나노기술 및 정책 정보

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전자 설비의 보급과 통신 기술의 신속한 발전에 따라 전자기 복사(electromagnetic radiation)는 심각한 문제점으로 대두된 상황으로서 설비의 정상적인 작동과 사용 수명에 영향을 끼칠 뿐만 아니라 인체 건강에도 영향을 끼치고 있는 상황임.

때문에 전자기 파 차폐 소재(electromagnetic wave shielding material)에 대한 연구는 많은 관심을 받고 있는 상황이며, 금속 소재는 초고(超高) 견고성과 우수한 전도성을 보유하고 있기 때문에 전자기 간섭(electromagnetic interference, EMI) 차폐 분야에서 전통적으로 선호되고 있지만 밀도가 높고, 유연성이 떨어지고 낮은 부식 저항 성능은 이미 폭넓은 사용을 제한하고 있으며, 특히 열악한 환경 속에서 사용을 제한하고 있는 상황임.

2차원(2D) 과도 금속 탄화물/탄소 질소화물(MXene)은 전망이 밝은 EMI 차폐 대체 제품으로서 경량급(輕量級) 특성, 높은 전도 비율과 우수한 내 부식성을 보유하고 있지만 인접한 2차원(2D) MXene 나노 시트 사이의 비교적 취약한 평면 내부 반데르발스(van der Waals) 상호 작용 때문에 거시적 조립 구조 결합이 취약한 상황인데 이런 상황은 필름의 취성을 발생시키고 특정한 극단 환경에서 사용하는데 문제가 되고 있음.

일반적으로 극단 조건의 EMI 차폐에 사용되는 이상적인 보호 소재는 모든 우수한 기능을 보유하고 있는데 높은 안정성, 양호한 플렉시블 특성, 내고온성, 내 부식성을 보유하고 있기 때문에 큰 도전에 직면하여 있으며, 이런 문제를 해결하기 위해 중국 스촨(四川) 대학교와 난징(南京) 이공(理工) 대학교 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 유충(worm) 상(狀)의 방향족 폴리아미드 나노섬유(aromatic polyamide nano-fiber, ANF)를 막대 형태의 미시 구조로 디자인한 후 Ti3C2Tx 자체 조립을 통해, 분층(分層)의 실체(實體) 구조를 형성하여 일종 초박(超薄), 초(超) 견고, 초(超) 유연 및 이상적인 열 안정성을 보유한 필름을 개발하였음.

막대 형태의 ANF의 강성(剛性) 대칭 방향족 고리(aromatic ring)가 프레임워크 속에서 완전히 곧게 펴져 결정 형식을 형성하게 되며, 막대 모양의 ANF는 그물 모양 구조를 강화시키는 동시에 에너지를 효과적으로 분산시키고 제거하여 금속과 유사한 기계적 성능을 얻을 수 있음. 구체적으로 전례 없는 인장 강도(Tensile strength)(300.5MPa), 높은 영스 모듈러스(Young's modulus)(13.6GPa), 접이에 견디는 우수한 내접성(folding resistance)(>10,000회)을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

더욱 중요한 점은 이런 MXene/ANF 복합 필름은 우수한 EMI 차폐 효과(8814.5 dB cm2 g –1)를 보유하고 있으며, 난연성은 100°C(355 MPa)에서 300°C(136 MPa) 온도 범위를 커버하기 때문에 동 온도 범위 내에서 폭넓은 작동을 실행할 수 있으며, >99%의 전자기파를 제거할 수 있기 때문에 특수한 극단 조건에서 잠재적인 EMI 차폐 응용을 보장할 수 있다는 점임.

연구팀은 이번 연구를 통해 ANF의 미시 구조 디자인을 통해 초박(超薄), 초(超) 유연성, 금속 레벨의 견고성, 극히 안정적인 MXene/ANF 복합 필름을 개발하는데 성공하였으며, 더욱 중요한 점은 연구팀이 개발한 나노 복합 필름이 폭넓은 작업 온도 범위(-100에서 300 °C)를 보유하고 있으며, 인장에 저항하는 강도 범위는 355에서 136MPa 수준에 달하는 동시에 EMI 차폐 성능은 안정성을 보장한다는 점임.

이런 우수한 종합 기계적 성능은 우수한 EMI 차폐 성능 및 폭넓은 작업 온도 범위 내에서 모두 우수한 적응성을 보유하고 있다는 점을 의미하고 있으며, MXene/ANF 복합 필름은 군 전자 장비, 우주 및 항공 전자 장비 분야에서의 실제적인 응용 및 웨어러블 설비 응용 분야에서 밝은 응용 전망을 보유하고 있다는 점을 입증하고 있음.

본 연구 성과는 ‘ACS Applied Materials ＆ Interfaces’ ("Metal-Level Robust, Folding Endurance, and Highly Temperature-Stable MXene-Based Film with Engineered Aramid Nanofiber for Extreme-Condition Electromagnetic Interference Shielding Applications") 지에 게재됨.