전자기파 차폐 (EMI shielding) 원리, 특징, 반사&흡수, 구조

 

- EMI shielding 특징

- 반사, reflection

- 흡수, absorption

- 구조, structure

 

 

 용어 몇가지

 

EMI S = ElectroMagnetic Interface Shielding

EMI SE = ElectroMagnetic Interface Shielding Efficiency

SER = Shielding Efficiency of Reflection

SEA = Shielding Efficiency of Absroption

 

 EMI shielding 특징

 

• 공간의 특정 부분을 도체 혹은 강자성체로 둘러싸서 내부가 외부 전자기장으로부터 영향을 받지 않도록 하거나, 반대로 내부에서 발생한 전자기장이 외부에 미치지 않도록 하는 것
• 전자기파의 차폐 정도는 사용되는 물질과 두께, 차폐하려는 공간의 크기, 막으려는 전자기파의 진동수에 따라 결정된다.
• Ex) 항공기는 도체로 둘러싸여있기 때문에 번개를 맞더라도 전기장에 대해서 내부가 차폐되어 있어 내부에 아무런 영향을 주지 않고 운행할 수 있다.

 

• 보통 자유전자를 갖는 금속들은 기본적인 전자기 차폐기능을 한다.
• 그렇기에 많은 EMI S은 금속들인데, 금속들은 쉽게 부식되고 + 무겁고 + 유연하지 못한 단점을 갖는다.
• 유연한 EMI S을 위해 폴리머에 전도성 나노파티클을 첨부하여 그 성능을 판단하는 연구가 많이 진행되었다. 유연 + 가벼움을 잡으며 EMI SE를 높이기 위해 낮은 나노파티클 농도에서 EMI S하기 좋은 구조에 대한 연구도 많이 진행되었다.

기본적으로

• 전도성 물질이 고농도가 되면 ~ 높은 전기전도도를 갖고 = 차폐성능 향상
• EMI S이 두꺼워지면 ~ 전자기파 흡수 많이

 

Anju, V. P., Manoj, M., Mohanan, P., & Narayanankutty, S. K. (2019). A comparative study on electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon nanofiber and nanofibrillated cellulose composites. Synthetic Metals, 247, 285-297.

 

 반사, reflection

 

Reflection

• 물질의 전도성이 높아질수록 반사량이 커진다. (그렇기에 많은 자유전자를 가지며 높은 전도성을 보여주는 금속을 주로 EMI S 물질로써 사용하고 있다.)
• Increase dielectric loss --> more efficient reflection for EM waves(전자기파)
• 전자파가 건너가는 물질 간의 임피던스(impedance) 차이가 커질수록 효율적으로 EM wave(전자기파)를 반사한다.
• 전파가 다른 물질(impedance가 다른 물질)로 진입함에 있어, 전도성 차이로 인한 reflection 증가
• heterogeneous interface (여러 다른 종류의 물질로 이루어진 표면을 계속 건너면 반사가 잘 이뤄진다.)
• 다른물질로 이루어진 여러 층을 전자기파가 지나야 한다면, 여러 번의 반사가 일어난다.
• Porosity(다공성) 구조 = 넓은 표면적, multi reflection(반사) & absorption(흡수)이 가능하도록 해주고 + 넓은 표면적 대비 적은 부피로, 적은 양의 electrical conductivity(전기 전도성) 물질로도 효율 좋은 EMI S이 가능한 구조이다.
• 움직이는 전자(자유전자, mobile charge carriers)가 많을수록 SER이 좋아진다.
• 전도성 물질의 농도/비율 증가 = 높은 전도성 = 높은 SER

 

 흡수, absorption

 

Absorption: 반사로 일어나는 2번째 전자기파 오염을 줄이는 방법

• 넓은 표면적 = 흡수 많이
• 두꺼울수록 흡수 잘, 하지만 유연성 감소
• 임피던스 차이, 물질의 전도도 = 흡수 잘
• 전파에 먼저 닿는 filler층이 두꺼우면 reflection 많이, 나중에 두꺼우면 absorption 많이
• 단순 mix보다 layer구조가 효과적

 

 구조, structure

 

Segregated structure

: Drastically reducing filler loading in CPCs / High thickness (>1 mm) with poor mechanical properties, weak flexibility, and limited means of processing

Nacre structure (벽돌형)

Ordered lamellar structure

Tightly stacked layered structure

Cao, W., Ma, C., Tan, S., Ma, M., Wan, P., & Chen, F. (2019). Ultrathin and flexible CNTs/MXene/cellulose nanofibrils composite paper for electromagnetic interference shielding. Nano-Micro Letters, 11(1), 72.

단순 mixture보다 layer구조가 효율적

비전도성 물질이 전자기파에 먼저 노출되기 보다 전도성물질 먼저가 효율적 ~ 임피던스 mismatch를 통한 reflection과 absorption

(공기 ~ 폴리머 ~ 전도성물질 // 공기 ~ 전도성물질 ~ 폴리머) 

Zhang, L. Q., Yang, S. G., Li, L., Yang, B., Huang, H. D., Yan, D. X., ... & Li, Z. M. (2018). Ultralight cellulose porous composites with manipulated porous structure and carbon nanotube distribution for promising electromagnetic interference shielding. ACS applied materials & interfaces, 10(46), 40156-40167.

Porosity structre (다공성 구조)

Yang, W., Shao, B., Liu, T., Zhang, Y., Huang, R., Chen, F., & Fu, Q. (2018). Robust and mechanically and electrically self-healing hydrogel for efficient electromagnetic interference shielding. ACS applied materials & interfaces, 10(9), 8245-8257.

구멍을 제외한 porosity구조의 라인만 만들어 지면 되기에

비교적 적은 전도성물질의 첨가로도 구조체 형성 가능 + 충분한 효율 보임

Zhou, Z. H., Liang, Y., Huang, H. D., Li, L., Yang, B., Li, M. Z., ... & Li, Z. M. (2019). Structuring dense three-dimensional sheet-like skeleton networks in biomass-derived carbon aerogels for efficient electromagnetic interference shielding. Carbon, 152, 316-324.

Filler(주로, 대부분의 공간을 매우는 polymer 재질)를 많이 하면

구멍의 사이즈는 작아지고 구멍은 더 많아지고 밀집되면 효율 크게 증가 가능

 

 

마치며

 

얼마만큼의 에너지(dB)을 흡수/반사하느냐 + 흡수량이 많으냐 + 얼마나 얇으냐를 통해 성능을 판단한다 보여지고

성능을 개선하고 변수의 역할을 하는 요인들로

Permittivity, permeability, impedance mismatch, dielectric constant, surface area, conductivity가 있지 않나 판단됩니다 :)