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創新工藝打造新一代電磁屏蔽膜:低成本、能透光!

創新工藝打造新一代電磁屏蔽膜:低成本、能透光!

【摘要】:
近日,美國紐約大學坦登工程學院、德雷塞爾大學、耶魯大學、中國西南交通大學的科學家們展開合作,采用創新的低成本工藝制造出新型柔性薄膜。它能有效屏蔽電磁輻射,同時又能透光。

一点都不卡的中文视频   近日,美國紐約大學坦登工程學院、德雷塞爾大學、耶魯大學、中國西南交通大學的科學家們展開合作,采用創新的低成本工藝制造出新型柔性薄膜。它能有效屏蔽電磁輻射,同時又能透光。

  電磁干擾(EMI),是指電磁波與電子元件作用后所產生的干擾現象。它可以分為:傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合到另一個電網絡。

  在自然界中,太陽耀斑與北極光是兩種常見的電磁輻射干擾源。也許,許多人都有過這樣的體驗:太陽活動增強期間,手機信號會受到干擾。有時,太陽活動也會影響衛星和航空器的正常工作。


創新工藝打造新一代電磁屏蔽膜:低成本、能透光!

太陽耀斑(圖片來源:維基百科)

北極光(圖片來源:維基百科)

  此外,在印刷電路板中,高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源,能發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。

  電磁干擾會影響一系列的電子設備,例如電視、智能手機、平板電腦、芯片、無人機、可穿戴設備,甚至危害人類健康。例如,電視熒光屏上常見的“雪花”,就是一種電磁干擾現象。

  在解決電磁干擾問題的諸多手段中,最基本的方法就是電磁屏蔽。電磁屏蔽就是利用屏蔽材料阻隔或衰減被屏蔽區域與外界的電磁能量傳播。電磁屏蔽利用了屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用,與屏蔽結構表面和屏蔽體內部感生的電荷、電流與極化現象密切相關。

  一般來說,電磁屏蔽材料主要是導電或磁性材料。目前,廣泛應用的電磁屏蔽材料和器件主要有:導電塑料器件、導電彈性體襯料(導電橡膠)、金屬屏蔽器件、導電布襯墊、吸波器件、導電復合劑等。2022年,這些方案所形成的市場規模有望超過70億美元。

 

手機內的電磁屏蔽罩

手機內的電磁屏蔽罩

  創新

  近日,美國紐約大學坦登工程學院化學與生物分子工程系的副教授 Andre Taylor 、德雷塞爾大學材料科學與工程系教授 Yury Gogotsi、耶魯大學化學與環境工程系教授 Menachem Elimelech 等科研人員組成的團隊采用了一項創新技術,相對低成本地生產出屏蔽電磁干擾的復合薄膜。


創新
 

(圖片來源:紐約大學坦登工程學院)

一点都不卡的中文视频   這項研究的論文于2018年10月31日發表在《先進功能材料(Advanced Functional Materials)》。論文領導作者包括紐約大學坦登工程學院的博士后研究員 Guo-Ming Weng 與中國成都西南交通大學材料科學與工程學院副教授 Jinyang Li。

  技術

一点都不卡的中文视频   團隊采用旋轉噴涂逐層處理(SSLbL)法制作這種薄膜。Taylor 于2012年開創了該方法。該系統在旋涂儀上安裝了噴頭,旋涂儀將電性相反、納米厚度的有序單分子層沉積到元件上。相比于傳統方法,例如浸漬提拉法,這種方法制造高質量薄膜所用的時間要少很多。

一点都不卡的中文视频   這項工藝制造出的柔性、半透明電磁屏蔽薄膜,是由碳納米管(CNT)、電性相反的碳化鈦(也稱為“MXene”,由 Gogotsi 首先設計出的一種碳化物薄片家族)、聚合電解質交替幾百層而成。Taylor 解釋道,那些電荷特性有利于電磁屏蔽。

  他說:“隨著分清這些成分所扮演的不同角色,我們發現電性相反的 CNT 層與 MXene 層之間的強靜電氫鍵具有很高的強度與柔韌性。”他補充說,MXene 具有雙重優點:吸附(它容易粘貼在表面上)和導電,這對于電磁屏蔽來說很重要。“而且因為薄膜本身是半透明的,它可以用于含顯示屏的設備的電磁屏蔽,例如智能手機。其他類型的屏蔽罩,例如金屬,卻是不透明的。屏蔽雖好,能透光的屏蔽則更好。”

一点都不卡的中文视频   SSLbL法,也能對整個薄膜架構進行納米級的控制,使生產商能改變特定的指標,例如導電性或者透明度,因為它允許每一層的組成產生離散變化。相比而言,在基體中,納米顆粒、聚合電解質以及石墨烯單層混雜而成的薄膜就無法如此變化。除了高穩定性、高柔韌性以及半透明,MXene-CNT 復合薄膜也具有高導電性。對于電磁屏蔽來說,導電性是一項關鍵指標,因為它能在薄膜表面驅散電磁脈沖,減弱并使之消散。

  價值

一点都不卡的中文视频   Taylor 解釋道,制造商們已經對碳納米管和石墨烯結合導電聚合物復合材料組成的電磁屏蔽方案抱有濃厚興趣。但是迄今為止,在柔性薄膜上創造出這些優點的最佳組合的相對快速、廉價的方法還是非常難找。  

  Taylor 表示:“在屏蔽罩中添加碳材料的主要好處是,為薄膜增添加了導電路徑。而且 SSLbL 系統也比傳統的浸漬提拉法要快很多。浸漬提拉法,是將需要進行電磁屏蔽的元件反復浸入材料中,沖洗,然后再浸入另外一層,這樣不斷地進行。這個方法需要耗費幾天時間。我們的系統卻能在幾分鐘內,創造出由 MXene 與 CNT 雙分子層交替形成的幾百層。”

一点都不卡的中文视频   Taylor 表示,然而旋轉噴涂法限制了元件的尺寸。理論上,系統可為直徑相當于12英寸晶圓的設備與元件創造電磁屏蔽。旋轉噴涂法是半導體工業中常用的一種涂覆方法。

  “因為材料的連接更緊密,所以用這種方法制造它更便宜、更快速,而且相比于只在幾個元件上重復沉積混合層,LbL工藝更好地促進了不同的納米結構材料的可控組裝。我們可以想象,利用這種系統,采用大范圍的參數、納米結構材料和聚合電解質,可以調整跨功能薄膜的特性。”