电磁波遮蔽材料涂布技术简介

电磁波遮蔽材料与技术简介电磁波遮蔽材料与技术简介 2015-03-11 郭又铨等 摘要摘要 电磁波遮蔽相关产品在科技快速发展及电子产品普及应用的今日扮 演举足轻重的角色，如何隔绝电子产品使用中产生之电磁波也成为 各大研究团队的主要开发方向。本文由电磁波及其遮蔽机制出发， 先讨论常见之电磁波遮蔽材料及制程，再分析未来产品之主要发展 方向，希望能提供未来踏入此领域之专家学者做为重要之参考数据 之一。 一、电磁波简介一、电磁波简介 近年来科技的蓬勃发展为人类带来各式各样创新且方便的生活，然 而凡事一体两面，科技同时也为人类带来潜在的危机，举凡各种电 子产品皆带有电磁波，当一般大众使用电子产品时，将暴露在电磁 波下，无形中会对人们造成直接或间接建商影响。简单来说，电磁 波是传递能量的一种方式，由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在 空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场 构成的平面。电磁波的传递不须介质，载体为光子，凡是物体本身 温度大于绝对零度皆可以发射电磁波 1。依据能量的高低可将电磁 波分为以下三类，分别为： 1. 无热效应的非游离辐射:能量最强，足以将分子结构打散成带电的 离子，会改变或损坏生物细胞，而导致病变，如伽玛射线线(-ray) 、x 光线(-ray)等。 2. 有热效应的非游离辐射:能量弱，但是仍会造成温度改变，如微波 、紫外线。 3. 游离辐射:能量最弱，无法造成温度改变，一般使用的家电用品及 智能型手机为此范畴。 而依据频率的高低可以将电磁波由频率低到高依序分为，无线电波 、微波、红外线、可见光、紫外线、x 射线、 射线，频率越高能量 越强，其中微波的频率介于 300MHz300GHz，早期运用在通讯产 品，现代则常见于食物加热相关应用，微波因为可以穿透介质直接 加热，因此可以大幅缩短加热时间，微波主要是利用与水的作用来 加热食物。可见光波长大约介于 300nm700nm，而依据不同的波 长也会产生不同颜色的可见光，通常波长越长代表穿透力越强，在 一个密闭的暗室里，外面的可见光无法穿透墙壁使暗室明亮，然而 波长较长的无线电波却可以穿透墙壁，故在暗室里可以侦测到无线 电波的讯号却无法看到可见光，紫外光在一般生活中被视为对人体 有害的电磁波，有可能会造成皮肤病以及细胞退化，然而紫外光在 工业上应用广泛，举凡基材与产品清洁、UV 光固化流程及侦测挥发 性有机气体等，均为其应用之范围，故操作人员须与紫外光隔离， 以免对身体健康造成危害。日常生活中，电磁波无所不在，即使能 量较低的非游离辐射，仍可能在长期使用下对人们造成伤害，而电 磁波对人们造成危害可大致分为以下五类，分别为： 1. 中枢神经的系统伤害:出现神经衰弱症候群，有可能会产生头疼、 记忆力减弱、失眠等。 2. 心血管系统的伤害:使血管通透性和张力降低，容易造成心动过缓 症状。 3. 免疫功能的伤害:使身体抵抗力下降，容易受到各种疾病攻击 4. 视觉功能的伤害:容易造成眼球内部温度过高，视觉疲劳以及白内 障等等疾病 5. 致癌的伤害:经由一些动物实验发现会促使致癌的机率提高 虽然电磁波不全然只对人类有害，有些医疗设备运用 x 光、红外线 等等都是有利于人们健康检查的精密设备，然而电磁波对人们的危 害却不能忽略带过，因此如何防范电磁波在一般大众生活中造成的 潜在危险是为十分重要的研究课题。 二、电磁波遮蔽机制二、电磁波遮蔽机制 抑制电磁波干扰的方法有三种，滤波器、遮蔽材料、隔离装置，其 中遮蔽材料抑制电磁波干扰是最有效的方法，根据 Schelkunoff 理 论 2，材料对电磁波的屏蔽行为依阶段性可分为三种，反射损失、 吸收损失及多重反射损失，其示意图如图一所示。 图一、电磁波遮蔽行为示意图 1 当电磁波在空间中传播时，由于时变电场与磁场互相影响，透过马 克威尔方程式的观察，可以发现对同一种材料电场值与磁场值之间 有一固定的比值，可藉此定义出特征阻抗()来表示此两者的关系， 当电磁波的路径是由无限大的真空进入无限厚的材料时，真空中感 受到的自然阻抗值与材料中感受到的阻抗值不同，这时会造成阻抗 不匹配并且发生反射，因此反射是发生在材料的交界面上，此步骤 为第一阶段的屏蔽效应。假设一电磁波由介质 1 射入介质 2 且在介 质 1 的本质阻抗为(1)，在介质 2 的本质阻抗为(2)，此时可以定 义反射系数： 当 21 时，反射系数为无穷大，此时介值 2 为理想导体，电磁 波完全反射。 当 12 时，反射系数为无穷大，此时介值 2 为超导体，电磁波 完全反射。 当 1=2 时，反射系数为零，电磁波反射不会发生。 因此我们可藉由调整不同材料的阻抗值得到不同的电磁波吸收效果 。吸收损失发生于电磁波在材料内部传播时，因吸收而消耗的能量 ，不同的材料有不同的吸收机制，大致上可分为电阻性、磁性、介 电性吸收机制三种。电阻性吸收机制指在电磁波电场加速的作用下 ，材料中传导带的自由电子会冲撞材料内的原子，这时电子的运动 会受到阻碍，动能会转换成热能，此一热能就是电磁波消耗的能量 。磁性吸收机制指电磁波的磁场与磁性材料作用时，材料内部的磁 偶矩倾向顺着磁场的方向排列，因此当电磁波的磁场方向随着频率 变动而改变时，材料内的磁偶矩也会为之而变，然而材料本身会抵 抗并且产生磁滞现象，并消耗电磁波本身之能量。介电性吸收机制 指电磁波的电场与介电性材料作用时，电偶矩会受到电场的作用呈 旋转运动，由于电子有惯性作用导致材料内部有类似摩擦力的损耗 能量存在，会消耗外部电场所作用的能量。多重反射损失则多半在 很薄的材料中发生,当电磁波进入屏蔽体后,因为外在环境与屏蔽体内 部阻抗之差异而被局限在材料中,因此反复产生反射,在材料内部震荡,并 消耗部份电磁波能量。 定义电磁波屏蔽效率如下列所示: SE(shieldingeffectiveness)=A+R+M 其中 A 代表吸收损失，R 代表反射损失，M 代表多重反射损失 电磁波遮蔽效率是用来测量电磁波遮蔽效果的程度，定义在相同距 离下，无屏蔽材料下某点入射波的强度与有屏蔽材料下该点强度的 比例，计算公式如下: SE=log(Ein/Eout) =log(Pin/Pout) =log(Hin/Hout) 其中 SE 的单位为 dB，E 为电场强度，P 为电功率，H 为磁场强度 ，一般而言，SE 小于 30dB 效果较差，SE 介于 30dB60dB 可应 用于一般工业或商业用电子设备，当 SE 介于 60dB90dB 时效果最 优，应用于要求较高的高敏感度产品。根据实用所需，一般认为 SE 至少要达到 35dB 才能作为有效遮蔽电磁波 3。 三、电磁波遮蔽材料与制程三、电磁波遮蔽材料与制程 材料具导电性是可遮蔽电磁波的必要条件，由于金属具有良好之导 电性，是常用以遮蔽电磁波之材料之一，大型电子设备通常以金属 作为外壳以阻隔机台运作过程中产生之电磁辐射；一般泛用高分子 材料不具导电性，需与导电材料混合射出或涂布才可遮蔽电磁波。 常见用以阻隔电磁波之金属材料为 mumetal，为 14 %的铁，5 % 的铜，1.5 %的铬及 79.5 %的镍组成之合金，具有良好之屏蔽性。 其他材料如铝、黄铜、银、不锈钢等，均为可屏蔽电磁波之材料。 虽然金属具良好的电磁遮蔽性，然而在今日产品设计考虑轻薄的前 提下，在相同的产品尺寸，金属材料通常重量较重，加工成本也较 高，若要解决金属重量对使用电子产品的方便性造成的影响，公开 研究常以镁或铝镁合金作为电磁遮蔽之金属材料，其优点为质量较 轻，且具有相当优良的遮蔽效果；然而镁为活泼金属，在空气中亦 与氧气反应生成氧化镁，影响电磁波遮蔽效率。公开研究常以保护 性涂布进行表面处理，但成型组件表面容易产生缺陷造成耐蚀性不 佳，复杂的加工程序如填孔、修整及防蚀处理等也使制作成本较其 他材料高出许多。另一方面，铝镁合金加工不易，无法制作几何形 状较为复杂的组件，是其在产品应用上的主要限制。 由于金属在电磁波遮蔽的应用范围有限，考虑高分子材料具有良好 的加工特性，许多著名的研发团队改在高分子材料中加入导电材料 以增强电磁波遮蔽效果。虽然塑料材料本身不导电，加入导电材料 能提供的遮蔽效果与金属比较亦有待开发，但随着电子产品发展朝 向轻量化及高装配等特性，能提供电磁遮蔽的高分子导电复合材料 是未来产品开发的重点方向。 一般塑料材料的电阻为 10151018-cm，是电的绝缘体，为了使 塑料材料具导电性，将碳黑或碳纤维加入塑料材料中为科技发展的 重大突破之一 4。碳元素的基本电子组态为 1S22S22P2，当外层 电子与其他原子键结，S 价的电子将跳跃至 P 激发态，使高分子材 料具不同之特性。碳元素在大自然中主要以两种形式存在，分别为 石墨与钻石，石墨之碳原子形成 SP2 混成轨域，使之形成片状结构 ，多出一个价电子可在轨域中自由移动，故具导电性。 碳黑最早用于改善橡胶或塑料材料之机械强度，由于本身为半导体 ，故被用来加强高分子材料之导电性或抗静电性。Calleja 等人5将 碳黑及碳纤维加入 HDPE 中以提升其导电性，研究结果显示碳纤维 可提升长距离电子传递速度，而碳黑可连接不同长度之碳纤维，使 电子传递更顺畅。碳纤维为电及热的良导体，其密度为 1.2g/cm3， 远比大部分的金属材料轻，加上其高机械强度、低热膨胀系数及易 于加工等特性，使它成为工业应用常见之明星材料之一。 由于碳纤维具导电特性，且紧密之纤维结构使它具有优良的机械性 质，可作为易受电磁波干扰之电子产品外壳，许多产学研机构也积 极开发含碳纤维复合材料，并开发电磁波遮蔽相关产品。含碳纤维 之复合材料主要制作方法为以塑料材料如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树 脂 (acrylonitrile butadiene styrene, ABS)、耐龙 (nylon 6, 6)或环 氧树脂为基底，碳纤维为填充材料，以一定比例混合之后射出或涂 布成型，即可作为电磁波遮蔽材料或产品，其遮蔽效率最高可达 12 4 dB6。另一方面，以碳材作为电磁波遮蔽之研究也是未来许多研 发单位的重要方向，Luo 及 Chung 7以可挠式碳材作为电磁波遮 蔽材料，其遮蔽效率可达 130 dB，比一般铜金属遮蔽效率佳，可作 为一般电子机械之防电磁波缓冲材。奈米碳管 8具有优越的高长宽 比及导电性，在电磁波遮蔽的应用具有很好的发展潜力，因为奈米 碳管完美的 SP2 键结，具有很好的弹性，杨式系数为钢的五倍左右 ，以奈米碳管作为电磁波遮蔽的复合材料，可作为高强度及隔绝电 磁波之电子产品外壳，但导电碳管在高分子材料中不易分散，且奈 米碳管价格跟传统碳材相比仍高出许多，是其在市场上无法普及的 主因之一。 对于高分子添加导电粒子之系统而言，复合材料可具电磁遮蔽的必 要条件为超过材料导电的渗透阀值，除了碳材之电磁遮蔽应用之外 ，公开研究亦将金属粒子或纤维加入高分子材料内以加强电磁遮蔽 效果。金属粒子与纤维主要以不锈钢、铝、铜等材料为主，高分子 材料以 ABS、耐龙、PET、PC 及 PS 为主，经金属化处理之高分 子材料具有永久的抗静电性，可吸收电磁波辐射，对于紫外线及红 外线具有良好的反射及吸收特性，主要可分为四大制程，分别为真 空镀膜、精密涂布、化学镀法及离子电镀法，遮蔽效率随金属材料 厚度增加而上升，一般而言金属的遮蔽效率优于碳材，金属粒子或 纤维已广泛与高分子材料结合以遮蔽电磁波，公开文献亦有将贵金 属如金、银或白金等混入高分子材料以遮蔽电磁波等相关研究，但 若以成本考虑，铝薄片是最常用来遮蔽电磁波之高分子填充物，其 遮蔽效率可达 30-40dB 1。 目前金属高分子复合材料可作为家用微波炉、吹风机、手机抗电磁 波之外壳或高频辐射装置之护罩，或是作为功能性织物。金属化织 物能保有原织物之材料特性并反射 99 %以上之电磁波，故可作为 房屋壁纸、防辐射之工作服或窗帘等；甚至可应用于建筑产业，增 强土木结构及混凝土之抗压及抗腐蚀之能力，并减少裂缝生成以延 长使用寿命等，是目前常用来遮蔽电磁波之工业材料之一。虽然金 属高分子复合物是常见的抗电磁波产品，然而其制程大多以真空镀 膜或电镀为主，真空制程之能耗较一般制程高出许多，不仅加速了 地球上有限能源的消耗，也使温室气体排放量居高不下；电镀制程 之电解液回收不易，容易造成环境污染及产生有毒物质，现今环保 意识逐渐强势，产品开发讲求绿色制程，因此寻找绿色能源制程以 开发产品是日后各大产学研机构之重要开发方向。 四、未来发展方向四、未来发展方向 自从 1977 年发现导电高分子之后 9，其在电子产品之应用如导电 薄膜、光电产品制作、抗静电及电磁波等也成为未来发展的明日之 星。由于导电高分子可分散于无毒溶剂中，故可以绿色之精密涂布 制程制作抗电磁波产品。精密涂布制程 10为一套历史悠久的制膜 技术，所谓的精密涂布，是将具有特定功能之材料附着于一基材表 面上，以改变基材表面的功能，利用涂布层表面的特性来增加此物 品之功能与价值，进而提高产品的使用价值。举凡涂料、涂漆、上 色等都可以归类为精密涂布制程，所涵盖的范围非常广，从高性能 上游原料的制作，如涂液或黏着剂的配制，至中游关键零件的制作 ，如显示器中的彩色滤光片和光学膜，以及电子组件中的印刷电路 板，到日常生活中常见的下游产品，如光盘片、卷标纸、数字喷墨 印刷材料、胶带、照相胶卷等，皆可以被归类为涂布工业的产品。 现今科技产品的趋势愈来愈往轻、薄、短、小的方向来发展，以精 密涂布制程的方式制作功能性薄膜之产业应用将愈来愈广泛，例如: 有机发光二极管、染料敏化电池、有机或无机太阳能电池、多层陶 瓷电容器薄膜、锂电池电极材料、直接甲醇燃料电池膜电极组材料 等光电组件，都显示了精密涂布制程的不可或缺性。 最常用来遮蔽电磁波的导电高分子为 polyaniline 或 polyrrole，密度 在 1.1-1.3 g/cm3 之间 11，远比金属材料低许多，导电高分子有 优异的防蚀特性，故常用来制作军事用之电磁遮蔽护罩或是一般电 子产品之抗电磁波