WO2011108878A2 - 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법 및 전자파 차폐재 - Google Patents

그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법 및 전자파 차폐재 Download PDF

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김영진
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배수강
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T156/00—Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/10—Methods of surface bonding and/or assembly therefor

Definitions

  • the present application relates to an electromagnetic shielding method using graphene and an electromagnetic shielding material using graphene.
  • Electromagnetic waves are electromagnetic energy generated by the use of electricity and have a wide frequency range. Electromagnetic waves are domestic power frequency (60 Hz), ultra low frequency (0 Hz to 1000 Hz), low frequency (1 kHz to 500 kHz), communication frequency (500 kHz to 300 kHz), microwave (300 MHz to 300 GHz) depending on the frequency : G-10 billion) and the frequency increases in the order of infrared rays, visible rays, ultraviolet rays, X-rays, and gamma rays.
  • Electromagnetic shielding technology can be divided into a method of protecting external equipment by shielding around the source of electromagnetic waves and a method of protecting the equipment from external sources by storing the equipment inside the shielding material.
  • Recently, research on shielding materials for electromagnetic shielding has been in the spotlight, but there are still many problems in performance, applicability, cost, and the like of shielding materials.
  • the inventors of the present application to provide a method for shielding the electromagnetic waves using a graphene that can be largely prepared by chemical vapor deposition method and an electromagnetic shielding material including the graphene.
  • the electromagnetic shielding method using a graphene includes shielding the electromagnetic wave by the graphene by forming graphene on the outside or inside of the electromagnetic wave source.
  • the electromagnetic wave generating source is not particularly limited as long as it is a device or an article that generates electromagnetic waves.
  • various electronic / electrical devices and components such as a television, a radio, a computer, a medical device, an office machine, a communication device, and parts thereof may be used. But it is not limited thereto.
  • Electromagnetic wave shielding method using a graphene comprises shielding the electromagnetic wave by the graphene by attaching or wrapping (wrapping) the substrate on which graphene is formed outside or inside the electromagnetic wave source.
  • the graphene may be formed outside or inside the electromagnetic wave source by chemical vapor deposition, but is not limited thereto.
  • the graphene may include one or more layers of graphene, but is not limited thereto.
  • the graphene may be formed by transferring the graphene formed on the substrate by chemical vapor deposition to the outside or the inside of the electromagnetic wave generating source, but is not limited thereto.
  • the substrate may be, but is not limited to, a flexible substrate or a flexible transparent substrate.
  • the substrate may include a metal or a polymer, but is not limited thereto.
  • the graphene may be formed by transferring the graphene formed on the substrate by chemical vapor deposition to the outside or the inside of the electromagnetic wave generating source, but is not limited thereto.
  • the graphene may be doped, but is not limited thereto.
  • the sheet resistance of the graphene may be less than 60 ⁇ / sq, but is not limited thereto.
  • the substrate may be in the form of a foil, a wire, a plate, a tube, or a net, but is not limited thereto.
  • an electromagnetic wave shielding material includes a substrate and graphene formed on a surface of the substrate, wherein the graphene is formed by chemical vapor deposition and has a sheet resistance of 60 ⁇ / sq or less. do.
  • the graphene may include one or more layers of graphene, but is not limited thereto.
  • the graphene may be chemically doped, but is not limited thereto.
  • the substrate may be in the form of a foil, a wire, a plate, a tube, or a net, but is not limited thereto.
  • the substrate may be, but is not limited to, a flexible substrate or a flexible transparent substrate.
  • the substrate may include a metal or a polymer, but is not limited thereto.
  • the present application can efficiently shield electromagnetic waves generated from various electromagnetic wave generation sources using graphene that is uniformly manufactured in a large area. More specifically, the present application can use not only graphene but also various substrates coated with graphene to shield electromagnetic waves in a wide frequency band from about 2 GHz to about 18 GHz, as well as the chemical, physical and Structural improvement can improve the electromagnetic shielding efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a process for forming graphene on a substrate according to an embodiment of the present application and an apparatus related thereto.
  • Figure 2 is a graph showing the sheet resistance and electrical properties of the graphene according to an embodiment of the present application.
  • Figure 3 is a graph measuring the electromagnetic shielding effect of the graphene doped by various dopants in one embodiment of the present application.
  • Figure 4 is a graph measuring the electromagnetic shielding effect of the graphene formed on Cu foil and Cu foil in one embodiment of the present application.
  • 5 is a graph measuring the electromagnetic shielding effect of the Cu mesh (mesh) and the graphene formed on the Cu mesh in an embodiment of the present application.
  • Figure 7 is a graph showing the electrical characteristics according to the presence or absence of graphene on the metal substrate according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of an apparatus for measuring shielding effectiveness according to an embodiment of the present disclosure.
  • Electromagnetic shielding refers to shielding of electromagnetic interference (EMI) that is incident from the outside, and absorbs / reflects electromagnetic waves from the surface to prevent electromagnetic waves from being transferred inside.
  • EMI electromagnetic interference
  • the present application aims to efficiently shield electromagnetic waves using a large area of graphene, rather than metals or conductive organic polymers, which are conventionally used as electromagnetic shielding materials.
  • Electromagnetic shielding method using the graphene of the present application includes shielding the electromagnetic wave by the graphene by forming graphene on the outside or inside of the electromagnetic wave generation source.
  • the graphene is formed directly on the outside or inside of the electromagnetic wave generating source, or the graphene formed on the substrate is transferred to the outside or the inside of the electromagnetic wave generating source, or The electromagnetic wave can be shielded by forming the substrate on which the fin is formed, outside or inside the electromagnetic wave generating source.
  • the method for forming the graphene used as the electromagnetic shielding material can be used without particular limitation if the method is commonly used for graphene growth in the art, for example, chemical vapor deposition may be used, but is not limited thereto.
  • the chemical vapor deposition method is Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition (RTCVD), Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition (ICP-CVD), Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition (APCVD), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), and Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). May be, but is not limited now.
  • the graphene growth process may be performed at atmospheric pressure, low pressure or vacuum.
  • helium He
  • Ar heavy argon
  • hydrogen H 2
  • the treatment is performed at an elevated temperature it can synthesize high quality graphene by reducing the oxidized surface of the metal catalyst. have.
  • the graphene formed by the above-mentioned method may have a large area of lateral and / or longitudinal length of about 1 mm or more to about 1000 m, and the graphene may have a homogeneous structure with little defects.
  • the graphene prepared by the above-mentioned method may include a single layer or a plurality of layers of graphene, the electrical properties of the graphene may be changed by the thickness of the graphene, thereby electromagnetic waves The shielding effect may appear differently.
  • the thickness of the graphene may be adjusted in the range of 1 layer to 100 layers.
  • the graphene may be formed on a substrate.
  • the graphene formed on the substrate may be transferred to the outside or the inside of the electromagnetic wave source, or the substrate on which the graphene is formed may be transferred to the electromagnetic wave source.
  • Electromagnetic waves may be shielded by a method of attaching or wrapping to the outside or the inside.
  • the shape of the substrate is not particularly limited, and for example, the substrate may include a foil, a wire, a plate, a tube, or a net. Depending on the form of the substrate, the electromagnetic shielding effect may appear differently.
  • the material of the substrate is not particularly limited, for example, silicon, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, It may comprise one or more metals or alloys selected from the group consisting of U, V, Zr, brass, bronze, white brass, stainless steel and Ge, polymers.
  • the metal substrate may serve as a catalyst for forming graphene.
  • the substrate does not necessarily need to be a metal.
  • silicon may be used as the substrate, and a substrate in which a silicon oxide layer is further formed by oxidizing the silicon substrate to form a catalyst layer on the silicon substrate may be used.
  • the substrate may be a polymer substrate, and may include a polymer such as polyimide (PI), polyethersulfone (PES), polyetheretherketone (PEEK), polyethylene terephthalate (PET), or polycarbonate (PC). Can be.
  • PI polyimide
  • PES polyethersulfone
  • PEEK polyetheretherketone
  • PET polyethylene terephthalate
  • PC polycarbonate
  • the method for forming graphene on the polymer substrate may be used all of the above-mentioned chemical vapor deposition method, and more preferably by a plasma chemical vapor deposition method may be performed at a low temperature of about 100 °C to about 600 °C.
  • a catalyst layer may be further formed on the substrate to facilitate the growth of graphene.
  • the catalyst layer can be used without limitation in material, thickness, and shape.
  • the catalyst layer may be Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, brass, It may be one or more metals or alloys selected from the group consisting of bronze, cupronickel, stainless steel and Ge, and may be formed by the same or different materials as the substrate.
  • the thickness of the catalyst layer is not limited, and may be a thin film or a thick film.
  • the metal substrate in the form of a thin film or foil is placed in a tubular furnace (furnace) in the form of a roll to supply a reaction gas containing a carbon source and heat treated at atmospheric pressure
  • the carbon source may be, for example, a carbon source such as carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene, toluene and the like.
  • a carbon source such as carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene, toluene and the like.
  • the graphene film is
  • the graphene formed as described above may be transferred to the substrate by various methods.
  • the transfer method may be used without particular limitation as long as it is a transfer method of graphene commonly used in the art, for example, a dry process, a wet process, a spray process, a roll-to-roll process, and more preferably low cost.
  • a roll-to-roll process may be used, but is not limited thereto.
  • the transfer process includes rolling the graphene onto the target substrate by rolling a flexible substrate on which graphene is formed and a target substrate in contact with the graphene with a transfer roller. May include three steps.
  • the graphene growth support is formed by rolling the graphene 100 formed on the graphene growth support 110 and the flexible substrate in contact with the graphene with the first roller 10 which is an adhesive roller.
  • the graphene growth support 110 may include a metal catalyst for graphene growth and optionally an additional substrate formed thereon for graphene growth.
  • the metal catalyst for graphene growth is Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V and It may include one or more selected from the group consisting of Zr, but is not limited thereto.
  • the flexible substrate 120 may be formed with an adhesive layer, for example, the adhesive layer may be a thermal release polymer, a low density polyethylene, a low molecular polymer, a polymer polymer, or an ultraviolet or infrared curable polymer. And the like, but are not limited thereto.
  • the adhesive layer may be a thermal release polymer, a low density polyethylene, a low molecular polymer, a polymer polymer, or an ultraviolet or infrared curable polymer. And the like, but are not limited thereto.
  • the pressure-sensitive adhesive layer is PDMS, all kinds of polyurethane film, water-based pressure-sensitive adhesive, water-soluble pressure-sensitive adhesive, vinyl acetate emulsion adhesive, hot melt adhesive, photocuring (UV, visible light, electron beam, UV / EB curing)
  • adhesives NOA adhesives, PBI (Polybenizimidazole), PI (Polyimide), Silicone / imide, BMI ((Bismaleimide), modified Epoxy resin, etc.
  • various general adhesive tapes can be used.
  • a large area of graphene may be transferred from the graphene growth support to the flexible substrate by a roll-to-roll process, and a transfer process of graphene may be performed on the target substrate more easily in a short time and at a lower cost.
  • the roll-to-roll process is described in detail as a process of transferring graphene onto a substrate, but as described above, the present invention is not limited thereto.
  • Nimyeo by the various processes Yes can be transferred to the substrate in the pin.
  • shielding efficiency When electromagnetic waves are incident on the shielding material, the electromagnetic waves are absorbed, reflected, diffracted or transmitted, and the total shielding effect is called shielding efficiency and is represented by the following equation:
  • p is the volume specific resistance (W x cm)
  • F is the frequency (MHz)
  • t is the thickness of the shielding material (cm).
  • the shielding efficiency increases as the thickness of the shielding material is thick or the volume specific resistance is small.
  • the following criteria apply to the level of shielding effectiveness. There is almost no shielding effect in the range of about 0 dB to about 10 dB, and a shielding effect of a certain degree or more appears in the range of about 10 dB to about 30 dB. In the case of about 30 dB to about 60 dB region, an average shielding effect can be expected, and in the case of about 60 dB to about 90 dB region above the average, about 90 dB or more can shield almost all electromagnetic waves. In general, electromagnetic shielding material using a metal is known to have a shielding effect of about 60 dB or more.
  • Shielding method using the graphene of the present application may be used in various ways to improve the shielding efficiency, more specifically, it is possible to improve the shielding efficiency through the chemical, physical and structural improvement of the graphene.
  • a method of varying the number of graphene stacks or doping the graphene may be used, but is not limited thereto.
  • the electromagnetic shielding efficiency may be improved according to the shape of the substrate.
  • the shielding efficiency may be improved by changing the number of layers of the graphene in order to improve the electromagnetic shielding efficiency, but is not limited thereto.
  • the graphene may be formed in a plurality of layers by repeating the roll-to-roll transfer process of the graphene mentioned above, but is not limited thereto.
  • the graphene of the plurality of layers may correct the defects of the single layer graphene. More specifically, referring to FIG. 2, the sheet resistance of the graphene decreases as the number of graphenes increases. Referring to FIG.
  • graphene doped with AuCl 3 —CH 3 NO 2 according to an exemplary embodiment of the present disclosure has a sheet resistance of about 34 kV at about 140 kW / sq as the layers are sequentially stacked from one layer to four layers. / sq was reduced, and the graphene doped with HNO 3 was also confirmed that the sheet resistance of the graphene decreased from about 235 ⁇ / sq to about 62 ⁇ / sq as the first to fourth layers were sequentially stacked.
  • the doping process may be performed using a doping solution comprising a dopant or using a dopant vapor.
  • a doping solution comprising a dopant
  • a dopant vapor may be added to the container containing the doping solution. It can be formed by a heating device for vaporizing the.
  • the dopant may include one or more selected from the group consisting of an ionic liquid, an ionic gas, an acid compound, and an organic molecular compound, wherein the dopant is NO 2 BF 4 , NOBF 4 , NO 2 SbF 6 , or HCl. , H 2 PO 4 , H 3 CCOOH, H 2 SO 4 , HNO 3 , PVDF, Nafion, AuCl 3 , SOCl 2 , Br 2 , CH 3 NO 2 , dichlorodicyanoquinone, oxone, dimyristo It may include one or more selected from the group consisting of ilphosphatidylinositol and trifluoromethanesulfonimide, but is not limited thereto. In the doping process, electrical properties such as sheet resistance of graphene may be adjusted by varying dopant and / or doping time.
  • graphene doped with AuCl 3 —CH 3 NO 2 has a lower resistance than pure graphene.
  • Figure 3 shows the shielding test results for the shielding material prepared by doping the graphene of each of the four layers with a different dopant according to an embodiment of the present application. More specifically, in one embodiment, each of the four layers of graphene doped with a PET substrate, four layers of graphene doped with HNO 3 on the PET substrate, and AuCl 3 -CH 3 NO 2 on the PET substrate, respectively. The pin was used as the shield. The shielding efficiency was measured while increasing the frequency range from about 2 GHz to about 18 GHz. In one embodiment, the HNO 3 doped graphene shield with a sheet resistance of about 62 mA / sq (see FIG.
  • the shielding material had a shielding improvement of about 15%.
  • the linear resistance relationship between the sheet resistance reduction rate and the shielding rate was established according to the doping method and the graphene number.
  • the shielding efficiency when graphene formed on the substrate is used as the shielding material, the shielding efficiency may vary depending on the shape of the substrate.
  • FIG. 4 and 5 are results of analyzing the shielding efficiency of graphene according to the form of the substrate in one embodiment of the present application. More specifically, FIG. 4 used graphene formed on Cu foil as a shielding material, and FIG. 5 used graphene formed on Cu mesh as a shielding material.
  • the graphene formed on the Cu foil and the Cu mesh were all the same graphene, and the shielding efficiency of each shielding material was evaluated in the frequency range of about 2 GHz to about 18 GHz.
  • the graphene shielding material formed on the Cu foil showed the largest variation at 8 GHz compared to the shielding material consisting of Cu foil only, and the shielding efficiency was improved by about 10.6%. .
  • the shielding efficiency is improved by about 8.2% at 11 GHz.
  • the shielding material of graphene formed on the Cu mesh is about 19% at about 8 GHz and about 17% at 11 GHz, compared to a shield made of only Cu mesh. It was found that this improved.
  • the electromagnetic wave shielding method and shielding material using the graphene of the present application is a functional new material that can maximize the electromagnetic wave shielding efficiency as well as the weight reduction of the device, prevention of oxidation and surface roughness, and can be widely applied in various fields. It is expected.
  • a ⁇ 7.5 inch quartz tube was wrapped with Cu foil (thickness: 25 ⁇ m and size: 210 x 297 mm 2 , Alfa Aesar Co.) to form a roll of Cu foil and the quartz tube was ⁇ 8 inch Inserted into quartz tube and fixed. Thereafter, the quartz tube was heated to 1,000 ° C. while flowing 10 sccm H 2 at 180 mTorr. After the temperature of the quartz tube reached 1,000 ° C., it was annealed for 30 minutes while maintaining the hydrogen flow and pressure.
  • FIG. 6 is a graph of Raman spectroscopic analysis of graphene, it was confirmed that the monolayer graphene is well grown on each substrate. If necessary, a plurality of layers of graphene may be transferred onto the target substrate by repeating the above processes on the same target substrate. Referring to FIG. 8, the above-described processes may be repeatedly performed on each substrate to provide four layers. It was confirmed that graphene was formed.
  • graphene transferred onto each substrate was doped by a roll-to-roll process as shown in FIG. 1. More specifically, the dopants used AuCl 3 -CH 3 NO 2 and HNO 3 , respectively, and AuCl 3 -CH 3 NO 2 solution and 63wt% HNO 3 using a roll-to-roll transfer device as shown in FIG. The graphene was p-doped by impregnation for 5 minutes through the solution.
  • the shielding efficiency was measured as follows by the Intelligent Standard Technology (IST).
  • FIG. 9 is a photograph showing a device and a configuration for measuring the shielding effect. More specifically, the distance between the shielding material and the antenna is maintained at 40 cm in the present application, and a shielding box (mini chamber, 30 cm x 25 cm x 35 cm) specially manufactured to maximize the experimental frequency range to minimize noise. ), And generated the electromagnetic wave inside the shielding box to measure the intensity of the sweep of the general shielding material and the graphene-coated shielding material.
  • a double ridge horn antenna (R & S) was used as a transmitting horn antenna, and a double ridge horn antenna (EMCO) was used as a receiving horn antenna.
  • the signal generator is used RMP SMP02 signal generator, and inserted into the shielding box to be configured to operate wirelessly.
  • the analyzer used R3273 spectrum analyzer of ADVANTEST company.
  • the frequency band used for the experiment used a high frequency range of 2 GHz to 18 GHz, and the electric field strength used for each frequency was fixed at 124 d

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Abstract

본원은 전자파 발생원의 내부 또는 외부에 그래핀 및/또는 기재 상에 형성된 그래핀을 이용하여 전자파를 차폐시키 방법 및 그래핀을 포함하는 전자파 차폐재에 관한 것이다.

Description

그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법 및 전자파 차폐재
본원은 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법 및 그래핀을 이용한 전자파 차폐재에 관한 것이다.
전자파는 전기의 사용으로 발생하는 전자기 에너지로서, 광범위한 주파수 영역을 가진다. 전자파는 주파수에 따라 가정용 전원주파(60 Hz), 극저주파(0 Hz 내지 1000 Hz), 저주파(1 kHz 내지 500 kHz), 통신주파(500 kHz 내지 300 kHz), 마이크로웨이브(300 MHz-300 GHz: G-10억)로 분류되고 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 순으로 주파수가 높아진다.
최근에는 PC, 휴대폰 등의 디지털 기기의 급속한 보급으로 인해 직장이나 가정에까지도 전자파의 홍수를 초래하고 있으며, 이러한 전자파 장해는 컴퓨터의 오작동, 공장의 전소 사고에서부터 인체에 부정적인 영향에 이르기까지 다양하게 나타나고 있어, 다양한 전기·전자 제품에 대한 전자파 차폐 기술은 일렉트로닉스 산업의 핵심 기술 분야로 떠오르고 있다.
전자파 차폐 기술은 전자파 발생원 주변을 차폐하여 외부 장비를 보호하는 방법과 차폐 물질 내부에 장비를 보관하여 외부의 전자파 발생원으로부터 보호하는 방법으로 나눌 수 있다. 이와 관련하여, 최근에는 전자파 차폐를 위한 차폐 재료에 대한 연구가 가장 각광 받고 있으나, 아직은 차폐 재료의 성능, 적용성, 비용 등에 있어서 많은 문제가 있다.
이에, 본원의 발명자들은, 화학기상증착법에 의하여 대면적으로 제조될 수 있는 그래핀을 이용하여 전자파를 차폐하는 방법 및 상기 그래핀을 포함하는 전자파 차폐재를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본원의 일 측면에 따른 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법은 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 그래핀을 형성함으로써 상기 그래핀에 의하여 전자파를 차폐시키는 것을 포함한다. 상기 전자파 발생원은 전자파를 발생하는 장치 또는 물품이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 텔레비젼, 라디오, 컴퓨터, 의료 기구, 사무기계, 통신 장치, 이들의 부품 등과 같은 각종 전자/전기 기기 및 부품 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 다른 측면에 따른 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법은, 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 그래핀이 형성된 기재를 부착하거나 랩핑(wrapping)함으로써 상기 그래핀에 의하여 전자파를 차폐시키는 것을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 화학기상증착법에 의하여 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예시적 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 1층 이상의 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 상기 그래핀은, 화학기상증착법에 의하여 기재 상에 형성된 상기 그래핀을 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 전사하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기재는 유연성 기재, 또는 유연성 투명 기재일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에서, 상기 기재는 금속 또는 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 그래핀은, 화학기상증착법에 의하여 기재 상에 형성된 상기 그래핀을 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 전사하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 도핑(doping)된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 그래핀의 면저항은 60 Ω/sq이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기재는 호일(foil), 와이어(wire), 플래이트(plate), 튜브(tube), 또는 네트(net) 형태를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 또 다른 측면에 따른 전자파 차폐재는, 기재(substrate) 및 상기 기재 표면에 형성된 그래핀을 포함하는 전자파 차폐재로서, 상기 그래핀은 화학 기상 증착법에 의하여 형성되고 면저항이 60 Ω/sq이하인 것을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 1층 이상의 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 화학적으로 도핑(doping)된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기재는 호일(foil), 와이어(wire), 플래이트(plate), 튜브(tube), 또는 네트(net) 형태를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기재는 유연성 기재 또는 유연성 투명 기재일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기재는 금속 또는 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원은 대면적으로 균일하게 제조되는 그래핀을 이용하여 각종 전자파 발생원으로부터 발생되는 전자파를 효율적으로 차폐시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 본원은 그래핀 뿐만 아니라, 그래핀이 코팅된 다양한 기재를 이용하여 약 2 GHz 내지 약 18 GHz까지의 광범위한 주파수 대역에서 전자파를 차폐시킬 수 있을 뿐만 아니라, 그래핀의 화학적, 물리적 및 구조적 개선을 통하여 전자파 차폐 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 그래핀을 기재 상에 형성하는 공정 및 이와 관련한 장치를 보여 주는 도식도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 그래핀의 면저항 및 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 있어서 다양한 도펀트에 의해 도핑된 그래핀의 전자파 차폐 효과를 측정한 그래프이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 있어서 Cu 호일 및 Cu 호일 상에 형성된 그래핀의 전자파 차폐 효과를 측정한 그래프이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 있어서 Cu 메쉬(mesh) 및 Cu 메쉬 상에 형성된 그래핀의 전자파 차폐 효과를 측정한 그래프이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 금속 기재 상에 형성된 그래핀의 라만 분광기 분석 결과이다.
도 7는 본원의 일 실시예에 따른 금속 기재 상에 그래핀 형성 유무에 따른 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 8는 본원의 일 실시예에 있어서 다양한 기재 상에 형성된 그래핀을 관찰한 사진이다.
도 9는 본원의 일 구현예에 따른 차폐 효과 측정을 위한 장치의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 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 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약" , "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
전자파 차폐란 외부에서 입사되는 전자파간섭(EMI; electromagnetic interference)의 차폐(shield)를 의미하는 것으로, 전자파를 표면에서 흡수/반사시켜 내부로 전자파가 전이되는 것을 방지하는 것이다. 본원은 종래 전자파 차폐 재료로서 사용되던 금속이나 전도성 유기 고분자 등이 아닌, 대면적의 그래핀을 이용하여 전자파를 효율적으로 차폐시키고자 한다.
본원의 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법은 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 그래핀을 형성함으로써 상기 그래핀에 의하여 전자파를 차폐시키는 것을 포함한다.
상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 그래핀을 형성하기 위하여 다양한 방법이 사용될 수 있다. 본원의 전자파를 차폐시키는 방법의 다양한 구현예로서, 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 직접 그래핀을 형성하거나, 기재 상에 형성된 그래핀을 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 전사하거나, 또는, 상기 그래핀이 형성된 기재 자체를 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 형성함으로써 전자파를 차폐할 수 있다.
전자파 차폐 물질로 사용되는 그래핀을 형성하는 방법은 당업계에서 그래핀 성장을 위해 통상적으로 사용하는 방법이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 화학기상증착법을 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 화학기상증착법은 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 금속 유기화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 및 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD)을 포함할 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다.
상기 그래핀을 성장시키는 공정은 상압, 저압 또는 진공 하에서 수행 가능하다. 예를 들어, 상압 조건 하에서 상기 공정을 수행하는 경우 헬륨(He) 등을 캐리어 가스로 사용함으로써 고온에서 무거운 아르곤(Ar)과의 충돌에 의해 야기되는 그래핀의 손상(damage)을 최소화시킬 수 있다. 또한 상압 조건 하에서 상기 공정을 수행하는 경우, 저비용으로 간단한 공정에 의하여 대면적 그래핀 필름을 제조할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 공정이 저압 또는 진공 조건에서 수행되는 경우, 수소(H2)를 분위기 가스로 사용하며, 온도를 올리면서 처리하여 주면 금속 촉매의 산화된 표면을 환원시킴으로써 고품질의 그래핀을 합성할 수 있다.
상기 언급한 방법에 의해 형성되는 그래핀은 횡방향 및/또는 종방향 길이가 약 1 mm 이상 내지 약 1000 m 에 이르는 대면적일 수 있으며, 상기 그래핀은 결함이 거의 없는 균질한 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 언급한 방법에 의해 제조되는 그래핀은 그래핀의 단일층 또는 복수층을 포함할 수 있으며, 상기 그래핀의 두께에 의해 상기 그래핀의 전기전 특성이 변할 수 있는 바, 이에 의해 전자파 차폐 효과는 상이하게 나타날 수 있다. 비제한적 예로서, 상기 그래핀의 두께는 1 층 내지 100 층 범위에서 조절할 수 있다.
상기 그래핀은 기재 상에서 형성될 수 있으며, 이 경우, 상기 언급한 바와 같이 상기 기재 상에 형성된 그래핀을 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 전사하거나, 상기 그래핀이 형성된 기재 자체를 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 부착 또는 랩핑(wrapping)하는 방법에 의하여 전자파를 차폐시킬 수 있다. 상기 기재의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 기재는 호일(foil), 와이어(wire), 플래이트(plate), 튜브(tube), 또는 네트(net) 형태를 포함할 수 있으며, 상기 기재의 형태에 따라 전자파 차폐 효과는 상이하게 나타날 수 있다.
또한, 상기 기재의 재료는 특별히 제한 되지 않으며, 예를 들어, 실리콘, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 Ge, 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 상기 기재가 금속인 경우, 상기 금속 기재는 그래핀이 형성되기 위한 촉매 역할을 할 수 있다.
다만, 상기 기재가 반드시 금속일 필요는 없다. 예를 들어, 상기 기재로 실리콘을 사용할 수 있으며, 상기 실리콘 기재 상에 촉매층의 형성을 위해 실리콘 기재를 산화시켜 실리콘 산화물층이 추가 형성된 기재를 사용할 수 있다. 또한, 상기 기재는 고분자 기재일 수 있으며, 폴리이미드(PI), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리카보네이트(PC)와 같은 고분자를 포함할 수 있다. 상기 고분자 기재 상에 그래핀을 형성하는 방법은 상기 언급한 화학기상증착법이 모두 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 플라즈마 화학기상증착법에 의하여 약 100℃ 내지 약 600℃ 의 저온에서 수행될 수 있다.
여기서, 상기 기재 상에 그래핀의 성장을 용이하게 하기 위하여 촉매층을 추가로 형성할 수 있다. 상기 촉매층은 재료, 두께, 및 형태에 있어, 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동, 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 Ge 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금일 수 있으며, 상기 기재와 동일하거나 상이한 재료에 의해 형성될 수 있다. 또한, 상기 촉매층의 두께는 제한되지 않으며, 박막 또는 후막일 수 있다.
상기 기재 상에 그래핀을 형성하는 일 구현예에 있어서, 박막 또는 호일 형태의 금속 기재를 롤 형태로 관 형태의 로(furnace)에 넣고 탄소 소스를 포함하는 반응가스를 공급하고 상압에서 열처리 함으로써 그래핀을 성장시킬 수 있다. 상기 탄소 소스는, 예를 들어, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 등과 같은 탄소 소스를 기상으로 공급하면서, 예를 들어, 300℃ 내지 2000℃의 온도로 열처리하면 상기 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀 필름이 성장된다.
상기와 같이 형성된 그래핀은 다양한 방법에 의해 상기 기재에 전사될 수 있다. 상기 전사 방법은 당업계에서 통상적으로 사용되는 그래핀의 전사 방법이라면 특별히 제한 없이 사용 가능하며, 예를 들어, 건식 공정, 습식 공정, 스프레이 공정, 롤투롤 공정을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 저비용으로 간단한 공정에 의해 대면적의 그래핀을 전사하고자 하는 경우에는 롤투롤 공정을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 그래핀을 기재 상에 형성하는 공정 및 이와 관련한 전사 장치를 보여 주는 도식도이다. 상기 전사 공정은 그래핀이 형성되어 있는 유연성 기재 및 상기 그래핀 상에 접촉된 목적 기판을 전사 롤러(transfer roller)로 롤링하여 상기 그래핀을 상기 목적 기재 상에 전사시키는 것을 포함하는데, 보다 상세하게는 3 단계를 포함할 수 있다. 상기 3 단계는, 그래핀 성장 지지체(110) 상에 형성된 그래핀(100)과 상기 그래핀 상에 접촉된 유연성 기판을 접착 롤러(roller)인 제 1 롤러(10)로 롤링함으로써 그래핀 성장 지지체-그래핀-유연성 기판의 적층체를 형성하고; 상기 적층체를 제 2 롤러(20)를 이용하여 에칭 용액(40) 내로 함침되어 통과하도록 함으로써 상기 그래핀 성장 지지체를 에칭하여 상기 그래핀을 상기 유연성 기판(120) 상에 전사하고; 상기 그래핀이 전사된 유연성 기재 및 상기 그래핀 상에 접촉된 목적 기판(130)을 전사 롤러(transfer roller)인 제 3 롤러(30)로 롤링하여 상기 그래핀을 상기 목적 기재 상에 전사시키는 것을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 그래핀 성장 지지체(110)는 그래핀 성장을 위한 그래핀 성장을 위한 금속 촉매 및 선택적으로 그 하부에 형성된 추가적인 기판을 포함할 수 있다. 예시적인 구현예에 있어서, 상기 그래핀 성장을 위한 금속 촉매는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 유연성 기판(120)은 점착층이 형성되어 있는 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 점착층은 열 박리성(thermal release) 폴리머, 저밀도 폴리에틸렌, 저분자 폴리머, 고분자 폴리머, 또는, 자외선 또는 적외선 경화 폴리머 등을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 점착층은 PDMS, 각종 폴리 우레탄 필름의 모든 종류, 환경 친화적 점?접착제인 수계 점착제, 수용성 점착제, 초산 비닐 에멀젼 접착제, 핫멜트 접착제, 광경화용(UV, 가시광, 전자선, UV/EB 경화용) 접착제, NOA 접착제, 고내열 접착제인 PBI(Polybenizimidazole), PI(Polyimide), Silicone/imide, BMI((Bismaleimide), 변성 Epoxy 수지 등이 사용 가능하며 다양하고 일반적인 접착 테이프도 사용이 가능하다. 상기와 같이 롤투롤 공정에 의하여 상기 그래핀 성장 지지체로부터 유연성 기재 상에 대면적의 그래핀을 전사할 수 있으며, 보다 용이하게 단시간 내 저비용으로 목적 기재 상에 그래핀의 전사 공정을 수행할 수 있다. 이상에서는 그래핀을 기재 상에 전사하는 공정으로 롤투롤 공정에 대하여 상세하게 서술하였으나, 상기 언급한 바와 같이 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 공정에 의하여 상기 그래핀을 상기 기재 상에 전사할 수 있다.
차폐재에 전자파가 입사되면 전자파는 흡수, 반사, 회절, 또는 투과하며, 이때 차폐효과의 총계를 차폐 효율이라 하며 하기 식으로 표시된다:
SE = SER + SEA + SEB (1.1)
여기서 SER은 반사에 의한 감쇄(dB), SEA는 흡수에 의한 감쇄(dB), SEB는 차폐재의 내부반사에 의한 감쇄(dB)를 나타내며, 상기 식 1.1에서 SEA가 10 dB 이상인 경우 SEB는 무시될 수 있다. 또한 SER(반사에 의한 감쇄)와 SEA(흡수에 의한 감쇄)는 식 1.2 및 1.3으로 표시된다:
SER = 50 + 10 log (ρF)-1 (1.2)
SEA = 1.7 t ( F /ρ)1/2 (1.3)
여기서 ρ: 체적고유저항(W×cm), F: 주파수(MHz), t: 차폐재의 두께(cm) 를 나타낸다.
상기 식 1.2 및 식 1.3을 참조하면, 차폐 효율은 차폐재의 두께가 두꺼울 수록, 또는 체적고유저항이 적을수록 커지는 것을 알 수 있다.
일반적으로 차폐효과의 레벨(Level)은 다음의 기준이 적용된다. 약 0 dB 내지 약 10 dB영역에서는 차폐 효과가 거의 없으며, 약 10 dB 내지 약 30 dB영역에서는 일정한 정도 이상의 차폐 효과가 나타난다. 또한 약 30 dB 내지 약 60 dB영역의 경우는 평균 정도의 차폐 효과를 기대할 수 있으며, 약 60 dB 내지 약 90 dB영역은 평균 이상, 약 90 dB 이상인 경우는 거의 모든 전자파를 차폐할 수 있다. 일반적으로 금속을 이용한 전자파 차폐재는 약 60 dB 이상의 차폐 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
본원의 그래핀을 이용한 차폐 방법은 차폐 효율을 향상시키기 위하여 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 그래핀의 화학적, 물리적 및 구조적 개선을 통하여 차폐 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀의 면저항을 개선함으로써 전자파 차폐 효율을 향상시키기 위하여, 그래핀의 적층 수를 달리하거나 상기 그래핀을 도핑하는 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 기재 상에 형성된 그래핀을 차폐재로 사용하는 경우에는, 상기 전자파 차폐 효율은 상기 기재의 형태에 따라 향상될 수 있다.
전자파 차폐 효율을 향상시키기 위하여 상기 그래핀의 층 수를 달리함으로써 차폐 효율을 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기에서 언급한 그래핀의 롤투롤 전사 공정을 반복함으로써 그래핀을 복수층으로 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 복수층의 그래핀은 단층 그래핀이 갖고 있는 결함을 보정할 수 있으며, 보다 구체적으로, 도 2를 참조하면 그래핀의 면저항은 상기 그래핀의 수가 증가할 수록 감소하는 것을 알 수 있었다. 도 2a를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 AuCl3-CH3NO2로 도핑된 그래핀은 1 층에서 4 층까지 순차적으로 적층될수록 그래핀의 면저항이 약 140 Ω/sq 에서 약 34 Ω/sq 로 감소하였으며, HNO3로 도핑된 그래핀 역시 1 층에서 4 층까지 순차적으로 적층될수록 그래핀의 면저항이 약 235 Ω/sq 에서 약 62 Ω/sq로 감소한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 전자파 차폐 효율을 향상시키기 위한 다른 구현예로서, 상기 그래핀을 도펀트를 이용하여 도핑하는 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀을 도핑하는 방법은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한 없이 사용가능하며, 도 1에서와 같은 롤투롤 장치를 이용하여 도핑 할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀을 롤투롤 공정에 의해 도핑 하는 경우, 상기 그래핀의 제조, 도핑, 및 전사의 전과정이 롤투롤 공정이라는 간단하고 연속적인 공정에 의해 수행될 수 있다.
상기 도핑 과정은 도펀트를 포함하는 도핑 용액을 사용하거나 도펀트 증기를 사용하여 수행될 수 있으며, 예를 들어, 상기 도펀트 증기를 사용하는 경우, 상기 도펀트 증기는 상기 도핑 용액이 포함된 용기에 상기 도핑 용액을 기화시키기 위한 가열장치에 의하여 형성될 수 있다.
상기 도펀트는 이온성 액체, 이온성 기체, 산류 화합물 및 유기분자계 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 도펀트는, NO2BF4, NOBF4, NO2SbF6, HCl, H2PO4, H3CCOOH, H2SO4, HNO3, PVDF, 나피온(Nafion), AuCl3, SOCl2, Br2, CH3NO2, 디클로로디시아노퀴논, 옥손, 디미리스토일포스파티딜이노시톨 및 트리플루오로메탄술폰이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 도핑 과정에서 도펀트 및/또는 도핑 시간을 달리하여 그래핀의 면저항 등의 전기적 특성을 조절할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본원의 일 실시예에 있어서 다양한 도펀트에 따른 그래핀의 전기적 특성 및 차폐 효율을 보여 주는 결과이다. 보다 구체적으로, 일 실시예에 있어서, 도 2를 참조하면 AuCl3-CH3NO2로 도핑된 그래핀은 순수한 그래핀보다 저항이 감소하였다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 4층의 그래핀을 각각 다른 도펀트로 도핑하여 제조된 차폐재에 대한 차폐 실험 결과를 보여준다. 보다 구체적으로, 일 실시예에 있어서, 각각 PET 기재, 상기 PET 기재 상에 HNO3로 도핑된 4층의 그래핀, 및 상기 PET 기재 상에 AuCl3-CH3NO2로 도핑된 4 층의 그래핀을 차폐재로서 사용하였다. 주파수 영역은 약 2 GHz 내지 약 18 GHz까지 증가시켜 가면서 차폐 효율을 측정하였다. 일 실시예에 있어서, 면저항이 약 62 Ω/sq(도 2b 참조)인 HNO3 도핑된 그래핀 차폐재는 PET 차폐제와 비교하여 차폐 효율이 약 7.6 % 정도 향상되었으며, AuCl3-CH3NO2에 의해 도핑된 그래핀(면저항 약 32 Ω/sq, 도 2a 참조) 차폐재의 경우는 약 15 %의 차폐 개선효과가 있음을 확인할 수 있었다. 도 2 및 도 3의 결과를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 도핑 방법 및 그래핀수에 따라 그래핀의 면저항 감소율과 차폐율은 선형적 비례관계가 성립됨을 확인하였다.
전자파 차폐 효율을 향상을 위한 또 다른 구현예로서, 기재 상에 형성된 그래핀을 차폐재로 사용하는 경우에는 상기 기재의 형태에 따라 차폐 효율이 달라질 수 있다.
도 4 및 도 5는 본원의 일 실시예에 있어서, 기재의 형태에 따른 그래핀의 차폐 효율을 분석한 결과이다. 보다 구체적으로 도 4는 Cu 호일 상에 형성된 그래핀을 차폐재로 사용하였으며, 도 5는 Cu 메쉬(mesh)상에 형성된 그래핀을 차폐재로 사용하였다. 상기 Cu 호일 및 상기 Cu 메쉬 상에 형성되는 그래핀은 모두 동일한 그래핀을 사용하였으며, 약 2 GHz 내지 약 18 GHz 주파수 영역에서 각각의 차폐재의 차폐 효율을 평가하였다. 도 4를 참조하면, 일 실시예에 있어서, Cu 호일 상에 형성된 그래핀 차폐재는 Cu 호일 만으로 이루어진 차폐재와 비교하여 8 GHz에서 가장 큰 변화폭을 보였으며, 분석 결과 약 10.6 % 정도 차폐 효율이 개선되었다. 또한, 일 실시예에 있어서, 차폐 효율이 11 GHz 에서는 약 8.2 % 정도 효과가 향상되었다. 도 5를 참조하면, 일 실시예에 있어서, Cu 메쉬 상에 형성된 그래핀을 차폐재는 Cu 메쉬(mesh)만으로 이루어진 차폐재와 비교하여 약 8 GHz에서는 약 19%, 11 GHz 에서는 약 17% 정도 차폐 효율이 향상된 것을 알 수 있었다.
상기 언급한 바와 같이, 본원의 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법 및 차폐재는 기기의 경량화, 산화방지 및 표면 조도 개선 등의 효과와 더불어 전자파 차폐 효율을 극대화시킬 수 있는 기능성 신소재로 다양한 분야에서 폭넓게 응용 가능할 것으로 예상된다.
이하, 본원의 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법 및 그래핀 전자파 차폐재에 관하여 실시예를 자세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
1. 구리 호일 상에 대면적 그래핀의 성장
~7.5 인치 석영(quartz) 튜브를 Cu 호일(두께: 25 ㎛ 및 크기: 210 x 297 mm2, Alfa Aesar Co.)로 랩핑(wapping)하여 Cu 호일의 롤을 형성하고 상기 석영 튜브를 ~8 인치 석영 튜브 내에 삽입하여 고정하였다. 이후 180 mTorr에서 10 sccm H2 를 흘려주면서 상기 석영 튜브를 1,000℃로 가열하였다. 상기 석영 튜브의 온도가 1,000℃에 도달한 후, 상기 수소 흐름 및 압력을 유지하면서 30분 동안 아닐링하였다. 이어서, 탄소 소스를 포함하는 가스 혼합물(CH4 : H2 = 30 : 10 sccm)을 1.6 Torr에서 15분 동안 공급하여 그래핀을 상기 Cu 호일 상에 성장시킨 후 180 mTorr 압력 하에서 H2를 흘려주면서 단시간에 ~10℃/s의 속도로 실온으로 냉각하여, 상기 Cu 호일 상에 성장된 그래핀을 수득하였다.
2 . 그래핀의 전사 및 롤투롤 도핑 공정
상기 Cu 호일 상에 형성된 그래핀 상에 열 박리성 테이프(thermal release tape: (Jin Sung Chemical Co. and Nitto Denko Co.)를 접촉한 후 ~2 MPa의 약한 압력을 가하면서 2개의 롤러를 포함하는 접착 롤러를 통과시켜 상기 그래핀을 열 박리성 테이프 상에 접착시켰다. 다음, 상기 Cu 호일/그래핀/열 박리성 테이프 적층체를 0.5 M FeCl3 또는0.15M (NH4)2S2O8에칭 수용액에 함침시켜 전기화학적 반응에 의하여 상기 Cu 호일을 에칭하여 제거하여 그래핀/열 박리성 테이프 적층체를 수득한 후 상기 그래핀을 탈이온수로 세척하여 잔존하는 에칭 성분을 제거하였다. 다음으로, 상기 열 박리성 테이프에 전사된 그래핀 상에 PET, Cu 메쉬(mesh), Cu 호일을 각각 접촉한 후 이들을 90℃ 내지 120℃의 약한 열을 3 분 내지 5분 동안 가하면서 전사 롤러를 통과시켜 상기 그래핀을 상기 열 박리성 테이프로부터 분리하여 상기 PET, Cu 메쉬(mesh), Cu 호일 상으로 각각 전사하였다. 도 6은 그래핀의 라만 분광기 분석에 따른 그래프로써, 각 기재 상에 단층 그래핀이 잘 성장되어 있음을 확인하였다. 필요한 경우 동일 목적 기재 상에 상기 과정들을 반복함으로써 상기 목적 기재 상에 복수층의 그래핀을 전사할 수 있으며, 도 8을 참조하면, 각 기재 상에 상기 언급한 과정을 반복 수행하여 4층의 그래핀이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
이어서, 상기 각 기재 상에 전사된 그래핀을 도 1 에 나타낸 바와 같이 롤투롤 공정에 의하여 도핑하였다. 보다 구체적으로, 도펀트는 각각 AuCl3-CH3NO2 와 HNO3를 사용하였으며, 도1에 나타낸 바와 같은 롤투롤 전사 장치를 이용하여 각각 AuCl3-CH3NO2 용액 및 63wt% HNO3을 포함하는 용액 내로 5 분 정도 함침시켜 통과시킴으로써 상기 그래핀을 p-도핑하였다.
3. 차폐 효율 측정
그래핀의 유무에 따른 전자파 차폐율을 비교하기 위해 전자파 차폐 공인인증 기관(IST: Intelligent Standard Technology)에 의해 하기와 같이 차폐 효율을 측정하였다.
도 9는 차폐 효과 측정을 위한 장치 및 구성을 보여주는 사진이다. 보다 구체적으로, 본원에서는 차폐재와 안테나의 거리는 40 cm로 유지하였으며, 노이즈를 최소화하기 위해 실험 주파수 영역대를 최대로 차폐할 수 있도록 특수 제작된 차폐 상자(mini chamber, 30 cm x 25 cm x 35 cm)를 사용하였고, 상기 차폐 상자 내부에서 전자파를 발생시켜 일반 차폐재와 그래핀이 코팅된 차폐재의 스윕(Sweep)되는 전자파의 세기를 측정하였다. 송신 혼 안테나(transmitting horn antenna)로는 이중 리지 혼 안테나(R&S 사), 수신 혼 안테나(receiving horn antenna)로는 이중 리지 혼 안테나(EMCO 사)를 사용하였다. 또한 신호발생장치는 R&S사의 SMP02신호발생장치를 사용하였으며, 이를 상기 차폐 상자 내에 삽입시켜 무선으로 작동될 수 있도록 구성하였다. 분석장치는 ADVANTEST 사의 R3273 스펙트럼 분석기를 사용하였다. 실험을 위해 사용된 주파수대는 2 GHz 내지 18 GHz 고주파 영역을 사용하였으며, 각 주파수에 사용된 전계강도는 124 dBuV로 고정하였다.
이상에서 설명한 본원의 상세한 설명에서는 본원의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본원의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본원의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 그래핀을 형성함으로써 상기 그래핀에 의하여 전자파를 차폐시키는 것을 포함하는, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀은 화학기상증착법에 의하여 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 형성되는 것인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀은, 화학기상증착법에 의하여 기재 상에 형성된 상기 그래핀을 상기 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 전사하여 형성되는 것인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀은 도핑(doping)된 것인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀의 면저항은 60 Ω/sq이하인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 기재는 금속 또는 고분자를 포함하는 것인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  7. 전자파 발생원의 외부 또는 내부에 그래핀이 형성된 기재를 부착하거나 랩핑(wrpping)함으로써 상기 그래핀에 의하여 전자파를 차폐시키는 것을 포함하는, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 그래핀은 화학기상증착법에 의하여 상기 기재 상에 형성되는 것인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 그래핀은 도핑(doping)된 것인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 그래핀의 면저항은 60 Ω/sq이하인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 기재는 호일(foil), 와이어(wire), 플래이트(plate), 튜브(tube), 또는 네트(net) 형태를 포함하는 것인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 기재는 금속 또는 고분자를 포함하는 것인, 그래핀을 이용한 전자파 차폐 방법.
  13. 기재(substrate); 및
    상기 기재 표면에 형성된 그래핀을 포함하는 전자파 차폐재로서,
    상기 그래핀은 화학기상증착법에 의하여 형성되고 면저항이 60 Ω/sq 이하인 것인, 전자파 차폐재.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 그래핀은 도핑(doping)된 것인, 전자파 차폐재.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기재는 호일(foil), 와이어(wire), 플래이트(plate), 튜브(tube), 또는 네트(net) 형태를 포함하는 것인, 전자파 차폐재.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 기재는 금속 또는 고분자를 포함하는 것인. 전자파 차폐재.
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