EXIM 전자파 차폐막을 플렉서블 소자 표면에 부착한 모습.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 머리카락 1/100 굵기로 전자파를 완벽하게 차단하는 신기술이 개발됐다. 향후 차세대 반도체 패키징, 스마트기기, 플렉서블 전자소자 등 분야에서 폭넓은 응용이 기대된다.

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학과 연한울 교수 연구팀이 서울대학교 주영창 교수, 고려대학교 김명기 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 이성수 박사 연구진과 공동으로 세계 최고 수준의 초박막 전자파 차폐 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 금속과 ‘맥신(MXene)’ 소재를 결합한 새로운 이종접합 구조를 고안, 전자파 차폐막의 두께를 획기적으로 줄이면서도 성능을 최대 100배 이상 향상시킬 수 있는 소재 및 공정 기술을 개발했다.

이번 연구성과는 세계 최고 권위 과학저널 ‘네이처(Nature)’에 30일 온라인으로 게재됐다.

전자기기에서 발생하는 전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)은 통신 오류나 오작동, 발열 등을 유발해 기기의 성능과 안정성을 떨어뜨린다.

EMI 차폐 기술은 반도체 패키징과 스마트기기 설계의 핵심 요소로 꼽히지만, 기존 금속 기반 차폐막은 두껍고 무거워 소형화·유연화가 필요한 최신 전자기기에는 적용이 어려웠다.

이러한 한계를 해결하기 위해 개발된 컨포멀 전자파 차폐막은 반도체 패키지를 더 가볍고 얇게 만드는 데 필수적인 첨단 소재다.

그러나 기존 차폐막은 두께를 줄이면 전자파 차단 성능이 급격히 떨어지는 ‘두께-성능 딜레마’가 있어, 경량화와 고성능을 동시에 구현하기 어려웠다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 기공(포어)을 만들지 않고, 기존 반도체 패키징 공정 장비만을 이용해 금속과 맥신 박막을 층층이 쌓아 만든 ‘EXIM(Embedded-MXene-in-Metal) 차폐막’ 구조를 새롭게 제시했다.

이번 연구를 수행한 연한울(뒷줄 왼쪽 끝) GIST 신소재공학과 교수 연구팀. 주영창(상단 왼쪽 끝) 서울대 교수.[GIST 제공]

새로운 EXIM 구조에서는 금속 박막이 전자파를 가두는 벽 역할을 하고, 그 내부의 맥신 박막이 전자파의 산란·흡수를 유도함으로써 두께 2마이크로미터(μm, 머리카락 굵기의 약 1/50 수준) 미만에서도 기존 차폐막 대비 100배 이상(전자파의 약 99%를 차단하는 20데시벨(dB) 이상 수준) 높은 성능을 달성했다.

또한 맥신 두께를 1마이크로미터(μm)에서 200나노미터(nm, 머리카락의 약 1/500 수준)로 줄여도 성능이 거의 유지됐으며, 금속–맥신 계면에 4나노미터(nm) 두께의 유기막만 삽입해도 성능이 급감하는 것으로 나타났다.

연구팀은 이 기술을 실제 상용 플래시 드라이브 반도체 칩과 유연 소자(flexible device)에 적용, 공정 호환성과 초밀착 성능을 모두 입증했다.

USB 3.0 플래시 드라이브의 IC 칩에 초박막을 적용한 결과, 블루투스 스피커 신호 간섭이 완전히 제거됐다. 두께 1~1.9마이크로미터(μm) 범위의 EXIM 차폐막이 기존 알루미늄 호일(두께 16마이크로미터(μm)) 보다 훨씬 얇고 유연하면서도, 군사용(60데시벨(dB) 이상) 기준을 뛰어넘는 70~80데시벨(dB)의 초고성능 차폐 효과를 달성했다.

연한울 교수는 “이번 연구는 전자파 차폐재에서 오랫동안 해결되지 않았던 ‘두께가 얇아지면 성능이 떨어지는 딜레마’를 극복한 성과”라며 “극도로 얇고 유연하면서도 뛰어난 성능을 갖춘 차폐 기술로 차세대 반도체 패키징과 스마트기기, 플렉서블 전자소자 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것”이라고 밝혔다.