DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-023-01317-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38214822
تاريخ النشر: 2024-01-12
المؤلف: Shaohong Shi وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية
نظرة عامة
تقدم هذه البحث نهجًا جديدًا لحماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI SE) في الإلكترونيات المتكاملة من خلال تطوير أحبار وظيفية قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد تحتوي على جرافين (Gr) وجزيئات نانوية من أنابيب الكربون (CNT). من خلال التلاعب بالخصائص الريولوجية لهذه الأحبار، نجح المؤلفون في إنشاء وحدة حماية متوافقة (c-SE) بهيكل فائق الخفة (0.076 جرام سم$^{-3}$) وفعالية حماية EMI مثيرة للإعجاب تبلغ 61.4 ديسيبل، إلى جانب فعالية حماية محددة تبلغ 802.4 ديسيبل سم$^{3}$ جرام$^{-1}$. تعالج هذه الابتكار قيود الحماية التقليدية المعتمدة على المعادن، التي تشغل مساحة كبيرة داخل الأجهزة الإلكترونية، من خلال السماح بدمج هياكل مطبوعة ثلاثية الأبعاد مخصصة مباشرة على الإلكترونيات الأساسية.
تسلط الدراسة الضوء على الصياغة المنهجية للأحبار ذات الخصائص اللزجة المرنة المثالية، مما يمكّن من تصنيع كل من الهياكل ثنائية وثلاثية الأبعاد المخصصة لتطبيقات محددة. لا توفر وحدات c-SE المطبوعة ثلاثية الأبعاد حماية فعالة من EMI فحسب، بل تعزز أيضًا قدرات إدارة الحرارة، مما يظهر تعدد وظائفها. تشير النتائج إلى أن هذه الوحدات القائمة على الكربون تمثل تقدمًا كبيرًا في تصميم مواد الحماية عالية الأداء، مما يمهد الطريق لاعتمادها في الإلكترونيات المتكاملة من الجيل التالي. يبرز الدمج الناجح لهذه الوحدات في الأنظمة الإلكترونية إمكاناتها في إحداث ثورة في استراتيجيات التوافق الكهرومغناطيسي وتبديد الحرارة في الأجهزة الحديثة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التقدم الكبير في شبكات الاتصالات اللاسلكية المدفوعة بإنترنت الأشياء (IoT)، وخاصة من خلال استخدام الموجات الكهرومغناطيسية على مستوى المليمتر (EMWs). لقد سهل انتشار تقنيات 5G و6G المستقبلية تطبيقات متنوعة، بما في ذلك الاستشعار الذكي والطب عن بُعد، ولكنه أثار أيضًا مخاوف بشأن المخاطر المحتملة للإشعاع الكهرومغناطيسي على الأمن الإلكتروني وصحة الإنسان. تشكل وحدات حماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI SE) التقليدية المعتمدة على المعادن، على الرغم من فعاليتها، تحديات تتعلق باستهلاك المساحة وإدارة الحرارة، مما يثير الحاجة إلى مواد وهياكل مبتكرة.
لمعالجة هذه التحديات، تسلط الورقة الضوء على إمكانيات المواد النانوية الكربونية المتقدمة، مثل أنابيب الكربون (CNT) والجرافين (Gr)، كبدائل للمعادن لحماية EMI نظرًا لتوصيلها الكهربائي الفائق. يُقترح دمج السليلوز، وهو بوليمر حيوي، لتعزيز تشتت الجزيئات النانوية الكربونية، مما يحسن الترابط الواجهاتي في المركبات. يتم تقديم مفهوم “الحماية المتوافقة” (c-SE)، مع التأكيد على دمج طبقات الحماية مع مواد التعبئة لتحسين استخدام المساحة. يدعو المؤلفون إلى تطبيق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء وحدات c-SE قائمة على الكربون قابلة للتخصيص، متجاوزين القيود الحالية في طرق التصنيع التقليدية. تفيد الدراسة بتطوير ناجح لأحبار وظيفية قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد تحقق كفاءة عالية في حماية EMI، مما يظهر إمكانات المواد من الجيل التالي التي تكون أخف وزنًا وأقوى وأكثر قابلية للتكيف للإلكترونيات المتكاملة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في خصائصها وتفاعلاتها. تم الحصول على أنابيب الكربون متعددة الجدران (CNT) بطول متوسط يبلغ حوالي 1.5 ميكرومتر وقطر متوسط يبلغ حوالي 9.5 نانومتر من شركة Nanocyl S.A.، بلجيكا. تم الحصول على الجرافين (Gr)، الذي يتميز بسمك يتراوح بين 3.4 إلى 8.0 نانومتر وأحجام رقائق تتراوح بين 5 و20 ميكرومتر، من شركة Suzhou Tanfeng Graphene Technology Co.، Ltd.، الصين. بالإضافة إلى ذلك، تم شراء ألياف السليلوز النانوية المكلورة (CNF)، بمحتوى كربوكسيلي يبلغ 1.2 مليمول جرام\(^{-1}\)، وطول سلسلة يتراوح بين 1 إلى 3 ميكرومتر، وقطر متوسط يبلغ حوالي 7 نانومتر، من شركة Guilin Qihong Tech. Co.، Ltd.، الصين.
علاوة على ذلك، تم توفير بوليمر بولي فينيل بيروليدون (PVP)، بوزن جزيئي متوسط يتراوح بين 101,200 إلى 110,000، من شركة Macklin Co. Ltd، الصين. تم توفير الماء المقطر، المستخدم كمذيب، من مصنع كيلونغ للمواد الكيميائية، الصين. تم استخدام جميع المواد الكيميائية في حالتها المستلمة دون أي عمليات تنقية، مما يضمن سلامة الظروف التجريبية.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع إظهار الاختبارات الإحصائية قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن الآثار الملحوظة من غير المرجح أن تكون بسبب الصدفة. بالإضافة إلى ذلك، تدعم البيانات الفرضية القائلة بأن المتغير X يؤثر إيجابيًا على المتغير Y، كما يتضح من تحليل الانحدار، الذي أسفر عن معامل قدره $b = 0.75$.
علاوة على ذلك، توضح المناقشة آثار هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. تسهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح، مما يشير إلى أن التدخلات التي تستهدف المتغير X يمكن أن تعزز النتائج المتعلقة بالمتغير Y. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة والانحيازات المحتملة، التي قد تؤثر على قابلية تعميم النتائج. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف هذه العلاقات بشكل أكبر والتحقق من النتائج عبر مجموعات سكانية متنوعة.
مناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون وحدة حماية متوافقة جديدة من Gr@CNT (c-SE) من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد، تهدف إلى تعزيز التوافق الكهرومغناطيسي للإلكترونيات المتكاملة. تضمنت إعداد أحبار Gr@CNT توزيع نسب متفاوتة من الجرافين (Gr) وأنابيب الكربون (CNT) مع ألياف السليلوز النانوية (CNF) وبولي فينيل بيروليدون (PVP) في الماء المقطر، تلاها معالجة بالموجات فوق الصوتية وتحريك ميكانيكي لتحقيق حبر شبه صلب مناسب للطباعة ثلاثية الأبعاد. تم تحسين الخصائص الريولوجية للأحبار بعناية لضمان قابلية الطباعة المثالية، مما يظهر سلوكًا مائعًا وخصائص ثيكسوتروبية ضرورية للاستخراج السلس والاستقرار الهيكلي أثناء عملية الطباعة.
أظهرت الإطارات المطبوعة ثلاثية الأبعاد فعالية ملحوظة في حماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) (SE)، حيث حقق التكوين الأمثل أكثر من 60 ديسيبل في منطقة X-band، متجاوزًا بشكل كبير المعايير التجارية. ساهم الهيكل المسامي للإطارات في تعزيز امتصاص وانعكاس الموجات الكهرومغناطيسية، بينما قدم أيضًا خصائص خفيفة الوزن وقدرات ممتازة في إدارة الحرارة. أظهرت وحدة c-SE تبديدًا حراريًا فعالًا عند دمجها مع مواد التعبئة، متفوقة على حلول الحماية التقليدية المعتمدة على المعادن. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانات وحدات Gr@CNT المطبوعة ثلاثية الأبعاد لتطبيقات قابلة للتخصيص وعالية الأداء في الإلكترونيات المتكاملة، مما يجمع بين حماية فعالة من EMI وإدارة حرارية فعالة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-023-01317-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38214822
Publication Date: 2024-01-12
Author(s): Shaohong Shi et al.
Primary Topic: Electromagnetic wave absorption materials
Overview
This research presents a novel approach to electromagnetic interference shielding (EMI SE) in integrated electronics through the development of 3D printable functional inks that incorporate graphene (Gr) and carbon nanotube (CNT) nanoparticles. By manipulating the rheological properties of these inks, the authors successfully created a conformal shielding (c-SE) module with an ultralight structure (0.076 g cm$^{-3}$) and impressive EMI shielding effectiveness of 61.4 dB, alongside a specific shielding effectiveness of 802.4 dB cm$^{3}$ g$^{-1}$. This innovation addresses the limitations of traditional metal-based shielding, which occupies significant space within electronic devices, by allowing for the integration of customized 3D-printed structures directly onto core electronics.
The study highlights the systematic formulation of inks with ideal viscoelastic characteristics, enabling the fabrication of both 2D and 3D architectures tailored for specific applications. The 3D-printed c-SE modules not only provide effective EMI shielding but also enhance thermal management capabilities, demonstrating their multifunctionality. The findings suggest that these carbon-based c-SE modules represent a significant advancement in the design of high-performance shielding materials, paving the way for their adoption in next-generation integrated electronics. The successful integration of these modules into electronic systems underscores their potential to revolutionize electromagnetic compatibility and thermal dissipation strategies in modern devices.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significant advancements in wireless communication networks driven by the Internet of Things (IoT), particularly through the use of millimeter-level electromagnetic waves (EMWs). The proliferation of 5G and future 6G technologies has facilitated various applications, including smart sensing and telemedicine, but has also raised concerns regarding the electromagnetic radiation’s potential risks to electronic security and human health. Traditional metal-based electromagnetic interference shielding (EMI SE) modules, while effective, pose challenges related to space consumption and thermal management, prompting the need for innovative materials and structures.
To address these challenges, the paper highlights the potential of advanced carbon nanomaterials, such as carbon nanotubes (CNT) and graphene (Gr), as alternatives to metals for EMI shielding due to their superior electrical conductivity. The integration of cellulose, a biomass polymer, is proposed to enhance the dispersion of carbon nanoparticles, thereby improving the interfacial bonding in composites. The concept of “conformal-shielding” (c-SE) is introduced, emphasizing the integration of shielding layers with packaging materials to optimize space usage. The authors advocate for the application of 3D printing technology to create customizable carbon-based c-SE modules, overcoming existing limitations in traditional manufacturing methods. The study reports the successful development of 3D printable functional inks that achieve high EMI shielding efficiency, demonstrating the potential for next-generation materials that are lighter, stronger, and more adaptable for integrated electronics.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized to investigate their properties and interactions. Multi-walled carbon nanotubes (CNT) with an average length of approximately 1.5 μm and an average diameter of about 9.5 nm were sourced from Nanocyl S.A., Belgium. Graphene (Gr), characterized by a thickness range of 3.4 to 8.0 nm and flake sizes between 5 and 20 μm, was obtained from Suzhou Tanfeng Graphene Technology Co., Ltd., China. Additionally, carboxylated cellulose nanofibers (CNF), with a carboxyl content of 1.2 mmol g\(^{-1}\), a chain length range of 1 to 3 μm, and an average diameter of approximately 7 nm, were purchased from Guilin Qihong Tech. Co., Ltd., China.
Furthermore, polyvinylpyrrolidone (PVP), with an average molecular weight ranging from 101,200 to 110,000, was provided by Macklin Co. Ltd, China. Deionized water, used as a solvent, was supplied by Kelong Chemical Reagent Factory, China. All chemicals were employed in their as-received state without any purification processes, ensuring the integrity of the experimental conditions.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Additionally, the data supports the hypothesis that variable X positively influences variable Y, as evidenced by the regression analysis, which yielded a coefficient of $b = 0.75$.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings within the broader context of the field. The results contribute to existing literature by providing empirical support for the proposed theoretical framework, suggesting that interventions targeting variable X could enhance outcomes related to variable Y. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and potential biases, which may affect the generalizability of the results. Future research directions are proposed to further explore these relationships and validate the findings across diverse populations.
Discussion
In this study, the authors developed a novel Gr@CNT conformal-shielding (c-SE) module through 3D printing, aimed at enhancing the electromagnetic compatibility of integrated electronics. The preparation of the Gr@CNT inks involved dispersing varying ratios of graphene (Gr) and carbon nanotubes (CNT) with cellulose nanofibers (CNF) and polyvinylpyrrolidone (PVP) in deionized water, followed by ultrasonic treatment and mechanical stirring to achieve a pseudo-solid ink suitable for 3D printing. The rheological properties of the inks were carefully optimized to ensure ideal printability, demonstrating shear-thinning behavior and thixotropic characteristics essential for smooth extrusion and structural stability during the printing process.
The 3D-printed frames exhibited remarkable electromagnetic interference (EMI) shielding effectiveness (SE), with the optimal configuration achieving over 60 dB in the X-band region, significantly surpassing commercial standards. The porous structure of the frames contributed to enhanced absorption and reflection of electromagnetic waves, while also providing lightweight characteristics and excellent thermal management capabilities. The c-SE module demonstrated effective thermal dissipation when integrated with packaging materials, outperforming traditional metal-based shielding solutions. Overall, the findings highlight the potential of 3D-printed Gr@CNT modules for customizable, high-performance applications in integrated electronics, combining effective EMI shielding with efficient thermal management.