초경량 전자파 차폐·흡수 맥신 소재 개발… 스텔스 등 국방 기술 활용 가능 - 기계신문

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[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 구종민 센터장, 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수 및 미국 드렉셀 대학교(Drexel University) 유리 고고치(Yury Gogotsi) 교수 공동 연구팀이 기존 전자기파 간섭문제를 획기적으로 개선할 수 있는 Ti₃CN 맥신 전자파 흡수 소재를 개발하는데 성공했다. 향후 고집적 모바일 전자·통신 기기뿐 아니라 전자파 차폐 및 스텔스 등 국방 기술에도 활용 가능할 것으로 기대된다.

최근 전자·통신 장치의 고도화·고집적화로 경량 고흡수 특성의 전자파 차폐·흡수 소재 개발 필요성이 부각되고 있다. 전통적인 전자파 차폐 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 KIST 구종민 센터장 연구그룹은 2016년에 Ti₃C₂ 맥신 소재의 전자파 차폐 기술을 개발하여 사이언스(Science)지에 보고하였다. Ti₃C₂ 맥신은 티탄늄전이금속과 탄소의 화합물로, 1 나노미터(nm) 두께를 가지는 이차원 평면구조를 가지는 나노소재이다.

맥신은 금속에 비해 가볍고 저비용이며 유연인쇄 공정이 가능한 2D 나노 소재로서, 기존 금속을 능가하는 전자파 차폐 성능을 가지는 나노소재이다. 하지만 반사 유해 전자기파로 인한 2차 피해를 줄이기 위해 흡수특성 향상 기술이 필요하였다.

▲ 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.

이번 연구에서는 기존 맥신의 한계를 극복한 흡수특성이 극대화된 Ti₃CN 맥신 나노소재 기술을 개발했다. 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.

연구팀은 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 조절해, 매우 낮은 필름 두께에서도 우수한 전자기파 흡수 특성을 보이는 맥신 전자파 차폐 소재 제조 기술을 개발하였다.

머리카락 두께와 유사한 약 40 마이크로미터(μm) 두께에서 116 dB 이상의 높은 전자파 차폐 성능(EMI Shielding Effectiveness, SE)을 확보하였다.

▲ Ti₃CN 맥신 나노소재는 그림과 같이 1 나노미터 두께의 이차원 평판구조의 나노재료로서 Ti₃CN 맥신필름의 메타구조제어 위해 열처리하면 그림처럼 다공구조를 형성하게 되며, 이때 머리카락 두께와 유사한 약 40 마이크로미터 두께에서 116 dB 이상의 높은 전자파 차폐 성능(EMI SE)을 보인다.

KIST 구종민 센터장은 “이번 성과는 신규 Ti₃CN 맥신 나노소재의 층상구조 특성과 메타구조 제조 기술 접목을 통하여 우수한 흡수 성능을 구현하고 이에 대한 메커니즘을 규명한 데 큰 의미가 있다”면서 “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”고 설명했다.

이 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.

또한 연구팀은 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.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구 사업 및 한국과학기술연구원 기관고유사업과 국토교통부 건설기술연구사업의 지원으로 이뤄졌으며, 연구 성과는 국제 학술지 사이언스(Science)에 7월 24일 게재되었다.

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오상미 기자 osm@mtnews.net