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섬유시스템공학과 남기호 교수팀, ‘데이터 전송 손실 최소화’ 5G용 저유전 폴리이미드 개발
- 2023-06-16 10:21
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고분자 재료 분야 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 폴리머 머티리얼스’ 표지 논문 선정
섬유시스템공학과 남기호 교수팀이 5G 환경에서도 데이터 전송 손실을 최소화하는 저유전 폴리이미드를 개발했다.
폴리이미드는 차세대 5G(5세대) 이동통신용 기판 소재와 안테나 등 통신부품의 핵심 소재다. 기가헤르츠(GHz) 급 고주파수 대역 통신의 데이터 전송 신호 손실을 최소화하기 위해서는 유전율*이 낮은 고분자 소재를 사용해야 한다. 현재 사용되고 있는 폴리이미드의 경우 유전율이 3 이상으로 5G급 이상의 통신 대역에서 요구되는 유전율을 만족하지 못해 전송 손실이 증대되는 문제가 있다.
남기호 교수팀은 ‘비용매 유도 상분리법(NIPS, Nonsolvent-induced Phase Separation)’을 이용해 저유전 다공성 폴리이미드 복합필름을 개발했다.
남 교수팀이 개발한 필름은 상용 폴리이미드 대비 약 50% 수준의 월등히 낮은 유전율 1.9(1MHz 기준)를 나타냈다. 동시에 넓은 주파수(100Hz~40GHz)와 온도(-20℃~200℃)범위에서도 안정적으로 낮은 유전율 1.73(40GHz 기준)과 유전 손실 계수** 0.01(40GHz 기준)를 보였다.
또한, 고분자 사슬과 공유 결합이 가능하도록 표면 기능화된 메조다공성 실리카를 혼입해 가교 사슬 구조를 형성함으로써 내열성이 큰 폭으로 향상됐다. 필름은 다공성 구조에도 불구하고 접을 수 있을 정도로 우수한 유연성과 기계적 강도를 나타냈으며, 필름 표면은 조밀한 닫힌 기공 형태로 수분 차단성도 우수했다.
남기호 교수는 “개발한 필름은 가혹한 환경 변화에서도 낮은 유전율과 유전 손실 계수를 가지고, 동시에 고온 내열성과 수분 차단성을 확보했다는 점에서 큰 의미가 있다. 이번 연구 결과는 실질적으로 5G인 24GHz 이상 초고주파(mmWave) 대역에서 데이터 전송 손실을 크게 줄일 수 있는 저유전 소재 제조 기술로, 5G 이동통신, 시스템 반도체 분야뿐만 아니라 자동차나 디스플레이 안테나 등 차세대 전기·전자 분야의 핵심 소재 기술로 활용이 가능할 것으로 기대한다.”라고 말했다.
이번 연구의 교신저자는 남기호 교수, 제1저자는 섬유시스템공학과 김성준 석사과정생이며, 과기부의 한국연구재단 우수신진연구사업과 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 미국화학회(American Chemical Society)에서 출간하는 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 폴리머 머티리얼스(ACS Applied Polymer Materials)’ 6월호에 게재됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 표지논문(Supplementary Cover)으로 선정됐다.
*유전율 : 인가된 전기장과 상호작용하여 편극(Polarization)되는 능력.
**유전 손실 계수 : 유전체 내에서 발생하는 에너지 손실의 정도를 나타내는 값.
섬유시스템공학과 남기호 교수팀이 5G 환경에서도 데이터 전송 손실을 최소화하는 저유전 폴리이미드를 개발했다.
폴리이미드는 차세대 5G(5세대) 이동통신용 기판 소재와 안테나 등 통신부품의 핵심 소재다. 기가헤르츠(GHz) 급 고주파수 대역 통신의 데이터 전송 신호 손실을 최소화하기 위해서는 유전율*이 낮은 고분자 소재를 사용해야 한다. 현재 사용되고 있는 폴리이미드의 경우 유전율이 3 이상으로 5G급 이상의 통신 대역에서 요구되는 유전율을 만족하지 못해 전송 손실이 증대되는 문제가 있다.
남기호 교수팀은 ‘비용매 유도 상분리법(NIPS, Nonsolvent-induced Phase Separation)’을 이용해 저유전 다공성 폴리이미드 복합필름을 개발했다.
남 교수팀이 개발한 필름은 상용 폴리이미드 대비 약 50% 수준의 월등히 낮은 유전율 1.9(1MHz 기준)를 나타냈다. 동시에 넓은 주파수(100Hz~40GHz)와 온도(-20℃~200℃)범위에서도 안정적으로 낮은 유전율 1.73(40GHz 기준)과 유전 손실 계수** 0.01(40GHz 기준)를 보였다.
또한, 고분자 사슬과 공유 결합이 가능하도록 표면 기능화된 메조다공성 실리카를 혼입해 가교 사슬 구조를 형성함으로써 내열성이 큰 폭으로 향상됐다. 필름은 다공성 구조에도 불구하고 접을 수 있을 정도로 우수한 유연성과 기계적 강도를 나타냈으며, 필름 표면은 조밀한 닫힌 기공 형태로 수분 차단성도 우수했다.
남기호 교수는 “개발한 필름은 가혹한 환경 변화에서도 낮은 유전율과 유전 손실 계수를 가지고, 동시에 고온 내열성과 수분 차단성을 확보했다는 점에서 큰 의미가 있다. 이번 연구 결과는 실질적으로 5G인 24GHz 이상 초고주파(mmWave) 대역에서 데이터 전송 손실을 크게 줄일 수 있는 저유전 소재 제조 기술로, 5G 이동통신, 시스템 반도체 분야뿐만 아니라 자동차나 디스플레이 안테나 등 차세대 전기·전자 분야의 핵심 소재 기술로 활용이 가능할 것으로 기대한다.”라고 말했다.
이번 연구의 교신저자는 남기호 교수, 제1저자는 섬유시스템공학과 김성준 석사과정생이며, 과기부의 한국연구재단 우수신진연구사업과 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 미국화학회(American Chemical Society)에서 출간하는 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 폴리머 머티리얼스(ACS Applied Polymer Materials)’ 6월호에 게재됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 표지논문(Supplementary Cover)으로 선정됐다.
*유전율 : 인가된 전기장과 상호작용하여 편극(Polarization)되는 능력.
**유전 손실 계수 : 유전체 내에서 발생하는 에너지 손실의 정도를 나타내는 값.
