이차원 알루미늄을 이용한 전자기파 흡수체 개발-빛 반사되지 않는 나방 눈 모사, 전자기파 무반사 흡수체 구현 전략 제시

이차원 알루미늄을 이용한 전자기파 흡수체 개발-빛 반사되지 않는 나방 눈 모사, 전자기파 무반사 흡수체 구현 전략 제시

 

등록일 2021.02.02.

 

이차원 알루미늄을 이용한 전자기파 흡수체 개발 빛 반사되지 않는 나방 눈 모사, 전자기파 무반사 흡수체 구현 전략 제시

□ 소음을 막기 위해 스튜디오에 설치되는 흡음재와 비슷한 원리를 이용한 전자기파 흡수체가 소개됐다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 심우영 교수(연세대학교 신소재공학과) 연구팀이 층상구조의 이차원 알루미늄을 제작하고 이를 이용한 전자기파 무반사 흡수체를 개발했다고 밝혔다.

□ 고성능 전자기기는 의도치 않게 주변기기에 전자기간섭(Electromagnetic Inteference)을 유발할 수 있는 만큼 금속처럼 전기전도도가 높은 차폐재를 이용해 전자기파를 차단한다.
○ 다만 금속은 차폐율이 높은 만큼 반사율도 높아 전자기파 재방사가 일어날 수 있다는 아쉬움이 있었다.
○ 이에 연구팀은 전자기파를 잘 흡수하는 알루미늄을 아주 얇은 박편으로 제작, 흡수율은 유지하면서 반사율은 낮춘 흡수체를 개발하고 그 원리를 규명했다.

□ 연구팀은 리튬과 알루미늄으로 된 화합물을 이용해 이차원 알루미늄을 제작하고 이를 크기에 따라 정렬, 무수히 많은 계면을 가진 수 십 마이크로미터 두께 필름 형태의 무반사 흡수체를 설계했다.
○ 흡수체 내 계면의 수가 증가할수록 반사율이 급격하게 감소함을 계산을 통해 규명한 데 따른 것이다.
○ 마치 나방 눈(moth-eye)에 존재하는 돌기들이 굴절률 기울기를 갖는 다층구조로 거동하여 빛 반사를 차단하는 것과 유사한 원리를 이용했다.

□ 흡수체를 구성하는 알루미늄 나노플레이크* 표면 사이 공간에서 다중내부반사가 일어나 전자기파를 효율적으로 흡수할 수 있었다.
○ 실제 제안한 전자기파 흡수체의 흡수효율/반사효율 비율이 기존 경향성 대비 1,000배 이상 높게 나타났다.
※알루미늄 나노플레이크 : nm(나노미터, 10-9 m) 수준의 두께의 알루미늄 박편

□ 기존 공진(resonance)형 흡수체의 한계인 복잡한 공정과 차단가능한 주파수 한계를 에칭기법으로 제작한 필름으로 극복한 것이다.
○ 알루미늄 층상구조를 이용하는 비교적 간단한 공정으로 기가헤르츠* 대역을 포함하는 보다 넓은 영역에서 작동하는 흡수체를 제안한 것이다.
※기가헤르츠 대역 : 모바일폰, IoT, 레이다, 위성 등이 작동하는 주파수 대역

□ 주로 반사차폐 용도로 쓰이던 금속소재를 가공하여 얇은 필름형태의 무반사 흡수체로 제안한 이번 연구결과가 기존 흡수체 시장에 새로운 화두를 던질 수 있을 것으로 기대된다.
○ 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노과학 분야 국제학술지‘나노 레터스(Nano Letters)’에 1월 27일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 연세대학교 심우영 교수>

논문명
Layered Aluminum for electromagnetic wave absorber with near-zero reflection
저널명
Nano Letters
키워드
Metamaterial perfect absorber (메타물질 흡수체), Electromagnetic absorber (전자기파 흡수체), Antireflection (무반사), EMI shielding (전자기 간섭 차폐), Aluminum nanoflake (알루미늄 나노플레이크)
DOI
doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04593
저 자
심우영 교수 (교신저자/연세대학교), 김태훈 학생 (제1저자/연세대학교), 도형완 박사 (제1저자/연세대학교), 최규종 학생 (연세대학교), 김성순 학생 (연세대학교), 이민우 학생 (연세대학교), 김태영 학생 (연세대학교), 유병규 연구원 (연세대학교), 천진우 교수 (연세대학교), 민병욱 교수 (연세대학교)

1. 연구의 필요성
○ (기존 전자기파 차폐재의 한계) 기존 차폐재는 전자기파가 전도체에 입사 될 때 발생하는 표면효과*에 의해 전자기파의 강도를 약화시키는 데에 초점을 맞추어 제작되어 왔음.
※ 표면효과(skin effect) : 신호의 주파수가 높아질수록 도체 표면으로 전류가 집중하는 현상
○ 흡수체의 전자기파 흡수 효율을 향상시키기 위해서는 작은 표피깊이*를 달성하기 위한 높은 전기전도도를 갖는 소재가 요구됨. 이러한 소재들은 공기 및 부도체와 계면을 이룰 때 높은 반사율을 가지게 되며 차폐재 표면에서 큰 비율의 반사가 야기되어 전자기파가 재방사되는 효과를 동반하여 의도치 않은 전자기파 간섭을 초래함.
※ 표피깊이(skin depth) : 도체에 교류가 흐르는 경우 전류밀도가 표면에 비해 36.8%로 감소하는 깊이
○ (기존 전자기파 흡수체의 한계) 이상적인 무반사 흡수체의 정의에 따르면 입사된 전자기파를 전혀 반사시키지 않고 전부 흡수하며, 현재 이용되는 벌크 형태의 순금속 기반 차폐재로는 도달하기 어려움.
○ 전자기파의 완전한 소멸이 필요한 분야 및 공정에 적용하기 위해서 기존 에는 공진형 흡수체*를 제작해 왔지만, 이는 각 구조가 특정 주파수 선택성을 가지며, 타겟 주파수 이외의 전자기파에 대해서는 효과가 급감하여 넓은 범위에 이용되지 못하는 단점이 있음.
※ 공진형(resonance) 흡수체 : 전파 흡수재료의 두께를 입사된 전자파의 1/4 파장과 같도록 설계되어 전자기파를 소멸시키는 흡수체.
2. 연구내용
1) 구조체 설계 및 실현
○ 알루미늄이 이용된 경우의 금속-산화물 불균질 흡수체의 반사율을 계산 해보면, 계면이 1개인 벌크 금속에 비해 107개의 계면을 가지는 경우 반사율이 99.97%에서 0.02%로 1,000배 이상 감소하는 것을 확인할 수 있음.
○ 합성된 금속간 화합물 Li9Al4를 I2와 아세토나이트릴 내에서 반응시켜 이차원 알루미늄 나노플레이크를 제작하였으며, 이를 진공여과하여 크기에 따라 정렬된 층상구조화가 가능하였음을 확인하였음.
○ 본 시료의 재료분석을 통해 금속/산화물의 존재 비율이 깊이가 깊어짐에 따라 증가하는 구조임을 확인함.

2) 실현된 구조체의 성능
○ 실현된 120 μm 두께의 층상구조 흡수체의 흡수/반사 효율을 측정해본 결과 1.5 GHz–10 GHz의 영역에서 26.80 dB의 흡수 효율을 가지는 데 반해 반사 효율은 0.041 dB 수준에 그치는 것을 확인함.
○ 측정된 두께 대비 흡수/반사 효율의 비율(SEA/SER)*을 현재 세계에서 발표된 논문들과 비교해 보았을 때, 세계 최초로 기존 경향성 대비 1000배 이상 높은 수치를 보이는 것을 확인함.
*SEA: 전자기파 흡수 효율 *SER: 전자기파 반사 효율

3. 연구성과/기대효과
○ 반도체 배터리 등 전자정밀부품 산업과 헬스케어 분야, 국방 및 항공 우주 분야 등 다양한 산업분야에서 사용되고 있음. 또한 차세대 통신망 (5G)과 사물인터넷(IoT) 등 무선 통신 기술의 발전으로 전자기파 차폐 환경의 중요성이 증대되고 있음.
○ 주로 반사 차폐 용도로 사용되던 금속소재를 이차원 판상형태로 가공, 필름 형태의 무반사 흡수체로 만드는 기존 흡수체 시장에 없던 소재 응용 분야를 통해 무반사 흡수체 시장의 점유율을 확보 가능할 것으로 예상됨.

그림 설명

 

 

(그림 1) 이차원 알루미늄 층상구조체를 이용한 전자기파 무반사 흡수체의 개략도
설계된 무반사 흡수체 표면에 전자기파가 입사되는 경우, 다중내부반사 메커니즘에 의해 대부분의 에너지는 흡수되어 소멸됨.
출처 : 연세대학교 신소재공학과 심우영 교수

 

 

(그림 2) 전자기파 무반사 흡수체의 설계 전략
금속/산화물 혼합물에서의 조성 기울기에 따라 달라지는 반사율의 계산 결과. 조성 차이를 가지는 계면의 개수가 증가할수록 반사율은 눈에 띄게 감소함.
출처 : 연세대학교 신소재공학과 심우영 교수

 

연구 이야기

<작성 : 연세대학교 심우영 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구팀에서는 삼원소 화합물 중 알칼리 금속을 선택적으로 에칭(etching)하여 원자단위에서 층상구조를 가지는 다양한 새로운 이차원 물질의 구현에 관한 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 이원소 화합물의 에칭을 통해 단원자 이차원 물질이 구현될 수 있는지에 대한 궁금증으로 시작되었다.

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

리튬/알루미늄 금속간 화합물의 에칭을 시도한 결과, 다양한 크기의 알루미늄 나노플레이크를 획득할 수 있었다. 알루미늄은 표면이 산화되는 고유한 성질을 가지고 있기 때문에, 제작된 나노플레이크를 크기에 따라 정렬하여 조성 기울기를 가지는 구조를 획득할 수 있었다. 이러한 구조가 전자기파 무반사 흡수체에 용이하게 이용될 수 있다는 점을 계산을 통해 확인한 후, 실험을 통해 증명할 수 있었다.

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

제작된 필름은 플레이크 간 결합이 없는 상태이기 때문에 기계적 강도가 비교적 약한 모습을 보였다. 따라서 제작 및 측정에 이르는 과정에서 깨지거나 바스러지는 모습을 보여 실험에 어려움이 있었다. 본 연구팀은 이를 상용 코팅기계를 이용하여 물리적으로 고정하는 방법을 적용하여 극복할 수 있었다.

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 전자기파 무반사 흡수체는 공진형(resonance) 구조를 이용하는 경우가 대부분이었다. 이러한 형태의 흡수체는 공정이 복잡하며, 특정 주파수 선택성을 가지는 단점이 있었다. 본 성과의 설계 전략을 이용하면 간단한 공정을 통해 넓은 범위에서 작동하는 전자기파 무반사 흡수체를 구현할 수 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

구현된 전자기파 무반사 흡수체는 다양한 종류의 전자기파 간섭을 발생시키는 전자기기에 적용될 수 있다. 특히, 현대의 무선 신호는 대부분 GHz 영역의 전자기파를 이용하기 때문에 서로 불필요한 간섭이 생길 수 있다. 본 연구의 흡수체는 해당 대역에서의 높은 흡수 효율 및 낮은 반사 효율이 검증되었으므로 의도치 않은 무선신호 간섭 방지에 이용될 경우 효과적으로 활용될 수 있다. 실용화를 위해서는 보다 대면적화가 필요할 것으로 보이며, 이를 보완하기 위해 스프레이코팅 등의 다양한 공정 방법을 시도 중에 있다.

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

기존 우리의 목표는 원자 층 수준의 알루미늄을 구현하는 것이었다. 본 연구를 이를 실현하기 위한 중간 단계로 삼아 원자 층상구조를 가지는 알루미닌(Aluminene)의 구현을 시도하고자 한다.