전자파 차폐를 위한 2 차원 단결정 금속 나노시트의 대량 합성 및 구조 설계 연구 = A Study on Scalable Synthesis and Structural Design of Two-Dimensional Copper Nanosheets for Electromagnetic Interference Shielding

국문 초록 (Abstract)

고주파 전자기기와 무선통신·IoT의 확산으로 전자파 간섭(EMI) 노이즈가 증가하면서, 경량·플렉서블·투명 디바이스에 적용 가능한 고성능 차폐 소재의 필요성이 커지고 있다. 본 학위논문은 2차원(2D) 단결정 금속 나노시트를 차세대 EMI 차폐 소재의 핵심 빌딩블록으로 제시하고, Cu 나노시트의 (i) 수열 기반 대량 합성 및 성장 제어, (ii) 리터 스케일 공정 스케일업, (iii) 계층적 적층을 통한 초고성능 다공성 필름 구조화, (iv) 격자(grid) 패턴 기반 투명 차폐 필름 구현을 체계적으로 연구하였다.
수열 합성에서 iodine(형상 제어제), hexadecylamine(HDA, 안정화제), glucose(환원제) 농도와 반응 조건을 정밀 제어하여 핵생성·성장 동역학을 규명하였다. I⁻는 Cu²⁺ 유효 농도를 낮추는 복합화 및 (111) 기저면 선택 흡착을 통해 두께 성장을 억제하고 측면 성장을 촉진했으며, HDA는 seed 밀도와 기저면 패시베이션을 동시에 제어하여 마이크로미터급 대면적 나노시트를 안정적으로 형성하였다. 또한 glucose의 완만한 환원 속도는 2차 핵생성을 억제해 2D 성장 윈도우 확보에 기여하였다. 최적 조건에서 수 μm~10 μm 수준의 고종횡비 단결정 Cu 나노시트를 재현성 있게 합성했으며, (111) 기저면과 얇은 Cu₂O 패시베이션이 후속 필름 공정 안정성에 기여함을 분석으로 확인하였다.
최적 합성 조건을 리터 스케일 반응기로 확장해도 형상·두께·단결정성이 유지되었고, 배치당 그램 수준의 안정적 수율과 재현성을 확보하였다. 합성된 Cu 나노시트를 용액 공정으로 적층해 계층적 다공성 EMI 차폐 필름을 제작하고 forming-gas 열처리로 시트 간 접합을 유도하여 접촉 저항을 크게 낮췄다. 그 결과 수 μm 초박막에서도 X-band에서 약 60 dB 이상의 차폐 성능을 달성했으며, 약 15 μm 두께의 다공성 필름은 100 dB에 근접하는 초고차폐 성능을 나타냈다. 다중 공극 구조는 전자파 흡수 및 내부 다중 반사를 증폭시키며, 반사 기반 차폐와 시너지로 작용함을 S-parameter 분해로 정량 확인하였다. 또한 5,000회 이상 반복 굽힘, 장기 보관, 수침 노출에서도 시트저항과 차폐 성능이 안정적으로 유지되었다.
더 나아가 shadow mask 기반 스프레이 코팅으로 2 mm 및 4 mm pitch 격자 투명 차폐 필름을 구현하여 78–85%의 가시광 투과도와 함께 X-band에서 각각 약 45 dB 및 18–20 dB의 차폐 성능을 확보하였다. 격자 라인 내부의 계층적 다공성 구조가 흡수와 다중 산란을 강화해 높은 개구율에서도 차폐 효율을 유지함을 규명했으며, 5G 신호 차단 데모를 통해 실환경 차폐 성능을 확인하였다. 종합적으로 본 연구는 2D 단결정 Cu 나노시트 기반의 초고차폐 다공성 필름과 투명 격자 차폐 필름을 단일 공정 플랫폼으로 통합 제시함으로써, 밀리미터파 시대를 위한 경량·플렉서블·투명 EMI 차폐 소재 설계 원리와 실질적 제조 전략을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Synthesis of controlled two-dimensional single crystalline metallic nanosheets 51
• Chapter 3. Large-scale synthesis of two-dimensional single crystalline metallic nanosheets 70
• Chapter 4. Electromagnetic interference shielding applications of two-dimensional single crystalline metallic nanosheets 93
• Chapter 5. Transparent electromagnetic interference shielding applications of two-dimensional single crystalline metallic nanosheets 116
• Chapter 6. General conclusion 132