Digital light processing 3D printing of porous metamaterials for absorption-dominant electromagnetic interference shielding

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the increasing demand for highly integrated electronic devices, electromagnetic interference (EMI) shielding components are required to be lightweight, compact and absorption dominant. Conventional metals and their alloys are unsuitable for these systems due to their high density, low stability and reflection-dominant shielding behavior, which can induce secondary pollutions. 3D porous metamaterials fabricated by digital light processing (DLP) printing exhibit strong potential for such EMI shielding applications, as they can simultaneously leverage the advantages of conductive polymer composites (CPCs) and porous structure. However, their practical application remains limited due to the strict requirements for the printing material, including high optical transparency and low viscosity while maintaining sufficient electrical conductivity.
In this study, a DLP-printable photosensitive conductive polymer composite resin was developed by incorporating functionalized multi-walled carbon nanotubes (f-MWCNTs) into a low-viscosity resin matrix via a solvent-assisted mixing method using acetone. The optimized composite resin enables stable fabrication of complex porous metamaterials with 99.1% dimensional accuracy at a filler loading of 0.4 wt%, while achieving an enhanced electrical conductivity of 0.97 S/m.
To further investigate the effect of metamaterial types on EMI shielding performance, honeycomb, octet-truss, and gyroid metamaterials were fabricated and compared with bulk structures. All porous metamaterials significantly enhanced EMI shielding effectiveness due to structure-induced loss mechanisms. Among them, the honeycomb metamaterial exhibited the highest total shielding effectiveness of 19.7 dB. Furthermore, we fabricated honeycomb metamaterial with varying hole sizes to investigate the relationship between structural parameters and shielding behavior. Results demonstrated that below the critical failure shielding size, absorption loss become more dominant with increasing hole size due to improved impedance matching and enhanced internal interactions. This study demonstrated that DLP-printed 3D porous metamaterials can provide an effective strategy to achieve lightweight, compact and absorption-dominant EMI shielding performance, enabling widespread use for highly integrated electronics.

국문 초록 (Abstract)

최근 자동차, 모바일 등 첨단 산업에서 고집적 전자기기의 수요가 증가합에 따라 전자파 차폐 부품에는 경량화, 소형화 및 흡수 지배형 특성을 요구하고 있다. 기존의 금속 및 금속 합금은 높은 밀도와 낮은 안정성, 그리고 반사 지배형 차폐 거동으로 인해 이러한 시스템에 적용하는 데 한계가 있다. 전도성 고분자 복합재료는 기존 금속 재료에 비해 경량성, 내부식성, 가공 용이성 등 장점을 가지지만 시장에서 요구되는 수준인 약 99%의 전자파를 차폐하기에는 전기전도도가 부족하다는 한계가 있다. DLP 3D 프린팅으로 제작된 3D 다공성 메타물질은 전도성 고분자 복합재료의 특성과 다공성 구조의 장점을 동시에 활용할 수 있기에 전자파 차폐 응용될 수 있다. 그러나 충분한 전기전도도를 유지하면서도 높은 광 투과도와 낮은 점도를 동시에 만족해야 하는 요구 조건으로 인해 실제 응용에는 여전히 제약이 존재한다.
본 연구에서는 아세톤을 이용한 용매 보조 혼합 공정을 통해 기능화 된 다중벽 탄소나노튜브와 저점도 광경화 고분자 레진을 혼합하여 DLP 프린팅이 가능한 광경화 전도성 고분자 복합 레진을 배합하였다. 충전제 함량이 0.4 wt%일 때, 프린팅된 메타물질은 99.1%의 정밀도를 나타내었으며 동시에 0.97 S/m의 전기전도도를 확보하였다.
또한 프린팅 한 메타물질의 구조가 전자파 차폐 성능에 미치는 영향을 분석하고자 허니콤, 옥텟 트러스, 자이로이드 등 세가지 메타물질을 제작하여 해당 전자파 차폐 성능을 벌크 구조와 비교하였다. 다공성 메타물질의 구조 유도 손실 메커니즘에 의해 전자파 차폐 성능이 크게 향상되었으며, 그중 허니콤 메타물질은 19.7 dB으로 가장 높은 차폐 효과를 나타내었다.
마지막으로 구조 파라미터와 차폐 거동의 상관관계를 규명하고자 서로 다른 홀 사이즈의 허니콤 메타물질을 제작하고 홀 사이즈에 따른 흡수계수와 반사계수의 변화를 분석하였다. 홀 사이즈가 임계 값 이하일 경우, 홀 사이즈가 클수록 임피던스 매칭과 다공성 구조 내부 반사와 산란작용으로 인해 흡수 차폐가 더욱 지배적으로 나타냄을 확인하였다. 반면, 홀 사이즈가 임계값 이상일 경우에는 홀 사이즈 증가에 따라 내부에서 반사된 일부 전자파가 외부로 손실되면서 흡수 차폐 성능이 감소하는 경향을 보였다.
결론적으로 본 연구는 높은 출력 정밀도를 가지는 광경화 전도성 고분자 복합소재 레진을 합성하였으며 DLP 프린팅 기반 3D 다공성 메타물질이 경량화, 소형화, 및 흡수 지배형 전자파 차폐를 구현할 수 있는 효과적인 전략임을 입증하였다. 이를 기반으로 향후 웨어러블 기기 등 고집적 전자기기의 전자파 차폐 부품으로의 응용 가능성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Electromagnetic interference shielding 1
• 1.1.1 Introduction to electromagnetic interference (EMI) shielding 1
• 1.1.2 Electrically conductive polymer composite for EMI shielding 4
• 1.2 Metamaterial 6
• 1.2.1 Introduction to metamaterials 6
• 1.2.2 Metamaterials for EMI shielding 7
• 1.3 3D Printing 9
• 1.3.1 Introduction to 3D printing 9
• 1.3.2 Digital light processing 11
• 1.4 Objectives of study 13
• Chapter 2. EXPERIMENTAL 15
• 2.1 Materials 15
• 2.2 Synthesis of functionalized multi-walled carbon nanotube (f-MWCNT) 15
• 2.3 Preparation of photosensitive conductive polymer composite resins 16
• 2.3.1 Resin Matrix 16
• 2.3.2 Optimization of mixing method 16
• 2.3.3 Preparation of composite resins 17
• 2.4 3D Printing with digital light processing 18
• 2.5 Material characterization 19
• 2.6 Electromagnetic interference shielding performance measurement 19
• Chapter 3. RESULTS AND DISCUSSION 21
• 3.1 Characterization of synthesized functionalized multi-walled carbon nanotube 21
• 3.2 Characterization of prepared photosensitive conductive polymer composite resins 24
• 3.3 Printing accuracy of DLP 3D printed metamaterials 32
• 3.4 Characterization of EMI shielding performance 36
• 3.4.1 Effect of the metamaterial types on EMI shielding performance 37
• 3.4.2 Effect of the structural parameter on EMI shielding performance 40
• Chapter 4. CONCLUSIONS 45
• References 48