구종민-김명기 교수 공동연구팀, 전자파 차폐/흡수 특성이 극대화 된 나노소재 개발

Ti3CN 맥신 전자파 흡수 소재로 모바일 전자/통신 기기 및 국방 기술 활용 가능

기존 차폐 소재 한계 극복, 사이언스 논문 게재

▲ 왼쪽부터 KU-KIST 구종민 교수, 김명기 교수, 권지성 석사과정

기존 차폐 소재의 한계를 극복한 초경량 전자파 차폐/흡수 맥신 소재 기술이 개발됐다. 이 소재는 향후 고집적 모바일 전자/통신 기기 뿐 아니라 전자파 차폐 및 스텔스 등 국방 기술에도 활용 가능할 것으로 기대된다. 
* 맥신 : 금속에 비해 가볍고, 저비용이며, 유연인쇄 공정이 가능한 2D 나노 소재로서 기존 금속을 능가하는 전자파차폐 성능을 가지는 세라믹 소재

구종민 교수(KU-KIST융합대학원 학연교수, 한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 센터장)와 김명기 교수(KU-KIST융합대학원 전임교수), 그리고 미국 드렉셀 대학교(Drexel University) 유리고고치(Yury Gogotsi) 교수 연구팀이 공동으로 기존 전자기파 간섭문제를 획기적으로 개선할 수 있는 Ti3CN 맥신 전자파 흡수 소재를 개발하는데 성공했다.
※ (논문명) Anomalous Absorption of Electromagnetic Waves by 2D Transition Metal Carbonitride Ti3CN (MXene)

이번 연구는 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.063)에 7월 24일 0시(한국시간) 게재됐다.

최근 전자/통신 장치의 고도화/고집적화로 경량 고흡수 특성의 전자파차폐/흡수 소재 개발 필요성이 부각되고 있고, 전통적인 전자파차폐 기술은 전기전도성이 우수한 금속 소재 중심의 기술이다.  그러나 금속이 무겁고 고비용이며 불규칙 구조에 유연인쇄 코팅공정이 어려워 고집적 전자/통신 장치 사용에 적합하지 않은 단점이 있다. 또한, 전기전도성 금속의 강한 전자파 반사 특성은 반사된 유해 전자기파로 인한 2차 피해가 발생하는 문제가 있어 왔다. 이러한 문제점 극복을 위해 본 연구팀은 2016년 Ti3C2 맥신 소재의 전자파 차폐 기술을 개발하여 Science지에 보고한 바 있으나, 반사 유해 전자기파로 인한 2차 피해를 줄이기 위해 흡수특성 향상 기술이 필요했다.
* Ti3C2 맥신 : 티탄늄전이금속과 탄소의 화합물. 1㎚ 두께의 이차원 평면구조를 가지는 나노소재

이번 연구에서는 기존 맥신의 한계를 극복한 흡수특성이 극대화된 Ti3CN 맥신 나노소재 기술을 개발했다. 
* Ti3CN 맥신 소재 : 티탄늄과 탄소와 질소의 화합물. 1㎚ 두께의 판상 구조를 가지는 Ti3C2 맥신과 구조는 유사하나, 전기전도성은 Ti3C2 비해 낮은 특성이 있음

연구진은 간단한 열처리를 통해 Ti3CN 맥신 필름의 메타구조 형성 메커니즘을 밝히고, 이를 통해 맥신의 유효 유전율 및 유효 투자율을 효율적으로 조절하여 매우 낮은 필름 두께에서도 매우 우수한 전자기파 흡수 특성을 보이는 맥신 전자파차폐 소재 제조 기술을 개발했다.  구체적으로, 머리카락 두께와 유사한 약 40 마이크로미터 두께에서 116 dB 이상의 높은 전자파 차폐 성능(EMI Shielding Effectiveness, SE)을 확보했다.

맥신 소재는 자연계에 존재하지 않는 인간에 의해 창조된 신규 나노소재로, 향후 실용화를 위해 소재-부품-장비를 연결하는 공급망 확보가 매우 중요할 것으로 보여진다.  이를 위해 나노소재의 대량 생산 시스템, 효율적인 부품 제조 기술, 장비 적용기술 등의 종합적인 협력연구체계 구축이 필요하다.  또한 연구진은 고정형 전자파 방호구조물 건설기술에 참여하고 있으며, 이를 통해 전자파 차폐 콘크리트의 전자파 방호 성능을 증강시킬 수 있는 고성능 박막 차폐 도장재 응용기술 개발에도 노력하고 있다.

이번  연구 수행은 과학기술정보통신부의 중견연구 사업 및 한국과학기술연구원 기관고유사업과 국토교통부 건설기술연구사업의 지원으로 이뤄졌다.

연구진은 기존 소재 대비 초경량 전자파 차폐/흡수 소재 기술로서 고집적 모바일 전자/통신 기기에 전자파 차폐소재, 흡수소재로 사용이 기대되며, 또한 EMP 차폐 및 스텔스 기술에 활용이 가능한 소재로 기대된다고 밝혔다. 

[ 그 림 설 명 ]

(그림1) Ti3CN 맥신 구조 및 전자파차폐 성능
Ti3CN 맥신 나노소재는 그림과 같이 1 나노미터 두께의 이차원 평판구조의 나노재료로서 Ti3CN 맥신필름의 메타구조제어 위해 열처리하면 그림처럼 다공구조를 형성하게되며 이때 머리카락 두께와 유사한 약 40 마이크로미터 두께에서 116 dB 이상의 높은 전자파 차폐 성능 (EMI SE)을 보인다. 
출처 : 고려대학교 구종민 교수


(그림2) Ti3CN 맥신 필름의 전자파 흡수 특성 모식도                          
Ti3CN 맥신 나노소재의 우수한 전자파 차폐 특성은 매우 특별한 흡수 특성에 의해 기인한다. Ti3CN 맥신 필름을 열처리하면 위 그림처럼 다공구조의 메타구조를 형성하게 된다. 형성된 메타구조는 유효 유전율, 투자율이 크게 변화하게 되어 매우 높은 전자파 흡수 특성을 보이며, 향상된 흡수 특성으로 인해 매우 높은 전자파 차폐 성능 (EMI SE) 값을 얻게 된다. 
출처 : 고려대학교 구종민 교수

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)