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흑연 박막은 전자기파(EM)로부터 전자기 장치를 보호할 수 있지만, 기존 제조 방식으로는 박막을 제작하는 데 수 시간이 걸리고 약 3000°C의 고온이 필요합니다. 중국과학원 선양국립재료과학연구소의 연구팀은 뜨거운 니켈 포일 조각을 에탄올에 담그는 방식으로 단 몇 초 만에 고품질 흑연 박막을 제작하는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 방법으로 제작된 박막은 성장 속도가 기존 방식보다 두 자릿수 이상 빠르며, 전기 전도성과 기계적 강도는 화학 기상 증착(CVD) 방식으로 제작된 박막과 동등한 수준입니다.
모든 전자 기기는 전자기파를 방출합니다. 기기가 점점 작아지고 작동 주파수가 높아짐에 따라 전자기 간섭(EMI) 발생 가능성이 커지고 있으며, 이는 기기 자체의 성능뿐 아니라 주변 전자 시스템의 성능에도 악영향을 미칠 수 있습니다.
반데르발스 힘으로 결합된 그래핀 층들이 모여 만들어진 탄소 동소체인 흑연은 뛰어난 전기적, 열적, 기계적 특성을 지니고 있어 EMI(전자파 간섭) 차폐에 효과적입니다. 그러나 실제 EMI 차폐 응용 분야에서 높은 전기 전도성을 유지하려면 매우 얇은 막 형태여야 합니다. 높은 전기 전도성은 흑연 내부의 전하 운반체와 상호 작용하면서 전자파를 반사하거나 흡수할 수 있음을 의미하기 때문에 매우 중요합니다.
현재 흑연 필름을 제조하는 주요 방법은 방향족 고분자의 고온 열분해 또는 그래핀 산화물(GO)이나 그래핀 나노시트를 층층이 쌓아 올리는 방식입니다. 두 공정 모두 약 3000°C의 고온과 한 시간 정도의 처리 시간이 필요합니다. 화학 기상 증착(CVD) 방식은 필요한 온도가 더 낮지만(700~1300°C), 진공 상태에서도 나노미터 두께의 필름을 만드는 데 몇 시간이 걸립니다.
렌원차이(Wencai Ren) 교수가 이끄는 연구팀은 아르곤 분위기에서 니켈 포일을 1200°C로 가열한 후 0°C의 에탄올에 급속 냉각하는 방식으로 수십 나노미터 두께의 고품질 흑연 필름을 단 몇 초 만에 제작하는 데 성공했습니다. 에탄올 분해로 생성된 탄소 원자는 니켈의 높은 탄소 용해도(1200°C에서 0.4wt%) 덕분에 니켈 내부로 확산되어 용해됩니다. 하지만 저온에서는 탄소 용해도가 크게 감소하기 때문에, 냉각 과정에서 탄소 원자가 니켈 표면에서 분리되어 석출되면서 두꺼운 흑연 필름이 형성됩니다. 연구팀은 니켈의 뛰어난 촉매 활성 또한 고결정성 흑연 형성에 기여한다고 밝혔습니다.
렌과 그의 동료들은 고해상도 투과 전자 현미경, X선 회절 및 라만 분광법을 조합하여 제작한 흑연이 넓은 영역에 걸쳐 결정성이 높고 층상 구조가 잘 되어 있으며 눈에 띄는 결함이 없음을 발견했습니다. 필름의 전자 전도도는 2.6 x 10⁵ S/m에 달했는데, 이는 CVD 또는 고온 기술로 성장시킨 필름이나 GO/그래핀 필름을 압착하여 만든 필름과 유사한 수준입니다.
연구팀은 소재의 전자기파 차단 능력을 테스트하기 위해 표면적 600mm²의 필름을 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에 전사했습니다. 그런 다음 8.2GHz에서 12.4GHz 사이의 X-밴드 주파수 대역에서 필름의 전자파 차폐 효과(EMI 차폐 효율, SE)를 측정했습니다. 그 결과, 두께가 약 77nm인 필름에서 14.92dB 이상의 EMI SE를 얻었습니다. 필름을 여러 장 겹쳐 쌓았을 때, 이 값은 X-밴드 전체에서 20dB 이상(상용 응용 분야에 필요한 최소값)으로 증가했습니다. 실제로, 흑연 필름 5장을 겹쳐 쌓은 필름(총 두께 약 385nm)은 약 28dB의 EMI SE를 나타냈는데, 이는 입사광의 99.84%를 차단할 수 있음을 의미합니다. 종합적으로, 연구팀은 X-밴드 전체에서 481,000dB/cm²/g의 EMI 차폐 성능을 측정했으며, 이는 기존에 보고된 모든 합성 소재보다 우수한 성능입니다.
연구진은 자신들이 개발한 흑연 필름이 기존에 보고된 차폐 소재 중 가장 얇으면서도 상용 애플리케이션에 필요한 EMI 차폐 성능을 갖추고 있다고 밝혔습니다. 기계적 특성 또한 우수합니다. 폴리카보네이트 지지대 위에 놓은 흑연 필름의 응력-변형률 곡선에서 측정한 파괴 강도는 약 110 MPa로, 다른 방법으로 성장시킨 흑연 필름보다 높습니다. 또한, 이 필름은 유연성이 뛰어나 5mm의 굽힘 반경으로 1,000회 구부려도 EMI 차폐 성능을 유지하며, 550°C까지 열적으로 안정합니다. 연구팀은 이러한 특성들을 바탕으로 이 필름이 항공우주, 전자 및 광전자 분야를 포함한 다양한 분야에서 초박형, 경량, 유연하고 효과적인 EMI 차폐 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
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게시 시간: 2020년 5월 7일