4 GHzのXバンド周波数範囲でフィルムのEMIシールド効果（SE）を測定した。その結果、厚さ約77 nmのフィルムで14.92 dBを超えるEMI SEが得られました。この値は、フィルムをさらに積み重ねると、Xバンド全体で20 dB以上（商用アプリケーションに必要な最小値）に増加しました。実際、5枚のグラファイトフィルムを積み重ねたフィルム（合計約385 nmの厚さ）のEMI SEは約28 dBであり、これはこの材料が入射放射の99.84％を遮断できることを意味します。全体として、研究チームはXバンド全体で481,000 dB/cm2/gのEMIシールドを測定し、これまで報告されたすべての合成材料を上回りました。
研究者らによると、彼らの知る限り、このグラファイトフィルムは報告されているシールド材料の中で最も薄く、商用アプリケーションの要件を満たすEMIシールド性能を備えている。機械特性も良好で、この材料の破壊強度は約110MPa（ポリカーボネート支持体上に置いた材料の応力-歪み曲線から抽出）で、他の方法で成長させたグラファイトフィルムよりも高い。このフィルムは柔軟性もあり、曲げ半径5mmで1000回曲げてもEMIシールド特性を失わない。また、550℃まで熱的に安定している。研究チームは、これらの特性やその他の特性により、このフィルムは超薄型、軽量、柔軟で効果的なEMIシールド材料として、航空宇宙、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクスなど、多くの分野での用途に使用できると考えている。
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投稿日時: 2020年5月7日