npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
Qrcode

Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2025; 75: 87-96

Published online January 31, 2025 https://doi.org/10.3938/NPSM.75.87

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Frequency Dependent Electromagnetic Interference Shielding Characteristics of Planar Materials based on Transfer Matrix and Complex Scattering Parameters Analysis

전달행렬법 및 복소 산란 계수를 이용한 평판형/다중층 소재의 전자기파 차폐 특성에 대한 주파수 의존성 연구

Na Young Kim1, Young Jun Na1,2, Jihoon Choi3,4, Hyoseon Jeon1, Sunjong Lee5, Heeso Noh3, Young Ki Hong1,4*

1Department of Physics, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Korea
2DOWOOINSYS, Chengju 28101, Korea
3Department of Physics, Kookmin University, Seoul 02707, Korea
4Research Institute of Natural Science, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Korea
5Korea Institute of Industrial Technology, Cheonan 31056, Korea

Correspondence to:*ykhong@gnu.ac.kr

Received: November 28, 2024; Accepted: December 11, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

In the field of the electromagnetic interference shielding, tremendous research reports mainly have focused on the development of an advanced shielding architecture by modifying its structure and/or optimizing physical properties. It is well-known that shielding materials exhibit frequency-dependent physical properties (i.e., electrical conductivity, permittivity, and permeability, etc.). Therefore, shielding characteristics analysis should reflect this variability. In this study, we present the frequency-dependent shielding characteristics of layered structures based on a π-conjugated conducting polymer. The theoretical and experimental evaluation shows that the shielding efficiency of the multi-layered structure reached up to 29.6 dB and ∼28 dB, respectively, which are also confirmed by complex scattering parameter measurement. In addition, our analysis based on transfer matrix method clearly shows frequency-dependent shielding characteristics.

Keywords: Electromagnetic shielding, Transfer matrix method, Complex scattering parameter, Conducting polymer, Multilayer structure

전자기파 차폐 분야에서는 소재의 다양성뿐만 아니라 구조적인 변화에 대한 차폐 소재 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 전자기파에 노출된 소재는 주파수에 따라 물성이 변화하므로, 이를 반영한 차폐 특성 분석이 필요하다. 본 연구에서는 전도성 고분자인 Poly(3,4-etylenedioxythiophene)-Poly(styrenesulfonate)(PEDOT-PSS) 필름 기반 다중층 구조의 차폐 특성을 주파수 변화에 따라 계산 및 측정했다. 계산 결과로 차폐 효율(Shielding Efficiency, SE)은 약 29.6 dB에 도달했으며, SE 측정값은 약 28 dB로 계산 결과와 유사함을 확인하였다. 본 연구에서는 에너지 보존 법칙 기반의 기존 차폐 특성 분석 및 유효흡수율의 특징 및 한계를 분석하였다. 또한, 전달행렬법을 기반으로 평판형/다중층 차폐 구조에 대한 차폐 효율 및 특성이 주파수 의존 특성을 가지고 있음을 확인하였으며, 이를 복소 산란 계수 측정을 통한 실험 결과와 비교/분석하였다.

Keywords: 전자기파 차폐, 전달행렬법, 복소 산란 계수, 전도성 고분자, 다중층 구조

최근 전자기파 간섭의 차폐와 관련된 연구에서는 차폐 소재 및 구조 관점에서 다양한 결과들이 보고되고 있다. 소재 관점에서는 신소재 및 복합재의 고유한 전기적, 자기적 특성을 바탕으로 우수한 차폐 효율을 얻고자 한다. 신소재로는 MXene[1-7], Graphene[8-12], CNT[13-19] 등이 있으며 금속만큼 뛰어난 전기전도도를 가지고 있어 높은 차폐 효율을 달성할 수 있다. 그리고 금속/고분자[20-23] 또는 신소재/고분자[24-28] 기반의 복합 소재는 금속과 비슷한 전기전도도를 가지면서도 가공성이 높아 차폐 소재로서 주목받고 있다. 구조적 관점에서는 차폐 소재의 두께, 형태, 배치 방식 등이 차폐 특성에 중요한 영향을 미치는 요소로 알려져 있다. 소재의 두께 증가에 따른 차폐 성능뿐만 아니라 메쉬(Mesh)[29-33], 다공성(Porous) 구조[34-39] 및 다중층(Multi-layer)[40-44] 등 다양한 형태의 차폐 특성에 대한 연구들이 있다. 이처럼 차폐 효율은 소재의 전기전도도, 유전율, 투자율 등과 같은 물리적 특성뿐만 아니라 두께 및 구조와도 밀접한 관계가 있는 것이 실험적으로 증명되었다.

게다가 최신 연구에서는 높은 차폐 효율을 달성하면서도 전자기파의 2차 방사 가능성을 응용 목적에 따라 고려하기 위해 소재의 흡수율(Absorbance, A), 반사율(Reflectance, R) 및 차폐 효율과 직접적 관계가 있는 투과율(Transmittance, T)과 같은 차폐 특성에 대한 관심이 증가하고 있다. 차폐 특성 분석을 위한 기존의 연구는 차폐 소재에서 입사 전자기파의 세기 증폭이 없는 수동적 특성을 반영한 에너지 보존 법칙(A+R+T=1)에 기반한다. 이후 국내 연구진에 의해 제안된 유효흡수율(Effective Absorbance, Aeff) 개념[45]을 기반으로 차폐 효율이 높으면서도 흡수 특성이 주도적인 연구 결과[1-3, 5, 13, 14, 41]들이 보고되고 있다. 그러나 흡수율과 투과율(또는 반사율)은 Trade-off 관계에 있기 때문에, 자성체가 아닌 도전성 차폐 소재의 높은 유효흡수율이 입사 영역으로 되돌아나가는 전자기파의 양이 작다는 것을 의미하는지에 대한 의문이 남는다. 또한, 대부분 연구는 차폐 효율이 주파수와 무관하게 일정한 결과[1-3, 6, 8, 11-17, 23, 26, 27, 30, 34, 37, 42, 43]를 보고하고 있다. 그러나 전기전도도, 유전율, 투자율과 같은 물성은 주파수에 따라 변화하기 때문에[5, 7, 10] 차폐 특성을 분석하는데 있어서 흡수와 반사 그리고 내부다중반사를 포함한 주파수 의존성을 고려해야 할 필요가 있다.

본 연구에서는 상기 언급한 유효흡수율의 특징 및 한계에 대해 기술한 후, 이에 대한 대안으로서 소재의 복소 물성과 전달행렬법(Transfer Matrix Method)을 적용해 주파수 의존성이 나타나는 차폐 효율의 계산 및 특성을 분석하고자 한다. 전달행렬법은 입사한 전자기파와 차폐 소재 간의 경계조건을 반영해 각 매질에서의 전자기파 세기와 위상을 행렬로 표현한 방법이다. 또한 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)와 플랜지 형태의 동축 전송선(Flanged Coaxial Transmission Line) 샘플 홀더(Sample Holder)를 이용하여 10MHz1.5GHz의 주파수 범위에서 다중층 소재의 복소 산란 계수(Complex Scattering Parameter)를 측정한 후 차폐 효율을 추출하였다. 측정 결과와 이론적으로 예측한 차폐 효율의 비교를 통해 전달행렬법의 신뢰성을 입증하였다. 측정된 소재는 유리 기판 위에 전도성 고분자를 코팅한 것으로, 정밀한 결과를 얻기 위해 샘플을 부하(Load)와 기준(Reference) 형태로 가공하여 측정해야 한다. 이는 홀더의 플랜지에서 낮은 주파수 신호를 차단하는 용량성 결합(Capacitive Coupling) 효과가 발생하기 때문이다. 하지만 본 연구에 사용된 기판 소재의 특성상 Reference 구현의 한계로 인해 600MHz 이상의 주파수에서 차폐 특성을 분석하였다.

1. 전달행렬법을 이용한 차폐 효율 및 특성 분석

Figure 1N개의 층으로 구성된 차폐 소재에 대해 거리 r만큼 떨어진 지점에서 전자기파가 입사하는 과정을 나타낸다. 여기서 EI, ER, ET 는 각각 입사, 반사, 및 투과한 전기장을 의미한다.

Figure 1. Schematic diagram of electromagnetic waves incident on multilayer materials. For the Nth layer materials located at a distance r, the incident electric field is EI,E1,E2,,EN, the reflected electric field is ER,E1,E2,,EN, the transmitted electric field is ET. Here, d represents the thickness of material, and k is the propagation direction.

전자기파의 차폐 효율(Shielding Efficiency, SE)은 입사파의 세기(PI)와 투과파 세기(PT)의 비율로 정의되며 다음 Eq. (2)과 같이 전기장으로도 표현할 수 있다[46].

SE=10logPIPT=20logEIET[dB]

또한 전자기파가 소재부터 총 반사된 양에 대한 차폐 효율 SER (Reflection), 소재 내부에 흡수된 차폐 효율 SEA (Absorption) 그리고 소재 내부의 다중반사에 의한 차폐 효율 SEM (Multiple reflection)의 합으로 전체 차폐 효율(SET)과 같이 각각의 요인으로 구분하여 구할 수 있다. 이때, 차폐 소재로 자성체를 사용하거나 두께가 매우 얇은 경우에만 SEM을 고려하며 일반적으로 SEA9dB인 경우에는 무시할 수 있다[46]. 각각의 차폐 요인은 Eq. (2)와 같이 반사계수 Γ=(Z0-ZM)/(Z0+ZM), 전파인자 P=exp(-ik˜d)로 나타낼 수 있다. 여기서 Z0377Ω는 진공의 임피던스, ZM=μ/ε은 소재의 임피던스, k˜ 는 복소 파수 벡터, d 는 소재의 두께이다.

SEA=20log|P|,SER=20log|1Γ2|,SEM=20log|1Γ2P2|,SET=10log|T|=SEA+SER+SEM

이때, μ(=μ0μr)ε(=ε0εr+i(σ/ω))은 각각 물질의 투자율과 유전율이다. σ,ω는 각각 전기전도도와 각진동수, μ0, ε0는 진공의 투자율과 유전율, μr, εr은 비투자율과 비유전율이다. 본 연구에서 사용한 차폐 물질은 비자성체이므로 μr1이다.

전자기파의 발생 지점으로부터 차폐 소재까지의 거리가 매우 멀다면 전자기파를 평면파로 기술할 수 있고 차폐 효율은 아래와 같이 양도체 근사할 수 있다[47].

SE20log(1+12σdZ0)

전자기파가 평면파 형태일 때, 전기장과 자기장 사이 관계는 H=(k˜/μω)E로 경계조건을 적용하면 EI, ER, ET 사이 관계를 다음식과 같이 행렬로 나타낼 수 있다[48].

EIER=11k0 μ0 k0 μ0 1 j=1N11 k˜j μj k˜j μj exp(ik˜jdj)exp(ik˜jdj) k˜j μj exp(ik˜jdj) k˜j μj exp(ik˜jdj)11k0μ0ET

위 식에 나타난 복소 파수 벡터 k˜는 실수부 (kR)와 허수부 (kI)를 갖고 각각

kR=ωμω/21+1+(σ/(ωϵ))2,kI=ωμω/21+1+(σ/(ωϵ))2

이다.

Equation (4)의 k0는 진공의 파수 벡터를 의미한다. 이처럼 복소 물성을 반영해서 전달행렬법으로 계산한 각 전기장 사이의 관계를 Eq. (2)의 차폐 효율 정의와 결합하여 차폐 효율 및 특성에 대한 주파수 의존성을 분석할 수 있다.

2. 차폐 특성 평가 I: 에너지 보존

단일 소재에 대한 반사율 및 투과율과 측정된 산란 계수(Scattering Parameter) 사이의 관계는 아래와 같다 (Fig. 2 참고).

Figure 2. (Color online) Schematic diagram of (a) 2-ports network and scattering (S) parameter and (b) measurement system. Both ends of the flanged coaxial transmission line sample holder are connected to port 1 and port 2 of the PNA, respectively. Additionally, the specifications of the reference and load-type sample are indicated.

T=|S21|2(=|S12|2),R=|S11|2(=|S22|2)

그리고 입사, 반사, 및 투과 전자기파 사이의 에너지 보존 관계를 이용하면 흡수율을 다음과 같이 표현할 수 있다.

A+R+T=1,A=1|S21|2|S11|2

Equation (5)와 Eq. (6)를 통해 이론적으로 분석한 기존의 차폐 특성은 주파수에 무관한 특성을 가지며, 차폐 효율이 높은 비자성 도전체 기반 차폐 소재의 경우 반사에 의한 특성이 주도적 경향을 보여준다. 이는 차폐 효율과 흡수 특성이 동시에 우수한 평판형 단일층 차폐 소재의 개발은 높은 난이도를 가짐을 의미하는데, 이를 보완하기 위해 제안된 유효흡수율은 차폐 소재로 입사한 전자기파의 세기 대신에 소재 내부로 진입한 전자기파의 세기(1-R)를 기준으로 기존의 흡수율 값을 아래와 같이 보정한 것이다[45].

Aeff=1-R-T1-R=A1-R

도전체 기반의 차폐 소재는 반사 특성이 주도적이므로 차폐 소재 내부로 진입하는 전자기파의 양이 적으며, 결과적으로 투과 영역으로 빠져나가는 전자기파의 양에 영향을 미쳐서 상대적으로 높은 차폐 효율을 보여준다. 이와 같은 경우 유효흡수율은 기존의 흡수율 값보다 크게 계산되기 때문에, 반사 특성과 흡수 특성이 동시에 우수한 소재라는 에너지 보존 법칙에 위배되는 상황을 맞이하게 된다. 또한, 차폐 효율이 낮은 경우는 전자기파가 소재 내부로 침투한 양이 상대적으로 많음을 의미하며 높은 흡수율을 보여주지만 유효흡수율은 오히려 감소하게 된다. 그러나 스텔스 기술 등과 같은 실제 환경에서의 응용성을 고려할 때, 흡수 특성이 우수한 소재의 경우 |S11|은 상대적으로 크게 측정되어야 한다. 즉 전자기파의 입사 영역으로 되돌아 나가는 반사 전자기파의 양이 감소해야 하는데, 유효흡수율은 이를 반영하는 개념이 아님에 주의해야 한다. 또한, 유효흡수율을 포함한 기존의 차폐 특성 분석 결과에는 주파수 의존성이 나타나지 않는 한계가 있다.

3. 차폐 특성 평가 II: 주파수 의존성

유효흡수율의 한계에 대한 대안으로, 차폐 특성의 주파수 의존성을 분석하기 위해 측정을 통해 얻은 S11, S21을 아래의 Eq. (8)과 결합하여 ΓP를 얻는다. 이때, |Γ|1을 만족한다[49].

K=(S11)2(S21)2+12S21,Γ=K±K21,P=S11+S21Γ1(S11+S21)Γ

이 결과를 Eq. (2)에 대입하면 각각의 요인에 의한 차폐 효율의 주파수 의존성을 획득할 수 있으며, 결과 및 토의에서 그 특성 및 한계를 자세히 기술한다.

측정에 사용한 차폐 소재는 π-공액 고분자인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)를 polystyrene sulfonate (PSS)로 도핑된 도전체(이하 PEDOT-PSS) 필름에 기반하여 두 가지 방식으로 제작하였다.

첫째, 기존의 차폐 특성 및 유효흡수율 분석을 위해 면저항이 서로 다른 두 개의 샘플을 제작하였다. 은(Silver, Ag) 나노선(Nanowire, NW)을 2차원(2-Dim.) 무작위(Random) 네트워크(Network) 구조로 형성하여 면저항이 상대적으로 높은 샘플(Ag NWs Only)을 준비하였다. 면저항이 상대적으로 낮은 샘플을 준비하기 위해, 또다른 2-Dim. Ag NWs Random Network에 PEDOT-PSS를 Drop casting한 복합체(Ag NWs/PEDOT-PSS)를 제작했다. 두 샘플의 면저항은 각각 1073Ω/sq. 및 46.21Ω/sq.으로 Eq. (3)을 이용하여 역산하였다.

둘째, 차폐 효율 및 특성의 주파수 의존성 분석을 위한 기준 시료를 제작하기 위해 두께가 5mm이고 10×10cm2 크기의 유리 기판 위에 PEDOT-PSS을 Spin coating하였다. 두께는 Load 샘플의 가장자리 부분을 마이크로미터로 측정하였으며, 전체 두께에서 유리 기판의 두께를 제외한 PEDOT-PSS 두께는 약 3μm이다. 4-probe 방식으로 측정한 면저항은 20Ω/sq. 이며 다중층 소재의 차폐 특성을 얻기 위해 1–3개 기판을 겹쳐서 2중층, 4중층, 6중층으로 구성하였다.

측정시스템은 Fig. 2에 도식적으로 나타내었다. 2-port N5222b PNA Microwave Network Analyzer (Keysight Technologies, USA)를 신호 발생기 및 검출기로, Electro-Metrics 2107A SE Test Fixture를 Flanged Coaxial Transmission Line Holder로 각각 사용하였다. 10MHz1.5GHz까지의 주파수 범위에서 ASTM D4935-18 방식으로 대기압 상태에서 Scattering Parameter (S11, S21, S22, S12)을 측정했다. 이때, Port 1에서 측정 대상을 거쳐 Port 2로 통하는 신호를 S21이라고 표현한다. Complex Scattering Parameter 측정에 필수적인 Calibration은 Network Analyzer와 연결된 동축 케이블 끝단에 대해 Hewlett-Packard 85052D Kit을 이용하여 Full 2-Port Calibration을 수행하였다. 이후 케이블과 샘플 홀더를 연결하고 측정면으로 Calibration 결과를 확장(Extension)하였다. 결과를 비교하기 위해 MATLAB (MathWorks, USA)을 이용하여 차폐 효율 계산에 대한 시뮬레이션을 실시했다.

1. 유효흡수율에 대한 고찰

Figure 3에 에너지 보존 법칙 기반의 기존 차폐 특성과 유효흡수율을 이용한 분석 결과를 비교하였다. Figure 3(a)는 50MHz1.5GHz에서 상대적으로 낮은 면저항 값을 가지는 샘플(Ag NWs/PEDOT-PSS)의 S11S21dB 단위로 측정한 결과이며, 주파수의 의존성이 두드러지게 나타나지 않았음을 확인할 수 있다. 또한, S11은 전체 주파수 범위에서 ∼2 dB 이하로 측정되었는데, 이는 입사 전자기파의 대부분이 입사 영역으로 되돌아나갔음을, 즉 반사되었음을 의미한다. 그리고 이에 기인하여 S21 또는 차폐 효율은 전체 측정 주파수 범위에서 ∼20 dB을 유지하고 있다. Figure 3(b)에서는 Eq. (5)와 (6)을 이용하여 에너지 보존 법칙 기반의 기존 차폐 특성과 유효흡수율을 비교하였다. 마찬가지로 측정 범위에서 주파수 의존성이 나타나지 않고 T는 0에 가깝다. 또한 전자기파 대부분이 반사해 R은 0.7 이상이고 A는 ∼0.3 이하로 분석되었다. 반면에 소재 내부로 진입한 전자기파(1-R)를 기준으로 보정한 유효흡수율[45]은 거의 1에 가깝게 기존의 흡수율보다 훨씬 큰 값으로 증가하며 면저항이 낮은 Ag NWs/PEDOT-PSS 소재에서 흡수가 주도적으로 발생함을 의미한다. 그러나 Fig. 3(a)의 S11 측정 결과를 고려할 때, 유효흡수율이 높아도 전자기파 대부분이 입사 영역으로 반사된 결과는 변하지 않음에 유의해야 한다. Figure 3(c)에서는 상대적으로 면저항이 높은 샘플(Ag NWs Only)의 A,R,TAeff을 비교하였다. 면저항이 높아 전자기파가 소재 내부로 진행하면서 대부분이 흡수해 A는 0.9 이상이고 R은 ∼0.1 이하로 T는 거의 0에 가깝다. 즉, 차폐 효율은 낮으나 흡수 특성(A)이 주도적인 상황임을 알 수 있다. Figure 3(b)와 (c)의 비교를 통해 도전성 차폐 소재의 경우 AT (또는 R) 사이에 Trade-off 관계가 존재함을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 3(c)에 Eq. (5)을 적용한 결과 오히려 유효흡수율은 ∼0.1 정도로 감소하는데, 이와 같이 상황에 따라 다른 경향을 보여주는 유효흡수율 개념은 그 적용 범위가 매우 제한적임을 의미한다. 이와 같은 유효흡수율 개념의 특징과 한계를 종합적으로 고려할 때, 차폐 효율 및 특성의 주파수 의존성을 분석하고자 하는 본 연구의 필요성이 부각된다고 판단된다.

Figure 3. (Color online) Conventional shielding characteristics of the single-layered samples compared with effective absorbance (Aeff) with respect to their surface resistances (Rs): (a) measured S11 (black) / S21 (red) of a sample with Rs=46.21Ω/sq, (b) its corresponding A (red), R (blue), and T (black) obtained from (a), and (c) A (red), R (blue), and T (black) of another sample with Rs=1073Ω/sq. Aeff was emphasized by using solid symbol.

2. 차폐 효율 및 특성의 주파수 의존성

Figure 4은 주파수 범위 10MHz1.5GHz에서 각 2중층, 4중층, 6중층 소재의 차폐 효율 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Figure 4(a)에 나타난 2중층(PEDOT-PSS/유리 기판)의 SET는 약 19.4dB, SEA는 거의 0dB으로 일정하다. 그리고 주파수 증가함에 따라 SER은 최대 60dB에서 점차 감소하며, 반면 SEM은 약 -20dB에서 점차 증가한다. Figure 4(b)의 4중층(PEDOT-PSS/유리PEDOT-PSS/유리)은 SET가 약 25.9dB이고 Fig. 4(c)의 6중층 소재는 SET가 약 29.6dB 이다. 공통적으로 세 가지 구조에서 SERSEM이 주파수 의존성이 드러났으며 SET는 낮은 주파수 구간에서 일정하게 나타낸다. 낮은 면저항을 가지는 PEDOT-PSS로 인해 전자기파가 대부분 반사하였음을 유추할 수 있고 PEDOT-PSS의 층 수가 증가함에 따라 차폐 효율이 높아졌다.

Figure 4. (Color online) Theoretical calculation of the various SE values with respect to frequency: (a) 2 layers, (b) 4 layers, and (c) 6 layers. The red, blue, green, black symbols represent SEA,SER,SEM,SET, respectively.

Figure 5는 세 가지 구조에 대해 측정한 S11,S21로부터 Eq. (8)를 통해 얻은 SEA, SER, SEMSET와 이론값을 비교하였다. Figure 5(a)에는 ~600MHz이하 주파수에서 Sample Holder의 Flange에 의한 Capacitive Coupling 효과가 측정 결과에 반영되었다. 이로 인해 낮은 주파수 영역의 신호가 차단되어 차폐가 우수하게 발생한 것처럼 보이나, 이는 측정 시스템의 오차 요인으로 차폐 소재를 Reference 형태로 가공하여 보정할 수 있다 (Fig. 2(b) 참고). 그러나 다중층 구조에 기판 재질로 사용된 유리의 유전 특성을 고려할 때 Reference 형태의 가공이 용이하지 않은 관계로 분석 주파수 범위를 600MHz-1.5GHz로 변경하여 Capacitive Coupling 효과 값을 최대한 배제하였다. Figure 5(b)는 2–12 μm의 PEDOT-PSS 두께에 따른 차폐 효율과 3μm PEDOT-PSS 샘플의 2중층, 4중층, 6중층의 차폐 효율의 이론값과 실험값을 나타낸다. 두께가 증가할수록 전체 차폐 효율이 증가하며 동일하게 주파수에 무관한 결과를 나타낸다. 또한 PEDOT-PSS의 두께 변화에 따른 차폐 효율과 비교하면 샘플의 두께가 약 2.5μm 이하 임을 알 수 있다. 이를 통해 전달행렬법을 사용하여 얻은 이론적인 SET 값과 실험을 통해 얻은 SET 값 사이 오차는 다중층 소재의 도전성 부분의 두께 측정에 기인했음을 확인할 수 있다. Figure 5(c)–(e)에서는 2중층, 4중층, 6중층이 동일하게 SET는 주파수와 상관없이 약 17dB,24dB,28dB로 일정한 값을 가진다. 공통적으로 SER이 주도적이며 SEA5dB 이하로 낮고 SEM-20dB에서 +5dB 사이의 범위로 분석되었다. 그러나 과대평가된 총 차폐효율의 보정항으로서의 다중반사 효과를 고려할 때, 상기 양수 값은 Scattering Parameter 측정 과정에서의 오류에 기인한 것으로 추정되며, 후속 연구를 통해 이를 보완할 예정이다.

Figure 5. (Color online) Frequency-dependent SEA,SER,SEM,SET analyzed from Eq. (8): (a) 2 layers (red), 4 layer (green), and 6 layers (blue) in the frequency range of 10MHz to 1.5GHz. (b) theoretical (solid)/ experimental (open) SET (black) for the thickness of each layers. And SET of a single PEDOT-PSS (black line) with a thickness rage of 2 to 12 μm.
Panels (c–e) show the results of SEA(red),SER(blue),SEM(green),SET(black) for 2, 4, and 6 layers, respectively, in the frequency range of 600MHz to 1.5GHz.

본 연구에서는 차폐 소재의 복소 물성을 고려해서 다중층의 차폐 특성을 분석하였다. 입사한 전자기파와 투과한 전자기파 사이의 비를 쉽게 나타내기 위해 전달행렬법을 적용하였으며 이를 바탕으로 주파수의 변화에 대한 2중층, 4중층, 6중층 소재의 차폐 효율을 예측했다. 예측 결과 층수가 증가할수록 SET 또한 증가하며 SER이 우세한 반면 SEA는 거의 0dB에 가까웠다. 이는 소재가 전도성 고분자로 전도도가 높아 대부분의 전자기파가 소재의 경계에서 반사한 것을 보여준다. 또한 주파수 변화에 따라 각각의 요인에 의한 차폐 효율이 변화하였으며 이것의 합으로 인해 전체 차폐 효율 SET가 주파수에 따라 일정하게 나타났다.

실제 PEDOT-PSS 기반 소재의 SE 측정 결과는 시뮬레이션 예측과 유사한 양상을 나타낸다. 세 가지 구조의 각 요소에 의한 차폐 효율은 SER이 가장 우수하며 SEA은 거의 0dB이다. SET의 경우 2중층, 4중층, 6중층 순으로 두께가 증가할수록 증가하고 6중층 소재에서 약 28dB에 도달하였다. 다양한 PEDOT-PSS 두께 범위에서 전체 차폐 효율에 대해 전달행렬법으로 계산한 결과와 비교함으로써 해당 소재의 PEDOT-PSS 두께는 약2.5μm 이하 임을 알수 있다. 본 연구의 결과는 차폐 소재의 복소 물성을 반영하여 전달행렬법으로 계산된 차폐 특성의 신뢰성을 뒷받침한다. 다만, 소재의 특성상 분석할 수 있는 주파수의 범위가 제한적이기 때문에 후속 연구에서 독립적으로 가공 가능한 소재(free-standing)를 활용하여 넓은 주파수 범위에서 차폐 특성을 분석할 수 있을 것으로 기대된다.

This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(NRF-2021R1I1A30595091461382116530104).

  1. Z. Wang, et al., Construction of alternating multilayer MXene/WPU thin films with excellent EMI shielding performance and mechanical properties, J. Alloys Compd. 956, 170367 (2023).
    CrossRef
  2. K. Gong, et al., Ultrathin carbon layer coated MXene/PBO nanofiber films for excellent electromagnetic interference shielding and thermal stability, Compos. Part A: Appl. Sci. Manuf. 176, 107857 (2024).
    CrossRef
  3. R. Chang, et al., Hierarchically Porous MXene/Carbon Nanotube/Epoxy Composites for Effective Electromagnetic Interference Shielding and Flame Retardancy, ACS Appl. Nano Mater. 7, 3168 (2024).
    CrossRef
  4. Y. Hu, et al., Highly conductive and mechanically robust MXene@CF core-shell composites for in-situ damage sensing and electromagnetic interference shielding, Compos. Sci. Technol. 246, 110356 (2024).
    CrossRef
  5. J. Qiu, et al., One-step in-situ preparation of C/TiO2@rGO aerogel derived from Ti3C2Tx MXene for integrating microwave absorption, electromagnetic interference shielding and catalytic degradation of antibiotics, Carbon 217, 118610 (2024).
    CrossRef
  6. F. Pan, et al., Porifera-Inspired Lightweight, Thin, Wrinkle-Resistance, and Multifunctional MXene Foam, Adv. Mater. 36, 2311135 (2024).
    CrossRef
  7. P. Li, et al., Ti3C2Tx MXene- and Sulfuric Acid-Treated Double-Network Hydrogel with Ultralow Conductive Filler Content for Stretchable Electromagnetic Interference Shielding, ACS Nano 18, 2906 (2024).
    CrossRef
  8. V. T. Nguyen, et al., MXene(Ti3C2TX)/graphene/ PDMS composites for multifunctional broadband electromagnetic interference shielding skins, Chem. Eng. J. 393, 124608 (2020).
    CrossRef
  9. X. Tang, et al., Ultrathin, flexible, and oxidation-resistant MXene/graphene porous films for efficient electromagnetic interference shielding, Nano Res. 16, 1755 (2023).
    CrossRef
  10. J. Q. Wang, et al., Heterodimensional hybrids assembled with multiple-dimensional copper selenide hollow microspheres and graphene oxide nanosheets for electromagnetic energy conversion and electrochemical energy storage, Adv. Compos. Hybrid Mater. 7, 14 (2024).
    CrossRef
  11. J. C. Shu, Y. Z. Wang and M. S. Cao, PEDOT:PSS-patched magnetic graphene films with tunable dielectric genes for electromagnetic interference shielding and infrared stealth, J. Mater. Sci. Technol. 186, 28 (2024).
    CrossRef
  12. Z. He, et al., Enhancing the electromagnetic interference shielding of epoxy resin composites with hierarchically structured MXene/graphene aerogel, Compos. Part B: Eng. 274, 111230 (2024).
    CrossRef
  13. Q. Song, et al., Carbon Nanotube-Multilayered Graphene Edge Plane Core-Shell Hybrid Foams for Ultrahigh-Performance Electromagnetic-Interference Shielding, Adv. Mater. 29, 1701583 (2017).
    CrossRef
  14. Y. Yu, et al., Sandwich-structure CNT-graphene film with covalent bond for high-performance electromagnetic shielding and thermal management, Carbon 228, 119420 (2024).
    CrossRef
  15. Y. Wu, et al., Manipulating CNT Films with Atomic Precision for Absorption Effectiveness–Enhanced Electromagnetic Interference Shielding and Adaptive Infrared Camouflage, Adv. Funct. Mater., 2402193 (2024).
    CrossRef
  16. Y. Y. Shi, et al., Enhancing the Interaction of Carbon Nanotubes by Metal-Organic Decomposition with Improved Mechanical Strength and Ultra-Broadband EMI Shielding Performance, Nano-Micro Lett. 16, 134 (2024).
    CrossRef
  17. M. Patadia, et al., Enhanced multifunctionality in carbon fiber/carbon nanotube reinforced PEEK hybrid composites: Superior combination of mechanical properties, electrical conductivity, and EMI shielding, Compos. Part B: Eng. 284, 111674 (2024).
    CrossRef
  18. T. Wang, et al., Multi-layer hierarchical cellulose nanofibers/carbon nanotubes/vinasse activated carbon composite materials for supercapacitors and electromagnetic interference shielding, Nano Res. 17, 904 (2024).
    CrossRef
  19. J. Lee, et al., Single-Walled Carbon Nanotube Polyelectrolytes with a Coherent Skin Effect for Electromagnetic Interference Shielding, ACS Appl. Nano Mater. 7, 5776 (2024).
    CrossRef
  20. S. H. Ryu, et al., Absorption-dominant, low reflection EMI shielding materials with integrated metal mesh/TPU/CIP composite, Chem. Eng. J. 428, 131167 (2022).
    CrossRef
  21. H. Liu, et al., Skin-like copper/carbon nanotubes/graphene composites and low thermogenesis during electromagnetic interference shielding, J. Mater. Chem. C 11, 3010 (2023).
    CrossRef
  22. M. L. Huang, et al., In-situ microfibrilization of liquid metal droplets in polymer matrix for enhancing electromagnetic interference shielding and thermal conductivity, Compos. Sci. Technol. 255, 110724 (2024).
    CrossRef
  23. J. Huang, et al., Flexible free-standing BixSey@C/PEDOT:PSS thermoelectric composite film with high-performance electromagnetic interference shielding, Appl. Surf. Sci. 639, 158162 (2023).
    CrossRef
  24. B. Yuan, et al., Comparison of electromagnetic interference shielding properties between single-wall carbon nanotube and graphene sheet/polyaniline composites, J. Phys. D: Appl. Phys. 45, 235108 (2012).
    CrossRef
  25. N. Duan, et al., Multilayer-structured carbon fiber fabric/graphene oxide/Fe3O4/epoxy composite for highly efficient mechanical and electromagnetic interference shielding, Appl. Surf. Sci. 613, 156038 (2023).
    CrossRef
  26. X. Jiang, et al., Stretchable PEDOT:PSS/Li-TFSI/XSB Composite Films for Electromagnetic Interference Shielding, ACS Appl. Mater. Interfaces 15, 8521 (2023).
    CrossRef
  27. C. L. Luo, et al., Anisotropic electromagnetic wave shielding performance in Janus cellulose nanofiber composite films, Mater. Today Phys. 44, 101440 (2024).
    CrossRef
  28. J. Dong, et al., A Stretchable Electromagnetic Interference Shielding Fabric with Dual-Mode Passive Personal Thermal Management, Adv. Funct. Mater. 34, 2310774 (2024).
    CrossRef
  29. J. Gu, et al., Multi-layer silver nanowire/polyethylene terephthalate mesh structure for highly efficient transparent electromagnetic interference shielding, Nanotechnology 31, 185303 (2020).
    CrossRef
  30. T. Hassan, et al., Flexible, Transparent and Conductive Metal Mesh Films with Ultra-High FoM for Stretchable Heating and Electromagnetic Interference Shielding, Nano-Micro Lett. 16, 92 (2024).
    CrossRef
  31. M. Zarei, et al., Single- and Double-Layer Embedded Metal Meshes for Flexible, Highly Transparent Electromagnetic Interference Shielding, Adv. Mater. Technol. 9, 2302057 (2024).
    CrossRef
  32. M. Zarei, et al., Flexible Embedded Metal Meshes by Sputter-Free Crack Lithography for Transparent Electrodes and Electromagnetic Interference Shielding, ACS Appl. Mater. Interfaces 16, 6382 (2024).
    CrossRef
  33. J. J. Huang, D. Z. Huang, Y. S. Cho and J. Y. Wang, ITO/Cu-mesh transparent conductive film with high weather resistance and electromagnetic interference shielding effectiveness, Bull. Mater. Sci. 47, 76 (2024).
    CrossRef
  34. M. Zhang, et al., Porous and anisotropic liquid metal composites with tunable reflection ratio for low-temperature electromagnetic interference shielding, Appl. Mater. Today 19, 100612 (2020).
    CrossRef
  35. Y. Cheng, et al., The efficient absorption of electromagnetic waves by tunable N-doped multi-cavity mesoporous carbon microspheres, Carbon 201, 1115 (2023).
    CrossRef
  36. C. Xiong, et al., Multifunctional Conductive Material Based on Intelligent Porous Paper Used in Conjunction with a Vitrimer for Electromagnetic Shielding, Sensing, Joule Heating, and Antibacterial Properties, ACS Appl. Mater. Interfaces 15, 33763 (2023).
    CrossRef
  37. L. Zhang, et al., Flexible porous non-woven silk fabric based conductive composite for efficient multimodal sensing, Chem. Eng. J. 497, 154445 (2024).
    CrossRef
  38. J. Su, et al., Experimental investigation and numerical simulation on microwave thermal conversion storage properties of multi-level conductive porous phase change materials and its multifunctional applications, Appl. Therm. Eng. 253, 123774 (2024).
    CrossRef
  39. Y. Pan, et al., Effect of heat treatment on electromagnetic shielding performance of electroless copper-nickel on wood, Colloid Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 703, 135168 (2024).
    CrossRef
  40. Y. Li, et al., Flexible multilayered films consisting of alternating nanofibrillated cellulose/Fe3O4 and carbon nanotube/polyethylene oxide layers for electromagnetic interference shielding, Chem. Eng. J. 410, 128356 (2021).
    CrossRef
  41. Y. Xing, et al., Multilayer Ultrathin MXene@AgNW@MoS2 Composite Film for High-Efficiency Electromagnetic Shielding, ACS Appl. Mater. Interfaces 15, 5787 (2023).
    CrossRef
  42. X. Wang, et al., Flexible Wearable Electronic Fabrics with Dual Functions of Efficient EMI Shielding and Electric Heating for Triboelectric Nanogenerators, ACS Appl. Mater. Interfaces 15, 22762 (2023).
    CrossRef
  43. L. Wang, et al., Construction of alternating multilayer films with stable absorption-dominated electromagnetic shielding performance and reinforced mechanical properties via interface engineering, Compos. Part A: Appl. Sci. Manuf. 176, 107862 (2024).
    CrossRef
  44. Z. Liu, et al., Multi-layer carbon fiber paper @reduced graphene oxide/Co/C composite with adjustable electromagnetic interference shielding properties, Carbon 217, 118655 (2024).
    CrossRef
  45. Y. K. Hong, et al., Method and apparatus to measure electromagnetic interference shielding efficiency and its shielding characteristics in broadband frequency ranges, Rev. Sci. Instrum. 74, 1098 (2003).
    CrossRef
  46. H. W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems (Wiley, New York, 1988), p. 159.
  47. N. F. Colaneri and L. W. Shacklette, EMI shielding measurements of conductive polymer blends, IEEE Trans. Instrum. Meas. 41, 291 (1992).
    CrossRef
  48. J. Joo and C. Lee, High frequency electromagnetic interference shielding response of mixtures and multilayer films based on conducting polymers, J. Appl. Phys. 88, 513 (2000).
    CrossRef
  49. A. M. Nicolson and G. F. Ross, Measurement of the Intrinsic Properties of Materials by Time-Domain Techniques, IEEE Trans. Instrum. Meas. 19, 377 (1970).
    CrossRef

Stats or Metrics

Share this article on :

Related articles in NPSM