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创新工艺打造新一代电磁屏蔽膜:低成本、能透光!

创新工艺打造新一代电磁屏蔽膜:低成本、能透光!

【摘要】:
近日,美国纽约大学坦登工程学院、德雷塞尔大学、耶鲁大学、中国西南交通大学的科学家们展开合作,采用创新的低成本工艺制造出新型柔性薄膜。它能有效屏蔽电磁辐射,同时又能透光。

  近日,美国纽约大学坦登工程学院、德雷塞尔大学、耶鲁大学、中国西南交通大学的科学家们展开合作,采用创新的低成本工艺制造出新型柔性薄膜。它能有效屏蔽电磁辐射,同时又能透光。

  电磁干扰(EMI),是指电磁波与电子元件作用后所产生的干扰现象。它可以分为:传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合到另一个电网络。

  在自然界中,太阳耀斑与北极光是两种常见的电磁辐射干扰源。也许,许多人都有过这样的体验:太阳活动增强期间,手机信号会受到干扰。有时,太阳活动也会影响卫星和航空器的正常工作。


创新工艺打造新一代电磁屏蔽膜:低成本、能透光!

太阳耀斑(图片来源:维基百科)

北极光(图片来源:维基百科)

  此外,在印刷电路板中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。

  电磁干扰会影响一系列的电子设备,例如电视、智能手机、平板电脑、芯片、无人机、可穿戴设备,甚至危害人类健康。例如,电视荧光屏上常见的“雪花”,就是一种电磁干扰现象。

  在解决电磁干扰问题的诸多手段中,最基本的方法就是电磁屏蔽。电磁屏蔽就是利用屏蔽材料阻隔或衰减被屏蔽区域与外界的电磁能量传播。电磁屏蔽利用了屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用,与屏蔽结构表面和屏蔽体内部感生的电荷、电流与极化现象密切相关。

  一般来说,电磁屏蔽材料主要是导电或磁性材料。目前,广泛应用的电磁屏蔽材料和器件主要有:导电塑料器件、导电弹性体衬料(导电橡胶)、金属屏蔽器件、导电布衬垫、吸波器件、导电复合剂等。2022年,这些方案所形成的市场规模有望超过70亿美元。

 

手机内的电磁屏蔽罩

手机内的电磁屏蔽罩

  创新

  近日,美国纽约大学坦登工程学院化学与生物分子工程系的副教授 Andre Taylor 、德雷塞尔大学材料科学与工程系教授 Yury Gogotsi、耶鲁大学化学与环境工程系教授 Menachem Elimelech 等科研人员组成的团队采用了一项创新技术,相对低成本地生产出屏蔽电磁干扰的复合薄膜。


创新
 

(图片来源:纽约大学坦登工程学院)

  这项研究的论文于2018年10月31日发表在《先进功能材料(Advanced Functional Materials)》。论文领导作者包括纽约大学坦登工程学院的博士后研究员 Guo-Ming Weng 与中国成都西南交通大学材料科学与工程学院副教授 Jinyang Li。

  技术

  团队采用旋转喷涂逐层处理(SSLbL)法制作这种薄膜。Taylor 于2012年开创了该方法。该系统在旋涂仪上安装了喷头,旋涂仪将电性相反、纳米厚度的有序单分子层沉积到元件上。相比于传统方法,例如浸渍提拉法,这种方法制造高质量薄膜所用的时间要少很多。

  这项工艺制造出的柔性、半透明电磁屏蔽薄膜,是由碳纳米管(CNT)、电性相反的碳化钛(也称为“MXene”,由 Gogotsi 首先设计出的一种碳化物薄片家族)、聚合电解质交替几百层而成。Taylor 解释道,那些电荷特性有利于电磁屏蔽。

  他说:“随着分清这些成分所扮演的不同角色,我们发现电性相反的 CNT 层与 MXene 层之间的强静电氢键具有很高的强度与柔韧性。”他补充说,MXene 具有双重优点:吸附(它容易粘贴在表面上)和导电,这对于电磁屏蔽来说很重要。“而且因为薄膜本身是半透明的,它可以用于含显示屏的设备的电磁屏蔽,例如智能手机。其他类型的屏蔽罩,例如金属,却是不透明的。屏蔽虽好,能透光的屏蔽则更好。”

  SSLbL法,也能对整个薄膜架构进行纳米级的控制,使生产商能改变特定的指标,例如导电性或者透明度,因为它允许每一层的组成产生离散变化。相比而言,在基体中,纳米颗粒、聚合电解质以及石墨烯单层混杂而成的薄膜就无法如此变化。除了高稳定性、高柔韧性以及半透明,MXene-CNT 复合薄膜也具有高导电性。对于电磁屏蔽来说,导电性是一项关键指标,因为它能在薄膜表面驱散电磁脉冲,减弱并使之消散。

  价值

  Taylor 解释道,制造商们已经对碳纳米管和石墨烯结合导电聚合物复合材料组成的电磁屏蔽方案抱有浓厚兴趣。但是迄今为止,在柔性薄膜上创造出这些优点的最佳组合的相对快速、廉价的方法还是非常难找。  

  Taylor 表示:“在屏蔽罩中添加碳材料的主要好处是,为薄膜增添加了导电路径。而且 SSLbL 系统也比传统的浸渍提拉法要快很多。浸渍提拉法,是将需要进行电磁屏蔽的元件反复浸入材料中,冲洗,然后再浸入另外一层,这样不断地进行。这个方法需要耗费几天时间。我们的系统却能在几分钟内,创造出由 MXene 与 CNT 双分子层交替形成的几百层。”

  Taylor 表示,然而旋转喷涂法限制了元件的尺寸。理论上,系统可为直径相当于12英寸晶圆的设备与元件创造电磁屏蔽。旋转喷涂法是半导体工业中常用的一种涂覆方法。

  “因为材料的连接更紧密,所以用这种方法制造它更便宜、更快速,而且相比于只在几个元件上重复沉积混合层,LbL工艺更好地促进了不同的纳米结构材料的可控组装。我们可以想象,利用这种系统,采用大范围的参数、纳米结构材料和聚合电解质,可以调整跨功能薄膜的特性。”