[논문]섬유강화 복합재료의 전자파 차폐 기구물에 대한 적용에 관한 연구

박기연; 이상의; 이원준; 김천곤; 한재흥

doi:10.7234/kscm.2006.19.3.001

문제 정의

본 연구는 복합재료를 사용하여 전자파 차폐 기구물에 적용하고자 기본적인 연구를 수행하였다.유리 직물물 복합재료를 사용한 해석적 연구와 탄소 복합재료를 사용한 실험적 연구를 수행하였다.
차폐 기구물의 차폐 특성은 이를 구성하는 재료의 물성과 두께, 그리고 기구물의 크기에 따라 달라질 수 있다. 본 연구를 통해 이런 설계 변수들을 잘 조절함으로써 흡수 성능이 우수한 복합재료 차폐 기구물의 제작 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 두 종류의 복합재료를 이용하여 차폐 기구물의 적용성에 관한 해석 및 실험적 연구를 수행하였다. 전자파 간섭 및 방사 현상이 빈번하게 발생하는 초고주파 대역에서 저주파 영역인 300 MHz ~ 1 GHz 대역을 관심 주파수로 설정했다.
본 연구에서는 전도적 특성이 우수한 탄소/에폭시 복합재료를 제작하여 기구물에 적용해보았다. (주)한국화이바의 탄소/ 에폭시 CU-125 프리프레그를 사용하였다.
살펴보았다. 실제로 기구물의 형태는 직육면체 구조에 여러 개구부를 가지나, 본 연구에서는 그러한 세부적인 설계관점을 맞추기 보다는 복합재료의 적용성을 고찰하는 것이 목적이다. 따라서 개구부가 없는 400x300x200 mm 크기의 MWNT 3.
0 복합재 기구물의 경우, 전 대역에서 약 70% (-5 dB) 이상의 전력을 차폐할 수 있으며, 두께가 4mm 이상에서는 약 90% (-10 dB) 이상의 전력을 차폐할 수 있음을 알 수 있었다. 이를 통해 MWNT 복합재료가 차폐 기구물로서 충분히 적용될 수 있음을 살펴보았다.

가설 설정

5). 입사파는 경계조건으로부터 z 축 방향으로 진행하는 평면 파 (plane wave)를 가정하였고, 평면 파가 xy 평면에 입사될 때의 SE를 구하였다. 기구물 정중앙에 전계 측정 탐촉자 (probe)< 두었다.

제안 방법

3차원 전자장 해석 프로그램인 CST MicroWave Studio를 사용하여 단층형 구조의 차폐 특성을 살펴보았다. 해석 및 경계 조건은 수직 입사하는 전자기파에 대한 전송선로 (waveguide) 중간에 시편을 두고 입력단과 출력단을 구분하여 입사된 전력량과 이에 대한 투과한 전력량을 계산하여 식 (2) 에 나타난 차폐 성능을 결과로 도출하였다.
32mm였다. 각각의 면을 아교 (glue)를 사용하여 접합하였으며, 전자기파가 접합면의 아주 미세한 틈에서의 산란. 회절하는 특성을 막기 위해, 구리 필름 (copper film)을 이용하여 접합 부분을 봉하였다.
이들의 유전율을 실험적으로 측정하여 손실 재료로서의 적용성을 고찰하였으며, 측정된 유전율 데이터를 이용하여 단층형 복합재료와 직육면체 구조의 복합재료 기구물의 차폐 성능 (Shielding Effectiveness, SE)을 시뮬레이션 툴을 사용하여 예측해보았다. 다음으로는, 전기 전도도가 우수한 탄소섬유 강화복합재료를 제작하여 전기 전도도를 측정하였고, 탄소섬유 복합재료 차폐 기구물을 제작하여 금속 기구물과 함께 차폐 성능을 무반향실 (anechoic chamber)에서 측정하였다.
실제로 기구물의 형태는 직육면체 구조에 여러 개구부를 가지나, 본 연구에서는 그러한 세부적인 설계관점을 맞추기 보다는 복합재료의 적용성을 고찰하는 것이 목적이다. 따라서 개구부가 없는 400x300x200 mm 크기의 MWNT 3.0과 MWNT 5.0 복합재료로 이루어진 기구물에대해 벽의 두께가 2.0, 수0, 6.0 mm의 조건을 주고 해석을 수행하였다. 경계조건은 무한 자유공간 모사를 위해 open(add space)를 주었으며, 해석 주파수 대역은 0.
먼저 유리섬유 복합재료에 구조적 하중 지지 외에 전자파차폐 성능을 가지도록 MWNT를 혼합하여 제작하고, 임피던스분석기를 사용하여 저주파 대역 (0.3~1 GHz)에서 이들의 유전율을 측정해 보았다. 측정된 유전율 정보를 사용하여 단층형 평판 구조와 직육면체 복합재 기구물의 차폐 성능을 3-D 전자기장 해석 툴을 사용하여 전자기장 해석을 수행하였다.
전자파 간섭 및 방사 현상이 빈번하게 발생하는 초고주파 대역에서 저주파 영역인 300 MHz ~ 1 GHz 대역을 관심 주파수로 설정했다. 먼저, 구조적 하중 지지와 전자파 흡수성능을 가지도록 MWNT를 분산시킨 유리섬유 강화복합재료를 제작하였다. 이들의 유전율을 실험적으로 측정하여 손실 재료로서의 적용성을 고찰하였으며, 측정된 유전율 데이터를 이용하여 단층형 복합재료와 직육면체 구조의 복합재료 기구물의 차폐 성능 (Shielding Effectiveness, SE)을 시뮬레이션 툴을 사용하여 예측해보았다.
앞선 22절에서 다루었던 해석 및 경계 조건은 동일하며, 재질을 완전도체 (PEC, perfect electric conductor)로 선택하여 해석을 수행하였다. 전 영역에 대해서 약 니。。dB 정도의 완전 차폐특성을 나타내었다.
0 GHz 대역에서 수행하였는데, 송신용 안테나의 작동 범위는 2 GHz 이내의 영역에서 가능했기 때문이다. 앞선 차폐 성능의 정의에 따라서 기구 물의 유무에 따른 전자기파의 전력을 측정하였고, 식 (2) 에 따라 차폐 성능 결과를 계산하였다、
유리 직물 복합재료에 전도적 특성이 우수한 MWNT〔6] 를무게비로 0.0 ~ 5.0 wt% (weight percent)까지 변화시키면서, 총 8 종류의 프리프레그를 제작하였다. 제작 시 균일하게 MWNT 분체가 분포하는 것이 중요하기 때문에 (쥐 한국화이바에서 프리프레그 제작 시 에폭시 수지(resin)에 잘 분산 시 켜서 직물에 도포하였다.
기본적인 연구를 수행하였다.유리 직물물 복합재료를 사용한 해석적 연구와 탄소 복합재료를 사용한 실험적 연구를 수행하였다.
먼저, 구조적 하중 지지와 전자파 흡수성능을 가지도록 MWNT를 분산시킨 유리섬유 강화복합재료를 제작하였다. 이들의 유전율을 실험적으로 측정하여 손실 재료로서의 적용성을 고찰하였으며, 측정된 유전율 데이터를 이용하여 단층형 복합재료와 직육면체 구조의 복합재료 기구물의 차폐 성능 (Shielding Effectiveness, SE)을 시뮬레이션 툴을 사용하여 예측해보았다. 다음으로는, 전기 전도도가 우수한 탄소섬유 강화복합재료를 제작하여 전기 전도도를 측정하였고, 탄소섬유 복합재료 차폐 기구물을 제작하여 금속 기구물과 함께 차폐 성능을 무반향실 (anechoic chamber)에서 측정하였다.
전도성이 우수한 탄소섬유 복합재료를 제작하여 전기 전도도를 측정하였고, 직육면체의 기구물을 제작하여, 금속 기구물과 함께 무반향실에서 차폐 특성 실험을 수행하였다. 제작된 기구물의 차폐 성능 측정을 통해, 금속 기구 물이 차폐 특성이 더 우수하나, 탄소/에폭시 복합재료의 경우 전대역에서 거의 99% (-20 dB) 이상의 전계를 차폐할 수 있음을 확인하였다.
제작된 복합재료를 임피던스 분석기 (Agilent E 4991A)를이용하여 저주파 대역인~ 1.0 GHz까지의 유전율을 측정하여, Fig. 2와 3에 나타냈다. MWNT의 함량이 증가할 수록유전율의 실수부와 허수부 모두 증가하였으며, 주파수가 증가함에 따라 유전율의 실수부와 허수부가 단조 감소하였다.
성형 사이클은 압력 L2 atm, 온도 80 ℃ 에서 30분, 압력 7 atm, 온도 130 ℃ 에서 120분 동안 경화 시켜 제작하였다. 표면저항측정기 (Four-point probe)를 사용하여 표면저항을 측정하여, 전기 전도도가 약 IO, S/m 임을 확인하였다.
따라서 평판에 수직 입사하는 전자기파의 입사각은 0° 이다. 해석 및 경계 조건 등은 앞선 해석과 동일하며 평면파의 입사각을 45°로 주었으며, MWNT 3.0과 MWNT 5.0의 두께 4.0 mm 의 경우 대해서 해석을 수행하였다. 차폐 성능을 살펴보면, 경사 입사의 경우에는 수직 입사의 경우보다 차폐 성능이 증가하는데, 이는 투과된 전력량이 줄어듦을 의미한다’ 0.
각각의 면을 아교 (glue)를 사용하여 접합하였으며, 전자기파가 접합면의 아주 미세한 틈에서의 산란. 회절하는 특성을 막기 위해, 구리 필름 (copper film)을 이용하여 접합 부분을 봉하였다. 제작된 직육면체 기구물의 크기는 400x300^200 mm 이다’ 금속 기구물은 알루미늄으로 제작되었고, 동일한 크기를 갖으며, 제작의 편의상 각 면의 접합은 볼트 체결로 연결되는 관계로 두께는 10mm로 제작하였다.

대상 데이터

제작하여 기구물에 적용해보았다. (주)한국화이바의 탄소/ 에폭시 CU-125 프리프레그를 사용하였다. 성형 사이클은 압력 L2 atm, 온도 80 ℃ 에서 30분, 압력 7 atm, 온도 130 ℃ 에서 120분 동안 경화 시켜 제작하였다.
각 면은 [(O/9O)3]s로 12장씩 적층하여 제작하였으며, 성형 후 평판의 평균 두께는 1.32mm였다. 각각의 면을 아교 (glue)를 사용하여 접합하였으며, 전자기파가 접합면의 아주 미세한 틈에서의 산란.
본 연구의 차폐 특성 실험은 한국전자통신연구원 (ETRI, 대전)의 전자파 무반향실 (anechoic chamber)에서 수행하였고, 이러한 측정 공간은 EMI 실험에 적합하다. 송신용 안테나는 ETS사의 3142B 모델을 사용하였으며, 수신용 다이폴 안테나는 기구물의 정 가운데에 두었다.
측정 공간은 EMI 실험에 적합하다. 송신용 안테나는 ETS사의 3142B 모델을 사용하였으며, 수신용 다이폴 안테나는 기구물의 정 가운데에 두었다. 이를 위해 안테나는 공기의 유전율을 가지는 스티로폼 위에 위치시켰다.
오토클레이브를 사용하여 압력 3 atm, 온도 80 ℃ 에서 30분, 130 ℃ 에서 90분 동안 경화시켜 제작하였다. 시편의 크기는 25x25 mm, 두께는 0.85 ~ 0.90 mm의 범위를 가졌다.
수행하였다. 전자파 간섭 및 방사 현상이 빈번하게 발생하는 초고주파 대역에서 저주파 영역인 300 MHz ~ 1 GHz 대역을 관심 주파수로 설정했다. 먼저, 구조적 하중 지지와 전자파 흡수성능을 가지도록 MWNT를 분산시킨 유리섬유 강화복합재료를 제작하였다.
회절하는 특성을 막기 위해, 구리 필름 (copper film)을 이용하여 접합 부분을 봉하였다. 제작된 직육면체 기구물의 크기는 400x300^200 mm 이다’ 금속 기구물은 알루미늄으로 제작되었고, 동일한 크기를 갖으며, 제작의 편의상 각 면의 접합은 볼트 체결로 연결되는 관계로 두께는 10mm로 제작하였다.
탄소/에폭시 프리프레그는(쥐 한국 화이바의 CU-125를 사용하였다. 각 면은 [(O/9O)3]s로 12장씩 적층하여 제작하였으며, 성형 후 평판의 평균 두께는 1.
0 wt% 첨가한 시편을 의미한다. 프리프레그는 (주)한국화이바의 Glass fabric/epoxy K618 제품이며, MWNT 는 (주)일진나노텍의 CVD MWNT95 제품을 사용하였다. 오토클레이브를 사용하여 압력 3 atm, 온도 80 ℃ 에서 30분, 130 ℃ 에서 90분 동안 경화시켜 제작하였다.
해석 및 경계 조건은 수직 입사하는 전자기파에 대한 전송선로 (waveguide) 중간에 시편을 두고 입력단과 출력단을 구분하여 입사된 전력량과 이에 대한 투과한 전력량을 계산하여 식 (2) 에 나타난 차폐 성능을 결과로 도출하였다. 해석 주파수 대역은 0.3~ 1.0 GHz이다, MWNT 복합재료는 유전적 특성이 우수한 MWNT 3.0과 5.0을 사용하였으며, 앞서 측정된 유전율 데이터를 이용하여, 평판 두께 2.0, 4.0, 6.0 mm 대해서 해석을 수행하였다.

데이터처리

마찬가지로 사용된 해석 툴은 3차원 전자장 해석 프로그램인 CST MicroWave Studio를 사용하여 기구물의 전기적 차폐 특성을 살펴보았다. 실제로 기구물의 형태는 직육면체 구조에 여러 개구부를 가지나, 본 연구에서는 그러한 세부적인 설계관점을 맞추기 보다는 복합재료의 적용성을 고찰하는 것이 목적이다.
3~1 GHz)에서 이들의 유전율을 측정해 보았다. 측정된 유전율 정보를 사용하여 단층형 평판 구조와 직육면체 복합재 기구물의 차폐 성능을 3-D 전자기장 해석 툴을 사용하여 전자기장 해석을 수행하였다. MWNT 5.

이론/모형

이를 위해 안테나는 공기의 유전율을 가지는 스티로폼 위에 위치시켰다. 전력 측정을 위한 회로 분석기(network analyzer)는 Agilent E8362B 모델을 사용하였다.

성능/효과

4는 해석 결과를 나타내고 있다. MWNT 3.0과 5.0 모두 주파수 전 대역에서 약 70% (-5 dB) 이상의 전력을 차폐하고 있음을 나타내고 있으며, MWNT 3.0 (t=6mm) 과 MWNT 5.0 (t=4mm, 6mm)의 경우에는 전 대역에서 약 90% (-10 dB) 이상의 전력을 차폐하고 있음을 보여준다.
2와 3에 나타냈다. MWNT의 함량이 증가할 수록유전율의 실수부와 허수부 모두 증가하였으며, 주파수가 증가함에 따라 유전율의 실수부와 허수부가 단조 감소하였다. MWNT 3.
10은 기구물의 차폐 특성 측정 결과를 나타낸다. 복합재료 기구물의 측정 주파수 전체에 대한 SE의 평균값은 약 -50 dB를 나타내었고, 금속 기구물의 경우에는 약 -70 dB를 나타내었다. 성능은 금속 기구물이 우수하나, 무게가 가볍고 두께가 얇은 복합재료의 경우에도 거의 대등한 차폐 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.
복합재료 기구물의 측정 주파수 전체에 대한 SE의 평균값은 약 -50 dB를 나타내었고, 금속 기구물의 경우에는 약 -70 dB를 나타내었다. 성능은 금속 기구물이 우수하나, 무게가 가볍고 두께가 얇은 복합재료의 경우에도 거의 대등한 차폐 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.
6은 복합재 기구물의 차폐 특성 해석 결과를 나타내고 있다. 앞선 평판 복합재료의 차폐 특성 결과와 마찬가지로, 복합재료 기구물의 경우에도 MWNT 함량이 증가할수록, 시편이 두꺼울수록 그 차폐 성능이 증가함을 알 수 있었다. 평균적으로 평판 구조물에 비해서 차폐 성능이 증가하였음을 알 수 있다.
0의 경우, 전 대역에서 약 70% (-5 dB) 이상의 전력을 차폐할 수 있으며, 두께가 4 mm 이상에서는 약 90% (-10 dB) 이상의 전력을 차폐할 수 있음을 알 수 았었다. 이를 통해 MWNT 복합재료가 차폐 기구물로서 충분히 적용될 수 있음을 보여주는 결과이다. 차폐 기구물의 차폐 특성은 이를 구성하는 재료의 물성과 두께, 그리고 기구물의 크기에 따라 달라질 수 있다.
수행하였다. 제작된 기구물의 차폐 성능 측정을 통해, 금속 기구 물이 차폐 특성이 더 우수하나, 탄소/에폭시 복합재료의 경우 전대역에서 거의 99% (-20 dB) 이상의 전계를 차폐할 수 있음을 확인하였다.
0 mm 의 경우 대해서 해석을 수행하였다. 차폐 성능을 살펴보면, 경사 입사의 경우에는 수직 입사의 경우보다 차폐 성능이 증가하는데, 이는 투과된 전력량이 줄어듦을 의미한다’ 0.7~0.9 GHz의 특정 주파수 영역에서는 투과된 전력이 현저하게 줄어드는 경향을 보이고 있다.

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