전자파 차폐/흡수 특성이 극대화 된 나노소재 개발- Ti3CN 맥신 전자파 흡수 소재로 모바일 전자/통신 기기 및 국방 기술 활용 가능

전자파 차폐/흡수 특성이 극대화 된 나노소재 개발- Ti3CN 맥신 전자파 흡수 소재로 모바일 전자/통신 기기 및 국방 기술 활용 가능

 

기초연구진흥과 작성일 2020.07.24.

 

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 -

□ 기존 차폐 소재의 한계를 극복한 초경량 전자파 차폐/흡수 맥신* 소재 기술이 개발되었다. 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

□ 한국과학기술연구원(KIST) 구종민 센터장, 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수 및 미국 드렉셀 대학교(Drexel University) 유리 고고치(Yury Gogotsi) 교수 연구팀이 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)

□ 과학기술정보통신부(장관 최기영)와 한국과학기술연구원은 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.063)에 7월 24일 03시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

□ 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.

◦ 하지만 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 있어왔다.

◦ 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㎚ (나노미터 = 10-9 m) 두께의 이차원 평면구조를 가지는 나노소재

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

◦ 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 개발하였다.

◦ 구체적으로, 머리카락 두께와 유사한 약 40 μm (마이크로미터= 10-6 m) 두께에서 116 dB 이상의 높은 전자파 차폐 성능(EMI Shielding Effectiveness, SE)을 확보하였다.

□ 본 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 협력연구체계 구축을 위한 종합적인 연구지원이 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.

□ 본 연구 수행은 과학기술정보통신부의 중견연구 사업 및 한국과학기술연구원 기관고유사업과 국토교통부 건설기술연구사업의 지원으로 이루어졌다.

<참고자료> : 1. 주요내용 설명 2. 그림 설명3. 연구 이야기 4. 연구자 소개

? 주요내용 설명

< 논문명, 저자정보 >

논문명
Anomalous Absorption of Electromagnetic Waves by 2D Transition Metal Carbonitride Ti3CN (MXene)
저 자
구종민 센터장 (교수) (교신저자/한국과학기술연구원,KU-KIST융합대학원), 유리고고치(Yury Gogotsi) 교수 (교신저자/Drexel University), 아미르 이크발 (Aamir Iqbal) (제1저자/한국과학기술연구원), 페이살 샤자드 (Faisal Shahzad) (공저자/한국과학기술연구원), 카닛 한타나시리사쿨 (Kanit Hantanasirisakul)(공저자/Drexel University), 김명기 교수 (공저자/고려대학교), 권지성 (공저자/고려대학교), 홍준표 (공저자/한국과학기술연구원), 김혜림 (공저자/한국과학기술연구원), 김대신 (공저자/한국과학기술연구원)

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 최근 전자/통신 장치의 고도화/고집적화로 경량 고흡수 특성의 전자파차폐/흡수 소재 개발 필요성이 부각되고 있다. 전통적인 전자파차폐 기술은 전기전도성이 우수한 금속 소재 중심의 기술이다. 하지만 금속이 무겁고 고비용이며 불규칙 구조에 유연인쇄 코팅공정이 어려워 고집적 전자/통신 장치 사용에 적합하지 않은 단점이 있고 전기전도성 금속의 강한 전자파 반사 특성은 반사된 유해 전자기파로 인한 2차 피해가 발생하는 문제가 있다.
○ 이러한 문제점을 극복하고자 한국과학기술연구원 (KIST) 구종민 센터장 연구그룹은 2016년에 Ti3C2 맥신 소재의 전자파 차폐 기술을 개발하여 Science지에 보고하였다. Ti3C2 맥신은 티탄늄전이금속과 탄소의 화합물로서 1 나노미터 (1 nm = 10-9 m) 두께를 가지는 이차원 평면구조를 가지는 나노소재이다. 맥신은 금속에 비해 가볍고, 저비용이며, 유연인쇄 공정이 가능한 2D 나노 소재로서 기존 금속을 능가하는 전자파차폐 성능을 가지는 나노 소재이다. 하지만, 반사 유해 전자기파로 인한 2차 피해를 줄이기 위해 흡수특성 향상 기술이 필요하였다.

2. 연구내용
○ 본 연구에서는 기존 맥신의 한계를 극복한 흡수특성이 극대화된 Ti3CN 맥신 나노소재 기술을 개발하였다. Ti3CN 맥신 소재는 티탄늄과 탄소와 질소의 화합물이다. Ti3CN 맥신은 1 나노미터 두께의 판상 구조를 가지는 Ti3C2 맥신과 구조는 유사하지만 전기전도성은 Ti3C2 비해 낮은 맥신 소재이다. 본 연구에서는 간단한 열처리를 이용한 Ti3CN 맥신 필름의 메타구조 형성 메커니즘을 밝히고, 이를 통해 맥신 필름의 유효 유전율 (effective permittivity) 및 유효 투자율 (effective permeability)을 효율적으로 조절하여 매우 낮은 필름 두께에서도 매우 우수한 전자기파 흡수 특성을 보이는 맥신 전자파차폐 소재 제조 기술을 개발하였다. 머리카락 두께와 유사한 약 40 마이크로이터 (1 μm = 10-6 m) 두께에서 116 dB 이상의 높은 전자파 차폐 성능 (EMI Shielding Effectiveness, SE)을 확보하였다.
○ 본 성과는 신규 Ti3CN 맥신 나노소재의 층상구조 특성과 메타구조 제조 기술 접목을 통하여 우수한 흡수 성능을 구현하고 이에 대한 메커니즘을 규명한 의미를 가지는 연구성과이다.

3. 연구성과/기대효과
○ 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 기대된다.
○ 본 맥신 소재는 자연계에 존재하지 않는 인공적으로 합성된 나노소재로서, 실용화를 위해서는 소재-부품-장비를 연결하는 공급망 확보가 매우 중요하며, 이를 위해 나노소재의 대량 생산 시스템, 효율적인 부품 제조 기술, 장비 적용기술 등의 협력연구체계 구축을 위한 종합적인 연구지원이 필요하다.

? 그림 설명

(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 : 한국과학기술연구원 구종민 센터장

(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 : 한국과학기술연구원 구종민 센터장

? 연구 이야기

<작성자 : 한국과학기술연구원 구종민 센터장>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근 전자/통신 장치의 고도화/고집적화로 경량 고흡수 특성의 전자파차폐/흡수 소재 개발 필요성이 부각되고 있다. 본 연구에서는 전자파차폐 특성이 탁월한 새로운 맥신 2D 나노소재 개발 및 이상적인 전자기파 차폐를 위한 고흡수 특성 나노 소재 개발을 목적으로 연구가 수행되었다. 또한 나노소재의 고흡수 특성 향상을 위한 전자파 차폐/흡수 메커니즘 이해를 목적으로 수행되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

전통적인 전자파차폐 기술은 전기전도성이 우수한 금속 소재 중심의 기술이다. 하지만 금속이 무겁고 고비용이며 불규칙 구조의 기재에 유연인쇄 코팅공정이 어려워 고집적 전자/통신 장치 사용에 적합하지 않은 단점이 있고 전기전도성 금속의 강한 전자파 반사 특성은 반사된 유해 전자기파로 인한 2차 피해가 발생하는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 극복하고자 본 연구그룹은 2016년에 Ti3C2 맥신 소재의 전자파 차폐 기술을 개발하여 Science지에 보고하였다. Ti3C2 맥신은 금속에 비해 가볍고, 저비용이며, 유연인쇄 공정이 가능한 2D 나노 소재로서 기존 금속을 능가하는 전자파차폐 성능을 가지는 세라믹 소재이다. 하지만, 반사 유해 전자기파로 인한 2차 피해를 줄이기 위해 흡수특성 향상 기술이 필요하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 새로운 맥신나노소재 개발 및 새로운 구조소재 개발 연구를 수행하였다.

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

2016년 Science지에 Ti3C2 맥신 소재의 전자파 차폐 특성 보고 이후, Ti3CN 맥신 나노소재 전자파 차폐 특성 연구를 바로 시작하였고, Ti3CN 독특한 전자파 차폐/흡수 거동을 2년전에 처음 확인하였습니다. 새로운 현상 발견으로 기쁨과 흥분이 있었지만, 이를 검증하고 해석하기 위해 많은 시간과 노력이 필요했습니다.
기존 이론으로는 도저히 설명이 되지 않는 우수한 흡수 거동 이었기때문에, 혹시 실험 및 측정 오차가 원인이 아닌지 재현성과 검증 실험을 1년 이상 진행하였고 이후 재현성이 입증된 이후 다시 1년 이상 확인된 흡수 특성을 해석하기위해 다양한 시도와 노력을 기울였습니다. 이러한 작업을 거치면서 연구팀의 연구 역량도 향상되었고, 본 현상이 Ti3CN 소재의 독특한 층상구조특성과 메타구조 형성 특성에 의해 기인함을 이해 할 수 있었습니다. 이러한 Ti3CN 소재는 향후 다양한 분야에서, 전자기파 차폐 및 흡수 소재로 응용될 것으로 기대하고 있습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구에서는 기존 맥신의 한계를 극복한 흡수특성이 극대화된 Ti3CN 맥신 나노소재 기술을 개발하였다. Ti3CN 맥신 소재는 티탄늄과 탄소와 질소의 화합물이다. Ti3CN 맥신은 1 나노미터 두께의 판상 구조를 가지는 Ti3C2 맥신과 구조는 유사하지만 전기전도성은 Ti3C2 비해 낮은 맥신 소재이다. 본 연구에서는 간단한 열처리를 통해 Ti3CN 맥신 필름의 메타구조 형성 메커니즘을 밝히고, 이를 통해 맥신 필름의 유효 유전율 (effective permittivity) 및 유효 투자율 (effective permeability)을 효율적으로 조절하여 매우 낮은 필름 두께에서도 매우 우수한 전자기파 흡수 특성을 보이는 맥신 전자파차폐 소재 제조 기술을 개발하였다. 머리카락 두께와 유사한 약 40 마이크로미터 두께에서 116 dB 이상의 높은 전자파 차폐 성능 (EMI Shielding Effectiveness, SE)을 확보하였다.
본 성과는 신규 Ti3CN 맥신 나노소재의 층상구조 특성과 메타구조 제조 기술 접목을 통하여 우수한 흡수 성능을 구현하고 이에 대한 메커니즘을 규명한 의미를 가지는 연구성과이다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

기존 소재 대비 초경량 전자파 차폐/흡수 소재 기술로서 고집적 모바일 전자/통신 기기에 전자파 차폐소재, 흡수소재로 사용이 기대되며, EMP 차폐 및 스텔스 소재로 활용이 기대된다.
본 맥신 소재는 자연계에 존재하지 않는 인간에 의해 창조된 신규 나노소재로서, 실용화를 위해서는 소재-부품-장비를 연결하는 공급망 확보가 매우 중요하며, 이를 위해 나노소재의 대량 생산 시스템, 효율적인 부품 제조 기술, 장비 적용기술등의 협력연구체계 구축을 위한 종합적인 연구지원이 필요하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

전자기파의 반사/흡수 특성 제어 기술을 매우 다양한 분야에 응용이 가능한 범용 기술이다. 특히 완전흡수체 개발은 이상적인 기술이나 그 구현이 매우 어려운 상황이다. 본 연구 결과는 Ti3CN 맥신소재를 이용한 메타구조 설계 및 흡수체 구현 가능성을 의미하며 후속 연구로 다양한 파장조건에서의 흡수체 거동 연구를 수행할 계획이다.

 

? 연구자 소개

<사진>

밝은 증명사진 필수
연구팀 단체사진 추가 가능

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<구종민 센터장(교수), 교신저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 한국과학기술연구원
(KU-KIST 융합대학원, 고려대학교 )

2. 경력사항
○ 2007 ~ 현재 한국과학기술연구원 물질구조제어센터 센터장
○ 2017 ~ 현재 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 교수
○ 2009 ~ 현재 UST, 나노정보융합전공 교수
○ 2005 ~ 2007 LG 화학 중앙연구소 석유화학연구소 차장
○ 2011, 2013 Penn State University, 재료공학과, 방문교수
○ 2017 ~ 2018 Drexel University, 재료공학과, 방문교수
○ 2007 LG 화학 연구 개발상, LG 그룹 연구 개발상
○ 2016 KIST인 상
○ 2017 송곡과학기술인상
○ 2017 LG 젊은공업화학인상 (한국공업화학회)
○ 2017 UST 최우수 교수상
○ 2018 중견학술상 (한국고분자학회)
○ 2018 이달의 과학기술인상 (9월)
○ 2019 과학기술진흥유공자포상 대통령표창

3. 전문분야 정보
○ 화학공학, 고분자공학, 재료공학 (2D 나노소재, 맥신 소재, 고분자복합소재, 전자파차폐 및 방열 소재)

4. 연구지원 정보
○ 2017 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 2017R1A2B3006469)
○ 2019 ~ 현재 국토교통과학기술진흥원‧건설기술연구사업 (건설기술연구사업, 19SCIP-B146646-02)
○ 2019 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국과학기술연구원 기관고유사업

<유리고고치 (Yury Gogotsi) 교수, 교신저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : Drexel University (재료공학과)

 

 

2. 경력사항
○ 2000 ~ 현재 Drexel University 교수 (재료공학과)
○ 2003 ~ 현재 Director, A.J. Drexel Nanomaterials Institute (DNI)
○ 2010 ~ 현재 Distinguished University Professor

3. 전문분야 정보
○ 재료공학 (나노소재, MXene, 전기화학, 전자파차폐 연구)

4. 연구지원 정보
○ 2019 ~ 현재 U.S. Department of Engery (DOE) (DESC0018618)

<사진>

밝은 증명사진 필수
연구팀 단체사진 추가 가능

(jpg 파일을 메일로 보내 주세요)

<아미르이크발 (Aamir Iqbal) 박사과정학생, 제1저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 한국과학기술연구원

 

2. 경력사항
○ 2017 ~ 현재 한국과학기술연구원 학생연구원

3. 전문분야 정보
○ 재료공학 (2D 나노재료, 전자파차폐)