빠르게 성장하는 흑연 필름은 전자파를 차단합니다.

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흑연 필름은 전자기파(EM)로부터 전자기파를 차단할 수 있지만, 현재 제조 기술은 수 시간이 걸리고 약 3000°C의 가공 온도가 필요합니다. 중국과학원 선양 재료과학국립연구소 연구팀은 에탄올에 뜨거운 니켈 호일을 담금질하여 단 몇 초 만에 고품질 흑연 필름을 제조하는 새로운 방법을 시연했습니다. 이 필름의 성장 속도는 기존 방식보다 두 자릿수 이상 빠르며, 전기 전도도와 기계적 강도는 화학 기상 증착(CVD)으로 제조된 필름과 동일합니다.

모든 전자 기기는 어느 정도 전자파를 방출합니다. 기기가 점점 더 작아지고 더 높은 주파수에서 작동함에 따라 전자파 간섭(EMI) 발생 가능성도 커지고 있으며, 이는 기기뿐만 아니라 주변 전자 시스템의 성능에도 악영향을 미칠 수 있습니다.

반데르발스 힘으로 결합된 그래핀 층으로 구성된 탄소 동소체인 흑연은 뛰어난 전기적, 열적, 기계적 특성을 가지고 있어 EMI 차폐에 효과적입니다. 그러나 높은 전기 전도도를 갖기 위해서는 매우 얇은 박막 형태여야 하는데, 이는 실제 EMI 응용 분야에서 매우 중요한데, 이는 흑연이 내부 전하 캐리어와 상호작용할 때 전자파를 반사하고 흡수할 수 있음을 의미하기 때문입니다.

현재 흑연 필름을 만드는 주요 방법은 방향족 고분자의 고온 열분해 또는 그래핀(GO) 산화물 또는 그래핀 나노시트를 층층이 적층하는 것입니다. 두 공정 모두 약 3,000°C의 고온과 1시간의 처리 시간이 필요합니다. CVD 공정은 필요한 온도가 더 낮지만(700~1,300°C), 진공 상태에서도 나노미터 두께의 필름을 만드는 데 몇 시간이 걸립니다.

웬차이 런(Wencai Ren)이 이끄는 연구팀은 아르곤 분위기에서 니켈 포일을 1200°C로 가열한 후 0°C의 에탄올에 빠르게 담가 수십 나노미터 두께의 고품질 흑연 필름을 수 초 만에 제조했습니다. 에탄올 분해로 생성된 탄소 원자는 금속의 높은 탄소 용해도(1200°C에서 0.4 중량%) 덕분에 확산되어 니켈에 용해됩니다. 저온에서는 탄소 용해도가 크게 감소하기 때문에, 급냉 과정에서 탄소 원자가 니켈 표면에서 분리되어 침전되어 두꺼운 흑연 필름을 형성합니다. 연구진은 니켈의 뛰어난 촉매 활성이 고결정성 흑연 형성에도 도움이 된다고 보고했습니다.

렌(Ren)과 동료들은 고해상도 투과 현미경, X선 회절, 라만 분광법을 조합하여 제작한 흑연이 넓은 면적에 걸쳐 결정성이 높고, 층상 구조가 양호하며, 눈에 띄는 결함이 없음을 확인했습니다. 박막의 전자 전도도는 최대 2.6 x 105 S/m로, CVD 또는 고온 기술로 성장시킨 박막과 GO/그래핀 박막을 압착한 박막과 유사했습니다.

연구팀은 이 소재가 전자파를 얼마나 잘 차단하는지 테스트하기 위해 표면적이 600mm2인 필름을 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 기판에 옮겼다. 그런 다음 8.2~12.4GHz의 X-밴드 주파수 범위에서 이 필름의 EMI 차폐 효과(SE)를 측정했다. 두께가 약 77nm인 필름의 EMI SE가 14.92dB 이상인 것으로 나타났다. 필름을 더 많이 쌓으면 X-밴드 전체에서 이 값이 20dB(상업적 용도에 필요한 최소값) 이상으로 높아진다. 실제로, 총 두께가 약 385nm인 5개의 흑연 필름을 적층한 필름의 EMI SE는 약 28dB로, 이는 이 소재가 입사 방사선의 99.84%를 ​​차단할 수 있다는 것을 의미한다. 전반적으로 연구팀은 X-밴드에서 481,000dB/cm2/g의 EMI 차폐를 측정했는데, 이는 이전에 보고된 모든 합성 소재보다 성능이 우수했다.

연구진은 자신들이 아는 한, 그들의 흑연 필름은 보고된 차폐 재료 중에서 가장 얇으며, 상업적 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 있는 EMI 차폐 성능을 가지고 있다고 말합니다. 기계적 특성도 유리합니다. 이 재료의 약 110MPa의 파괴 강도(폴리카보네이트 지지체에 놓인 재료의 응력-변형 곡선에서 추출)는 다른 방법으로 성장한 흑연 필름의 파괴 강도보다 높습니다. 이 필름은 또한 유연하며, EMI 차폐 특성을 잃지 않고 5mm의 굽힘 반경으로 1000번 구부릴 수 있습니다. 또한 최대 550°C까지 열적으로 안정적입니다. 연구팀은 이러한 특성과 기타 특성이 항공우주뿐만 아니라 전자 및 광전자를 포함한 여러 분야의 응용 분야에서 초박형, 경량, 유연하고 효과적인 EMI 차폐 재료로 사용될 수 있음을 의미한다고 믿습니다.

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