Ex) Article Title, Author, Keywords
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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.
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
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,
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
Figure 1은 N개의 층으로 구성된 차폐 소재에 대해 거리 r만큼 떨어진 지점에서 전자기파가 입사하는 과정을 나타낸다. 여기서
전자기파의 차폐 효율(Shielding Efficiency, SE)은 입사파의 세기(
또한 전자기파가 소재부터 총 반사된 양에 대한 차폐 효율
이때,
전자기파의 발생 지점으로부터 차폐 소재까지의 거리가 매우 멀다면 전자기파를 평면파로 기술할 수 있고 차폐 효율은 아래와 같이 양도체 근사할 수 있다[47].
전자기파가 평면파 형태일 때, 전기장과 자기장 사이 관계는
위 식에 나타난 복소 파수 벡터
이다.
Equation (4)의
단일 소재에 대한 반사율 및 투과율과 측정된 산란 계수(Scattering Parameter) 사이의 관계는 아래와 같다 (Fig. 2 참고).
그리고 입사, 반사, 및 투과 전자기파 사이의 에너지 보존 관계를 이용하면 흡수율을 다음과 같이 표현할 수 있다.
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].
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
유효흡수율의 한계에 대한 대안으로, 차폐 특성의 주파수 의존성을 분석하기 위해 측정을 통해 얻은
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
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.
Figure 3에 에너지 보존 법칙 기반의 기존 차폐 특성과 유효흡수율을 이용한 분석 결과를 비교하였다. Figure 3(a)는
Figure 4은 주파수 범위
Figure 5는 세 가지 구조에 대해 측정한
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
실제 PEDOT-PSS 기반 소재의 SE 측정 결과는 시뮬레이션 예측과 유사한 양상을 나타낸다. 세 가지 구조의 각 요소에 의한 차폐 효율은
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).