3D printed multifunctional integrated module with EMI shielding and temperature detection

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid miniaturization and high integration of modern electronic devices have intensified the issues of electromagnetic interference (EMI) and localized overheating, which critically degrade system reliability. While conventional approaches have been employed to mitigate these challenges, they face distinct limitations. Traditional metal shielding materials are hindered by high manufacturing costs, excessive weight, and susceptibility to corrosion. Furthermore, conventional discrete temperature sensors are subject to spatial and structural constraints that create thermal gaps between the heat source and the sensor, making accurate temperature detection difficult.

To address these challenges, this study used fused deposition modeling (FDM) 3D printing to fabricate a multifunctional thermoplastic polyurethane (TPU)/carbon nanotube (CNT) composite. TPU/CNT filaments with different CNT ratios (0–20 wt%) were fabricated. Although the 20 wt% composite exhibited high electrical conductivity (~600 S/m), its excessive melt viscosity made it unsuitable for printing.

Consequently, the 10 wt% composition was selected for its optimal balance of printability and performance. The fabricated multifunctional module achieved a maximum EMI shielding effectiveness (SE) of 30.25 dB in the Ku-band (12.4–18 GHz), significantly exceeding the commercial requirement of 20 dB.

Furthermore, the module demonstrated thermoelectric capabilities with a Seebeck coefficient of 39.96 μV/K, generating a voltage of ~0.40 mV at a temperature difference of 10 K. These results indicate that the proposed CNT-based module effectively overcomes the limitations of conventional metallic materials by offering lightweight, flexible, and integrated properties. The design freedom provided by FDM 3D printing further highlights the potential of this technology for next-generation smart packaging and multifunctional sensing applications.

국문 초록 (Abstract)

현대 사회의 기술 발전으로 전자 기기와 통신 기술에 대한 수요가 증가함에 따라, 전자 부품의 소형화·고집적화가 빠르게 진행되고 있으며, 이에 따라 전자파 간섭(electromagnetic interference, EMI)과 국부 발열이 시스템 신뢰성 저하의 핵심 원인으로 부각되고 있다. 기존 알루미늄·구리 기반 금속 차폐재는 우수한 차폐 성능에도 불구하고 무게, 부식, 비용 등의 한계가 존재하며, 온도 센서는 구조적·공간적 제약으로 인해 발열부와 직접 접촉하지 못하고 보드 레벨에서 회로로 연결되는 경우가 많아 열원과 센서 사이에 열적 갭이 불가피하게 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 3D 프린팅이 가능한 CNT 기반 열전 필라멘트를 제작하였다. 0에서 20 wt%까지 다양한 CNT 함량을 가진 TPU/CNT 복합소재를 제조하여 분석한 결과, CNT 함량이 증가함에 따라 열, 전 기적 성능이 향상되는 경향을 확인하였다. 특히 20 wt% 조성에서 약 600 S/m의 높은 전기전도도를 보였으나, 과도한 필러 함량으로 인해 용융 점도가 급격히 상승하여 3D 프린팅 공정에 적용하기 어려웠다. 이에 따라, 프린팅 공정성과 성능 간의 최적 균형을 고려하여 10 wt% 조성의 복합재를 최종 소재로 선정하였다.

10wt% 조성을 활용하여 프린팅한 최종 모듈은 Ku 대역(12.4~18GHz)에서 최대 30.25dB의 EMI 차폐 효과(SE)를 달성하여 상용 요구 사항인 20dB를 크게 상회했다. 또한, 39.96 μV/K 의 제백계수를 갖는 열전 특성을 보여 10K의 온도 차이에서 최대 0.4mV의 제백전압을 발생하여 전자기기의 이상 발열에서 전압에 따른 이상 발열 감지 기능에 대한 가능성을 제시했습니다. 이러한 결과는 제안된 CNT 기반 모듈이 경량성, 유연성 및 통합성을 제공함으로써 기존 금속 재료의 한계를 효과적으로 극복함을 보여줍니다.

따라서 본 연구에서 개발한 CNT 기반 다기능 통합 모듈은 기존 금속 차폐재와 분리형 온도 센서 구조가 갖는 문제점을 동시에 완화하면서 경량성과 유연성을 확보하여, 차세대 EMI 차폐 및 온도 감지 솔루션으로서의 가능성을 제시한다. 아울러 FDM 3D 프린팅이 가능한 TPU/CNT 필라멘트는 설계 자유도를 기반으로 다양한 형상의 차폐·열전 모듈로 확장 적용될 수 있어, 전자기 차폐와 폐열 활용을 통합한 다기능 스마트 패키징 및 센서 응용으로의 발전이 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Motivations 1
• 1.2 Trends 4
• 1.3 Objective 6
• 1.4 Theoretical background 8
• 1.4.1 Types of 3D printer : Advantages and disadvantages of FDM 8
• 1.4.2 The Basic Theory of Electromagnetic Shielding 12
• 1.4.3 The Basic Theory of Thermoelectric Effect 16
• Chapter 2. Measurement 19
• 2.1 Materials & Fabrication 19
• 2.2 Electrical Conductivity 21
• 2.3 Thermal Conductivity Experiment 23
• 2.4 MFI (Melt Flow Index) Experiment 25
• 2.5 EMI Shielding effect Experiment 27
• 2.6 Seebeck Experiment 30
• 2.7 Temperature Detection Experiment 32
• Chapter 3. Results & Discussion 34
• 3.1 CNT Distribution : electrical conductivity & SEM 34
• 3.2 Composite Pellets Drying : Filament quality 38
• 3.3 Printing parameter Optimization of TPU/CNT 42
• 3.4 3D Printing Sample performance 47
• 3.5 Parameter study : infill & electrical conductivity 52
• 3.6 Electromagnetic shielding performance 57
• 3.7 Temperature Detection performance 62
• Chapter 4. Conclusion & Future Plan 65
• 4.1 Conclusion: Applicability to Various Application Fields According to Frequency Band 65
• 4.2 Future Plan: Performance Improvement Through P-N Modularization 68
• References 73
• 논문요약 77