KR102331076B1 - 전자파 차폐 소재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본원은 지지체, 및 상기 지지체 상에 형성되고, 금속 나노 입자를 포함하는 나노 다공성 금속층을 포함하는, 전자파 차폐 소재의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

전자파 차폐 소재 및 이의 제조 방법 {ELECTROMAGNETIC SHIELDING MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본원은 전자파 차폐 소재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
전자파란 전자기파(electromagnetic wave)의 약어로서, 주기적으로 세기가 변하는 전자기장이 공간을 통해 전파해가는 현상을 의미한다. 상기 전자파는 주파수와 파장이 다양하고, 이에 따른 전자기적 특성, 광학적 특성, 물리적 특성 등이 상이하여 각종 전기 전자 기기, 통신 기기 등에 사용되고 있다.
그러나 일정 강도 이상의 전자파를 지속적으로 받을 경우, 두통, 시각 장애, 암, 뇌종양 등 다양한 문제가 발생할 수 있는 단점이 존재한다. 또한, 전파 방해(Electromagnetic interference, EMI)에 의해 전기 전자 기기가 오작동될 수 있으며, 상기 오작동은 전기 전자 기기의 집적화 및 소형화 추세에 따라 심해질 수 있다.
상기한 전자파에 의한 건강 문제 및 전기 전자 기기의 오작동 문제를 해결하기 위해서는 상기 전기 전자 기기의 케이스 또는 메인 회로에 전자파 차폐를 위한 부품을 장착할 수 있다. 종래의 전자파 차폐 소재는 평균 입도가 100 μm 인 금속 분말을 소재로 소결함으로써 제조하기 때문에 입도가 커지고, 이에 따라 디자인에 악영향이 존재할 수 있으며, 100 MPa 이상의 고압 및 900℃ 이상의 고온을 요구하여 공정 비용이 많이 소요되는 단점이 존재한다. 또한, 소결된 물질은 가벼운 충격에도 쉽게 파손될 수 있고, 두께의 조절이 어려워 소형 전자 기기에 대한 적용이 어려운 단점이 존재한다.
본원의 배경이 되는 기술인 한국등록특허공보 제10-1939899호는 전자파 차폐용 Cu-Fe 합금 및 이를 이용한 전자파 차폐제에 관한 것이다. 상기 등록특허는 Cu-Fe 합금 및 고분자 수지를 포함하는 것으로서, 상기 Cu-Fe 합금은 Fe 및 Cu 를 Fe 의 용융점 이상의 온도에서 가스 아토마이즈 법을 수행하기 때문에, 종래의 전자파 차폐 소재의 제조 방법과 같이 고온에서 수행하고 있을 뿐, 저온에서 전자파 차폐 소재를 제조하는 방법에 대해서는 인식하지 못하고 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자파 차폐 소재 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 지지체, 및 상기 지지체 상에 형성되고, 금속 나노 입자를 포함하는 나노 다공성 금속층을 포함하는, 전자파 차폐 소재를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 금속층의 기공 및 상기 금속 나노 입자에 의한 내부 반사에 의해 전자파를 차폐할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자파 차폐 소재 100 중량부를 기준으로, 상기 금속 나노 입자는 1 중량부 내지 50 중량부일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 금속층은 내부 공극 밀도가 8 g/cm3 내지 20 g/cm3 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 금속층의 기공 크기는 30 nm 내지 200 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자파 차폐 소재의 전자파 차폐율은 50 dB 내지 80 dB 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자파 차폐 소재의 두께는 1 μm 내지 10 μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노 입자는 Ag, Au, Al, Cu, Li, Pt, Fe, Ni, Co, Zr, Rh, Zn, Ti, Cr, W, Si, Mg, Nb, Ta, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 지지체는 셀룰로오스, CNT(Carbon nanotube), 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, MOF(Metal Organic Frameworks), ITO, FTO, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 지지체는 셀룰로오스, CNT, 또는 그래핀을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은 지지체 상에 금속 나노 입자층을 형성하는 단계, 및 상기 지지체 및 상기 금속 나노 입자층을 열압착하는 단계를 포함하는, 전자파 차폐 소재의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열압착에 의해 상기 금속 나노 입자층 상의 금속 나노 입자들이 소결되어 나노 다공성 구조를 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열압착 단계는 100℃ 내지 150℃ 의 온도 및 7 MPa 내지 15 MPa 압력 조건에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 단계는 감압여과(vacuum filtration), 스프레이 코팅, 디핑(dipping), 스핀 코팅, 바코팅, 노즐 프린팅, 슬롯 다이 코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 젯 프린팅(electrohydrodynamic jet printing), 전기분무(electrospray), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 방법에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 전자파 차폐 소재는 종래의 전자파 차폐 소재인 벌크 은(Ag) 포일에 비해 우수한 전자파 차폐능을 가질 수 있다.
구체적으로, 종래의 벌크 은(Ag) 포일은 표면에서 전자파를 표면에서 반사만 할 뿐, 내부로 흡수하는 특성이 적거나 없었기 때문에, 반사된 전자파가 다시 반사되어 인체에 조사되는 등의 현상이 발생하였다.
그러나, 본원에 따른 전자파 차폐 소재는, 상기 소재의 표면에서 전자파를 반사시킬 뿐만 아니라, 상기 소재의 내부로 투과된 전자파를 상기 소재의 다공성 구조 내부에서 지속적으로 반사시킴으로써 전자파를 흡수할 수 있다. 이러한 특성을 통해, 상기 전자파 차폐 소재는 박막 표면에서의 반사 뿐만 아니라 구조 내부에서 발생하는 내부 반사로 인한 흡수 특성이 높아 전체적인 차폐능이 향상될 수 있어 종래의 전자파 차폐 소재에 비해 얇고 적은 재료로 뛰어난 차폐능을 보인다.
종래의 전자파 차폐 소재는 분말 소결, 고온 합성, 전해 또는 무전해 도금, 비즈나 합금을 녹여 제조[dealloying]하였기 때문에, 제조 공정이 복잡하고 두께가 높게 형성되는 단점이 존재하였다.
그러나, 본원에 따른 전자파 차폐 소재의 제조 방법은 지지체 상에 금속 나노 입자를 배치하고, 이를 종래의 공정에 비해 상대적으로 저온 및 저압의 조건에서 소결하는 것이다. 따라서, 상기 금속 나노 입자의 양을 조절함으로써 상기 전자파 차폐 소재의 두께를 조절할 수 있다.
또한, 본원에 따른 전자파 차폐 소재의 제조 방법은 단순한 공정으로 제조될 수 있어 종래의 전자파 차폐 소재의 제조 방법에 비해 저렴한 비용으로 전자파 차폐 소재를 제조할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 전자파 차폐 소재의 제조 방법의 순서도이다.
도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 전자파 차폐 소재의 표면의 SEM 이미지이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 전자파 차폐 소재의 단면의 SEM 이미지이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 전자파 차폐 소재의 표면의 SEM 이미지이다.
도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 전자파 차폐 소재의 단면의 SEM 이미지이다.
도 6 은 본원의 일 실시예에 따른 전자파 차폐 소재의 표면의 SEM 이미지이다.
도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 전자파 차폐 소재의 단면의 SEM 이미지이다.
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 전자파 차폐 소재의 단면의 SEM 이미지이다.
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 전자파 차폐 소재의 단면의 SEM 이미지이다.
도 10 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 전자파 차폐 소재의 차폐능을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하에서는 본원의 전자파 차폐 소재 및 이의 제조 방법에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 지지체, 및 상기 지지체 상에 형성되고, 금속 나노 입자를 포함하는 나노 다공성 금속층을 포함하는, 전자파 차폐 소재를 제공한다.
본원에 따른 전자파는 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 금속층의 기공 및 상기 금속 나노 입자에 의한 내부 반사에 의해 전자파를 차폐할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 전자파는 전자기파의 일종으로서, 파장이 0.3 GHz 내지 18 GHz 인 전자기파, 즉 통신 등에 사용되는 마이크로파인 Ku 밴드, X 밴드, C 밴드, S 밴드, L 밴드 및 극초단파를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자파 차폐 소재의 내부에 들어온 전자파는 상기 전자파의 파원으로 반사될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자파 차폐 소재의 내부에 들어온 전자파는 상기 전자파 차폐 소재를 가열할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 전자파 차폐 소재에 조사된 전자파는 표면에서의 반사, 상기 소재 자체의 흡수, 및 상기 나노 다공성 금속층에 의해 발생하는 상기 소재 내부의 반사를 통한 흡수에 의해 차폐될 수 있다.
예를 들어, 상기 전자파 차폐 소재에 전자파를 조사하면, 상기 전자파의 일부는 상기 소재의 표면에서 반사되고, 상기 소재 자체에 의해 흡수될 수 있다. 상기 소재에 흡수된 전자파는 상기 소재 내부의 상기 나노 다공성 금속층에 의해 내부에서 지속적으로 반사가 발생하며, 상기 내부 반사의 과정 중 상기 전자파의 일부가 상기 나노 다공성 금속층 또는 상기 전자파 차폐 소재로 흡수됨으로써, 상기 전자파 차폐 소재는 전자파를 높은 비율로 차단할 수 있다.
전자파를 차폐하기 위해서는 회로에서 발생하는 전자파를 진행 방향과 다른 방향으로 굴절 또는 반사시키거나, 흡수 후 다른 방향으로 굴절 또는 반사시키거나, 흡수하여 물질 내부의 온도를 높임으로써 상기 전자파의 에너지를 낮추는 등의 방법을 사용할 수 있다.
그러나, 상기 전자파 차폐 소재 내부에 흡수된 전자파는 상기 금속 나노 입자 및 상기 기공에 의해 연속적으로 반사될 수 있다. 따라서, 상기 전자파의 에너지가 상기 금속 나노 입자로 흡수되지 않아 상기 전자파 차폐 소재의 온도 상승 없이 전자파가 차폐될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자파 차폐 소재 100 중량부를 기준으로, 상기 금속 나노 입자는 1 중량부 내지 50 중량부일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전자파 차폐 소재 100 중량부를 기준으로 상기 금속 나노 입자는 약 1 중량부 내지 약 50 중량부, 약 5 중량부 내지 약 50 중량부, 약 10 중량부 내지 약 50 중량부, 약 15 중량부 내지 약 50 중량부, 약 20 중량부 내지 약 50 중량부, 약 25 중량부 내지 약 50 중량부, 약 30 중량부 내지 약 50 중량부, 약 35 중량부 내지 약 50 중량부, 약 40 중량부 내지 약 50 중량부, 약 45 중량부 내지 약 50 중량부, 약 1 중량부 내지 약 5 중량부, 약 1 중량부 내지 약 10 중량부, 약 1 중량부 내지 약 15 중량부, 약 1 중량부 내지 약 20 중량부, 약 1 중량부 내지 약 25 중량부, 약 1 중량부 내지 약 30 중량부, 약 1 중량부 내지 약 35 중량부, 약 1 중량부 내지 약 40 중량부, 약 1 중량부 내지 약 45 중량부, 약 5 중량부 내지 약 45 중량부, 약 10 중량부 내지 약 40 중량부, 약 15 중량부 내지 약 35 중량부, 약 20 중량부 내지 약 30 중량부, 또는 약 25 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전자파 차폐 소재 100 중량부를 기준으로 상기 금속 나노 입자가 1 중량부 미만일 경우, 상기 전자파 차폐 소재의 전자파 차폐능은 저하될 수 있다.
후술하겠지만, 상기 금속 나노 입자의 중량부를 조절함으로써, 상기 전자파 차폐 소재의 두께 및 상기 나노 다공성 금속층의 공극 밀도 및 기공의 크기를 조절할 수 있다. 상기 전자파 차폐 소재의 두께가 높아질수록 상기 전자파 차폐 소재의 전자파 차폐능이 향상될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자파 차폐 소재의 두께는 1 μm 내지 10 μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 전자파 차폐 소재의 두께는 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 9 μm, 약 1 μm 내지 약 8 μm, 약 1 μm 내지 약 7 μm, 약 1 μm 내지 약 6 μm, 약 1 μm 내지 약 5 μm, 약 1 μm 내지 약 4 μm, 약 1 μm 내지 약 3 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 2 μm 내지 약 10 μm, 약 3 μm 내지 약 10 μm, 약 4 μm 내지 약 10 μm, 약 5 μm 내지 약 10 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm, 약 7 μm 내지 약 10 μm, 약 8 μm 내지 약 10 μm, 약 9 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 9 μm, 약 3 μm 내지 약 8 μm, 약 4 μm 내지 약 7 μm, 또는 약 5 μm 내지 약 6 μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 관련하여, 상기 전자파 차폐 소재의 두께가 클수록, 전자파 차폐율이 높아질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 금속층의 기공 크기는 30 nm 내지 200 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 나노 다공성 금속층의 기공 크기는 약 30 nm 내지 약 200 nm, 약 40 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 75 nm 내지 약 200 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 125 nm 내지 약 200 nm, 약 150 nm 내지 약 200 nm, 약 175 nm 내지 약 200 nm, 약 30 nm 내지 약 40 nm, 약 30 nm 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 75 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 125 nm, 약 30 nm 내지 약 150 nm, 약 30 nm 내지 약 175 nm, 약 40 nm 내지 약 175 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 75 nm 내지 약 125 nm, 또는 약 100 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 금속층은 내부 공극 밀도가 4 g/cm3 내지 20 g/cm3 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 나노 다공성 금속층의 내부 공극 밀도는 약 4 g/cm3 내지 약 20 g/cm3, 약 5 g/cm3 내지 약 20 g/cm3, 약 6 g/cm3 내지 약 20 g/cm3, 약 8 g/cm3 내지 약 20 g/cm3, 약 10 g/cm3 내지 약 20 g/cm3, 약 12 g/cm3 내지 약 20 g/cm3, 약 14 g/cm3 내지 약 20 g/cm3, 약 16 g/cm3 내지 약 20 g/cm3, 약 18 g/cm3 내지 약 20 g/cm3, 약 4 g/cm3 내지 약 5 g/cm3, 약 4 g/cm3 내지 약 6 g/cm3, 약 4 g/cm3 내지 약 8 g/cm3, 약 4 g/cm3 내지 약 10 g/cm3, 약 4 g/cm3 내지 약 12 g/cm3, 약 4 g/cm3 내지 약 14 g/cm3, 약 4 g/cm3 내지 약 16 g/cm3, 약 4 g/cm3 내지 약 18 g/cm3, 약 5 g/cm3 내지 약 18 g/cm3, 약 6 g/cm3 내지 약 16 g/cm3, 약 8 g/cm3 내지 약 14 g/cm3, 또는 약 10 g/cm3 내지 약 12 g/cm3 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 관련하여, 상기 내부 공극 밀도가 20 g/cm3 이상일 경우, 상기 전자파 차폐 소재의 강도가 급격히 저하될 수 있고, 상기 내부 공극 밀도가 4 g/cm3 이하일 경우 상기 전자파 차폐 소재의 전자파 흡수능이 떨어질 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자파 차폐 소재의 전자파 차폐율은 50 dB 내지 80 dB 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전자파 차폐 소재를 사용하여 전자파를 차폐할 경우, 상기 전자파 차폐 소재를 통과한 전자파의 강도는 통과하기 전의 전자파의 강도의 약 1/1,000,000 내지 약 1/1,000 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 전자파 차폐율은 차폐 물질이 있을 때의 입력된 전자파의 세기 및 차폐 물질이 없을 때의 입력된 전자파의 세기의 비율로 계산될 수 있으며, 단위는 데시벨(dB)이다. 이 때, 상기 전자파의 파장에 따라 상기 전자파 차폐율은 변화될 수 있다.
예를 들어, 상기 전자파가 극초단파(UHF)일 때 40 dB 의 전자파 차폐율이 갖는 물질이, Ku 밴드에 대해서는 60 dB 의 전자파 차폐율을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노 입자는 Ag, Au, Al, Cu, Li, Pt, Fe, Ni, Co, Zr, Rh, Zn, Ti, Cr, W, Si, Mg, Nb, Ta, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 금속 나노 입자는 Ag 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 지지체는 셀룰로오스, CNT(Carbon nanotube), 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, MOF(Metal Organic Frameworks), ITO, FTO, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
후술하겠지만, 본원에 따른 전자파 차폐 소재는 상기 지지체 및 감압 여과 방식에 의해 제조되는 것으로서, 상기 지지체는 상기 감압 여과 방식의 용매를 투과할 수 있어야 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 지지체는 셀룰로오스, CNT 또는 그래핀을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 지지체가 셀룰로오스인 경우, 상기 전자파 차폐 소재의 상면과 하면의 전기적 특성을 다르게 설정할 수 있어 야누스 특성을 가질 수 있고, 가공이 쉬운 장점이 존재한다. 또한, 상기 지지체가 CNT 또는 그래핀인 경우, 상기 지지체 자체로도 전자파 차폐 특성이 나타나 본원에 따른 전자파 차폐 소재가 CNT 또는 그래핀을 포함할 경우 뛰어난 전자파 차폐 효과를 달성할 수 있다.
또한, 본원의 제 2 측면은 지지체 상에 금속 나노 입자층을 형성하는 단계, 및 상기 지지체 및 상기 금속 나노 입자층을 열압착하는 단계를 포함하는, 전자파 차폐 소재의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 전자파 차폐 소재의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다
먼저, 지지체 상에 금속 나노 입자층을 형성한다 (S100).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 지지체는 단섬유, 장섬유, 기판, 분말 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 형태를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 단계는 감압여과(vacuum filtration), 스프레이 코팅, 디핑(dipping), 스핀 코팅, 바코팅, 노즐 프린팅, 슬롯 다이 코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 젯 프린팅(electrohydrodynamic jet printing), 전기분무(electrospray), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 방법에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 용액 상에 분산되어 존재하는 상기 지지체를 감압여과함으로써 상기 지지체가 수득될 수 있고, 상기 지지체 상에 상기 금속 나노 입자를 감압여과 또는 코팅함으로써, 상기 지지체 상에 상기 금속 나노 입자가 형성될 수 있다.
본원에 따른 감압여과는 여과의 한 종류이다. 여과란 유체를 여과 매체(filtering medium)에 통과시켜서 세공보다 큰 입자를 상기 매체의 윗부분에 퇴적시키는 것으로서, 상기 유체로부터 고체 입자를 분리하기 위한 것이다. 상기 유체는 상기 매체의 전후로 발생하는 압력차에 의해 상기 매체를 통과할 수 있으며, 상기 매체의 상류측을 대기압보다 높게 유지하는 방식과 상기 매체의 하류측을 대기압보다 낮게 유지하는 방식으로 분류될 수 있다.
본원에 따른 감압여과는 상기 매체의 하류측을 진공에 가깝게 설정함으로써 여과하는 것으로서, 진공 여과라고도 한다. 상기 감압 여과는 상기 유체의 흐름에 대한 저항이 클 경우에 수행할 수 있으며, 상기 유체, 상기 지지체, 및 상기 금속 나노 입자의 종류에 따라 감압여과 대신 중력 여과, 가압여과, 액체를 고압으로 압출하는 압착 여과, 원심력을 이용하는 원심여과 등을 수행할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 지지체 상에 형성된 상기 금속 나노 입자의 중량을 조절함으로써, 상기 전자파 차폐 소재의 두께를 조절할 수 있다.
이어서, 상기 지지체 및 상기 금속 나노 입자층을 열압착한다 (S200).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열압착에 의해 상기 금속 나노 입자층 상의 금속 나노 입자들이 소결되어 나노 다공성 구조를 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열압착 과정을 수행하지 않아도, 상기 금속 나노 입자층은 상기 지지체 상에 코팅되어 존재할 수 있고, 상기 금속 나노 입자에 의해 전자파를 반사시킬 수 있다. 그러나, 상기 열압착 과정은 상기 금속 나노 입자를 소결시킴으로써 내부에 기공을 형성하고, 상기 소결된 금속 나노 입자 및 상기 기공을 통해 상기 전자파 차폐 소재의 전자파 차폐능이 향상될 수 있다.
본원에 따른 소결은 금속의 열처리 방법의 일종으로서, 금속 물질의 녹는점보다 낮은 온도에서 장시간 열처리하는 것을 의미한다. 소결 공정을 통해 상기 금속 입자들은 서로 결합하여 응집될 수 있으며, 상기 금속 입자의 결정이 커질 수 있다.
상기 금속 나노 입자층은 소결에 의해 나노 다공성 금속층이 될 수 있다. 이 때, 상기 금속 나노 입자가 서로 결합하는 과정에서, 상기 나노 다공성 금속층의 일부 영역에는 조대화된 금속 나노 입자가 존재하고, 그 밖의 영역에는 기공이 존재할 수 있다.
상술하였듯, 상기 조대화된 금속 나노 입자 및 상기 기공에 의해 상기 전자파는 전자파 차폐 소재의 내부로 흡수될 수 있고, 상기 금속 나노 입자에 의해 반사되며 에너지를 잃을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열압착 단계는 100℃ 내지 150℃ 의 온도 및 7 MPa 내지 15 MPa 압력 조건에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
종래의 전자파 차폐 소재의 제조 방법에서 사용된 소결 공정은 900℃ 이상의 고온 및 100 MPa 이상의 고압을 요구하였기 때문에 높은 비용이 소요되었다. 또한, 소결체의 특성 상 취성이 강해 충격에 의해 쉽게 파손될 수 있고, 온도 및 압력을 버티기 위해서는 상기 소결체의 두께가 10 mm 이상이어야만 하였다.
그러나, 본원에 따른 전자파 차폐 소재는 나노 입자화된 금속을 포함하기 때문에, 종래의 공정에 비해 더 낮은 온도 및 압력 조건에서도 소결이 진행될 수 있으며, 이에 따라 두께의 조절이 용이한 장점이 존재한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열압착 단계는 5 분 내지 120 분 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 열압착 단계는 약 5 분 내지 약 120 분, 약 10 분 내지 약 120 분, 약 15 분 내지 약 120 분, 약 20 분 내지 약 120 분, 약 25 분 내지 약 120 분, 약 30 분 내지 약 120 분, 약 40 분 내지 약 120 분, 약 50 분 내지 약 120 분, 약 60 분 내지 약 120 분, 약 75 분 내지 약 120 분, 약 90 분 내지 약 120 분, 약 105 분 내지 약 120 분, 약 5 분 내지 약 10 분, 약 5 분 내지 약 15 분, 약 5 분 내지 약 20 분, 약 5 분 내지 약 25 분, 약 5 분 내지 약 30 분, 약 5 분 내지 약 40 분, 약 5 분 내지 약 50 분, 약 5 분 내지 약 60 분, 약 5 분 내지 약 75 분, 약 5 분 내지 약 90 분, 약 5 분 내지 약 105 분, 약 10 분 내지 약 105 분, 약 15 분 내지 약 90 분, 약 20 분 내지 약 75 분, 약 25 분 내지 약 60 분, 약 30 분 내지 약 50 분, 또는 약 40 분 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열압착 단계가 수행되는 시간이 길어질수록, 상기 금속 나노 입자들 사이의 소결 부위가 증가할 수 있다. 상기 금속 나노 입자의 소결성이 증가할 경우, 상기 전자파 차폐 소재의 전자파 차폐능이 향상될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1]
겔 형태의 벌크 박테리아 셀룰로오스를 분쇄하여 셀룰로오스 파이버로 제조하였다. 이어서, 상기 파이버를 물에 분산시킨 후, 상기 용액을 에탄올에 희석하여 감압여과하여 셀룰로오스 파이버를 수득하였다.
이어서, 상기 셀룰로오스 파이버 상에 Ag 나노 입자 10 mg 을 포함하는 분산액을 준비하여 감압여과함으로써, 상기 셀룰로오스 파이버 상에 Ag 나노 입자층을 형성하였다.
이 때, 상기 Ag 나노 입자층의 두께는 2 μm 이다.
도 2 는 상기 실시예 1 에 따른 전자파 차폐 소재의 표면의 SEM 이미지이고, 도 3 은 상기 실시예 1 에 따른 전자파 차폐 소재의 단면의 SEM 이미지이다.
도 2 및 도 3 을 참조하면, 열압착을 수행하지 않은 전자파 차폐 소재의 Ag 나노 입자는 서로간의 연결되지 않은 상태로 존재하는 것을 확인할 수 있다.
[실시예 2]
실시예 1 의 과정을 수행한 후, 120℃ 및 10 MPa 의 조건에서 10 분간 열압착하였다. 상기 열압착에 의해 상기 Ag 나노 입자층의 두께는 1.2 μm 로 감소하였다.
도 4 는 상기 실시예 2 에 따른 전자파 차폐 소재의 표면의 SEM 이미지이고, 도 5 는 상기 실시예 2 에 따른 전자파 차폐 소재의 단면의 SEM 이미지이다.
도 4 및 도 5 를 참조하면, 일부 Ag 나노 입자가 서로 결합된 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본원에 따른 전자파 차폐 소재의 제조 방법은 종래의 공정에 비해 저렴한 비용으로 전자파 차폐 소재를 제조할 수 있다.
[실시예 3]
상기 실시예 1 의 과정을 수행한 후, 120℃ 및 10 MPa 의 조건에서 30 분간 열압착하였다.
도 6 은 상기 실시예 3 에 따른 전자파 차폐 소재의 표면의 SEM 이미지이고, 도 7 은 상기 실시예에 따른 전자파 차폐 소재의 단면의 SEM 이미지이다.
도 4 내지 도 7 을 참조하면, 열압착 시간이 길수록 상기 Ag 나노 입자가 서로 결합된 정도가 커지는 것을 확인할 수 있다.
[실시예 4]
상기 실시예 1 의 과정에서, Ag 나노 입자층의 두께가 8 μm 가 되도록 Ag 나노 입자 48 mg 을 포함하는 분산액을 감압여과하였다. 이어서, 120℃ 및 10 MPa 의 조건에서 10 분간 열압착함으로써, 상기 Ag 나노 입자층의 두께를 4.8 μm 가 되도록 조정하였다.
도 8 은 상기 실시예 4 에 따른 전자파 차폐 소재의 표면의 SEM 이미지이고, 도 9 는 상기 실시예 4 에 따른 전자파 차폐 소재의 단면의 SEM 이미지이다.
도 2, 3, 8, 및 9 를 참조하면, 일부 Ag 나노 입자가 서로 결합된 것을 확인할 수 있고, 상기 실시예 2 (Ag 나노 입자층의 두께가 1.2 μm)에 비해 상기 실시예 4 의 전자파 차폐 소재의 기공의 크기가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
[비교예]
약 5 μm 두께를 갖는 벌크 은 포일을 전자파 차폐 소재로서 사용하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 4 의 전자파 차폐 소재 및 상기 비교예의 벌크 은 포일을 사용하여 전자파 차폐능을 비교하였다.
도 10 은 상기 실시예 2 및 4, 및 상기 비교예에 따른 전자파 차폐 소재의 차폐능을 비교한 그래프이다.
도 10 을 참조하면, 상기 실시예 2 의 전자파 차폐 소재에 비해 상기 실시예 4 의 전자파 차폐 소재의 전자파 차폐율이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 전자파 차폐 소재와 상기 벌크 은 포일은 비슷한 두께를 가지나, 상기 전자파 차폐 소재는 75 dB 의 전자파 차폐율을 갖고, 상기 벌크 은 포일은 60 dB 의 전자파 차폐율을 가졌다. 이를 통해, 본원에 따른 전자파 차폐 소재는 금속 나노 입자 및 내부의 기공에 의해 전자파 차폐능이 벌크 물질에 비해 향상된 것임을 확인할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 지지체; 및
    상기 지지체 상에 형성되고, 금속 나노 입자를 포함하는 나노 다공성 금속층;
    을 포함하는,
    전자파 차폐 소재에 있어서,
    상기 전자파 차폐 소재는 상기 나노 다공성 금속층의 기공 및 상기 금속 나노 입자에 의한 내부 반사에 의해 전자파를 차폐하고,
    상기 전자파의 에너지는 상기 금속 나노 입자에 흡수되지 않고,
    상기 나노 다공성 금속층은 상기 금속 나노 입자들이 소결된 나노 다공성 구조를 포함하고,
    상기 나노 다공성 금속층은 내부 공극 밀도가 8 g/cm3 내지 20 g/cm3 인,
    전자파 차폐 소재.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자파 차폐 소재 100 중량부를 기준으로, 상기 금속 나노 입자는 1 중량부 내지 50 중량부인 것인, 전자파 차폐 소재.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 다공성 금속층의 기공 크기는 30 nm 내지 200 nm 인, 전자파 차폐 소재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자파 차폐 소재의 전자파 차폐율은 50 dB 내지 80 dB 인, 전자파 차폐 소재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자파 차폐 소재의 두께는 1 μm 내지 10 μm 인, 전자파 차폐 소재.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 Ag, Au, Al, Cu, Li, Pt, Fe, Ni, Co, Zr, Rh, Zn, Ti, Cr, W, Si, Mg, Nb, Ta, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 전자파 차폐 소재.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체는 셀룰로오스, CNT(Carbon nanotube), 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, MOF(Metal Organic Frameworks), ITO, FTO, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 전자파 차폐 소재.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지체는 셀룰로오스, CNT 또는 그래핀을 포함하는 것인, 전자파 차폐 소재.
  11. 제 1 항에 따른 전자파 차폐 소재의 제조 방법에 있어서,
    지지체 상에 금속 나노 입자층을 형성하는 단계; 및
    상기 지지체 및 상기 금속 나노 입자층을 열압착하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 열압착에 의해 상기 금속 나노 입자층 상의 금속 나노 입자들이 소결되어 나노 다공성 구조를 형성하고,
    상기 나노 다공성 금속층은 상기 금속 나노 입자층의 금속 나노 입자보다 조대화된 금속 나노 입자를 포함하고,
    상기 나노 다공성 금속층은 내부 공극 밀도가 8 g/cm3 내지 20 g/cm3 인,
    전자파 차폐 소재의 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 열압착 단계는 100℃ 내지 150℃ 의 온도 및 7 MPa 내지 15 MPa 압력 조건에서 수행되는 것인, 전자파 차폐 소재의 제조 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자층을 형성하는 단계는 감압여과(vacuum filtration), 스프레이 코팅, 디핑(dipping), 스핀 코팅, 바코팅, 노즐 프린팅, 슬롯 다이 코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 젯 프린팅(electrohydrodynamic jet printing), 전기분무(electrospray), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 방법에 의해 수행되는 것인, 전자파 차폐 소재의 제조 방법.
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