[논문]카본블랙을 이용한 인체감전용 전도성 도료의 개발

강계명

doi:10.3740/mrsk.2008.18.12.683

문제 정의

따라서 이들 응집현상과 공극률로 두께효과에 관한 연구결과를 추후 연구에서 밝히고자 한다. 다만 본 연구에서 묘사된 두께 변화에 따른 체적 측성치로서 표면 공극률과 응집도와의 관계를 제시하고자 한다. 한편 입도크기가 4 µm, 20 µm의 경우에는 카본블랙 함량의 증가에 따른 공극률의 변화는 미미한 것으로 조사되었다.
^9-15) 아직 본 연구에서는 두께 방향으로의 입자 분포, 공극률, 응집현상에 관한 연구가 진행중에 있다. 따라서 이들 응집현상과 공극률로 두께효과에 관한 연구결과를 추후 연구에서 밝히고자 한다. 다만 본 연구에서 묘사된 두께 변화에 따른 체적 측성치로서 표면 공극률과 응집도와의 관계를 제시하고자 한다.
이들 크기와 함량 및 두께변화에 대한 전도성 도료의 박막 표면조직과 공극률을 광학현미경으로 관찰하였다. 또한 이들 각 박막의 전기저항값의 변화를 표면저항과 체적저항값으로 조사하여, 카본블랙을 이용한 전도성 도료가 인체감전용 모델로의 적합가능성에 관한 기초적 자료를 구축하고자 하였다.
연구에서는 인체 감전 모델을 위한 전도성물질인 카본블랙을 충전제로 사용하여 인체감전용 전도성 도료를 개발하고자 하였다. 이를 위하여 카본블랙의 입도크기와 각 입도크기에 따라 함량이 조절된 박막시험편과 박막의 두께를 달리한 인체감전용 전도성 박막 시험편을 각각 제작하였다.
충전제로 사용된 카본블랙의 입도크기와 함량의 변화 및 박막의 두께가 미치는 전도성 도료의 체적저항값의 변화를 조사, 연구하였다. 카본블랙의 입도크기가 증가하면 도료의 응고과정에서 나타나는 응집현상으로 인하여 박막내 공극의 형성이 가속화되고, 카본블랙 점유율이 감소하는 것을 알 수 있었다.

제안 방법

충전제의 고정을 위하여 라카(lacquer)를 고정제(binder)로 사용하였고, 이때 용제로 공히 50 g의 시너(thinner)를 사용하여 농도가 각기 다른 전도성 도료를 제작하였다. CB/라카/시너로 제작된 전도성 도료의 구성은 충전제의 입도크기에 따라 충전제와 고정제의 비율을 1:2, 3:4, 1:1, 3:2로 조절하여 충전제의 입도크기와 함량에 따른 전도성 도료를 제작하였다. 사용된 도료 도포용 기판은 75×25 mm의 슬라이드 글래스(slide glass)를 이용하였고, 분무기(spray gun)로 도포하였다.
제작된 각 시험편의 저항 측정에 앞서, 각 시험편의 표면 조직을 광학현미경을 사용하여 관찰·조사하였다. 관찰된 표면조직으로부터 CB의 점유율과 미소공동에 의한 공극률을 각각 조사하였다. 저항값 측정은 Fig.
카본블랙의 입도크기가 80 µm의 경우 카본블랙의 함량비가 증가함에 따라 카본블랙 파우더의 응집현상은 가속화되고, 미소공동으로 관찰되는 부분도 증가함을 알 수 있다. 따라서 카본블랙의 입도크기와 미소공동의 분율은 비례관계임을 알 수 있어, 각 시험편별 미소공동의 공극률을 측정하였다.
이를 위하여 카본블랙의 입도크기와 각 입도크기에 따라 함량이 조절된 박막시험편과 박막의 두께를 달리한 인체감전용 전도성 박막 시험편을 각각 제작하였다. 이들 크기와 함량 및 두께변화에 대한 전도성 도료의 박막 표면조직과 공극률을 광학현미경으로 관찰하였다. 또한 이들 각 박막의 전기저항값의 변화를 표면저항과 체적저항값으로 조사하여, 카본블랙을 이용한 전도성 도료가 인체감전용 모델로의 적합가능성에 관한 기초적 자료를 구축하고자 하였다.
사용된 도료 도포용 기판은 75×25 mm의 슬라이드 글래스(slide glass)를 이용하였고, 분무기(spray gun)로 도포하였다. 이때 도포 횟수를 조절하여 전도성 도료 박막의 두께가 각기 다른 시험편을 제작하였다. 제작된 각각의 시험편은 4 µm 카본블랙 입도의 경우 박막 두께 30 µm에서 130 µm, 20 µm 입도크기의 경우 40 µm에서 160 µm, 80 µm 입도크기의 경우 90 µm에서 200 µm, 150 µm 입도크기의 경우 150 µm에서 300 µm로 각각 박막의 두께를 조절하였고, 오차범위는 ±5 µm로 조사되었다.
연구에서는 인체 감전 모델을 위한 전도성물질인 카본블랙을 충전제로 사용하여 인체감전용 전도성 도료를 개발하고자 하였다. 이를 위하여 카본블랙의 입도크기와 각 입도크기에 따라 함량이 조절된 박막시험편과 박막의 두께를 달리한 인체감전용 전도성 박막 시험편을 각각 제작하였다. 이들 크기와 함량 및 두께변화에 대한 전도성 도료의 박막 표면조직과 공극률을 광학현미경으로 관찰하였다.
제작된 각 시험편의 저항 측정에 앞서, 각 시험편의 표면 조직을 광학현미경을 사용하여 관찰·조사하였다.
제작된 각각의 시험편은 4 µm 카본블랙 입도의 경우 박막 두께 30 µm에서 130 µm, 20 µm 입도크기의 경우 40 µm에서 160 µm, 80 µm 입도크기의 경우 90 µm에서 200 µm, 150 µm 입도크기의 경우 150 µm에서 300 µm로 각각 박막의 두께를 조절하였고, 오차범위는 ±5 µm로 조사되었다.
사용된 파우더상태의 카본블랙(Carbon black, CB)은 1375 µΩ·cm의 평균 비저항값을 갖는 전도성 물질로 감전용 인체모델의 전도성 충전제로 사용하였다. 충전제의 고정을 위하여 라카(lacquer)를 고정제(binder)로 사용하였고, 이때 용제로 공히 50 g의 시너(thinner)를 사용하여 농도가 각기 다른 전도성 도료를 제작하였다. CB/라카/시너로 제작된 전도성 도료의 구성은 충전제의 입도크기에 따라 충전제와 고정제의 비율을 1:2, 3:4, 1:1, 3:2로 조절하여 충전제의 입도크기와 함량에 따른 전도성 도료를 제작하였다.

대상 데이터

2는 도포가 완료된 시험편의 전도성 박막 표면을 광학현미경을 사용하여 관찰한 사진으로서 밝은 부분이 카본블랙이다. 본 사진에서는 가로축은 일정한 입도에서의 함량 변화에 따른 표면조직 사진이고, 세로축은 일정 함량하 입도크기의 변화에 따른 각각의 표면조직 사진이다. Fig.
본 실험의 인체감전용 전도성 도료의 제작을 위하여 충전제(filler)로 4, 20, 80, 150 µm의 평균 입도크기의 카본블랙을 이용하였다.
사용된 도료 도포용 기판은 75×25 mm의 슬라이드 글래스(slide glass)를 이용하였고, 분무기(spray gun)로 도포하였다.
사용된 파우더상태의 카본블랙(Carbon black, CB)은 1375 µΩ·cm의 평균 비저항값을 갖는 전도성 물질로 감전용 인체모델의 전도성 충전제로 사용하였다.

이론/모형

(b)와 같은 ASTM F-43-93의 2단자법에 의거한 체적저항값(ρ) 변환식을 활용하여 인체모델용 저항값으로 변환시켰다.

성능/효과

(a)의 카본블랙 입도크기가 4 µm이고 카본블랙의 함량이 6 g 이상의 경우부터 박막 두께가 증가하여도 체적저항값의 변화는 거의 나타나지 않는 것으로 조사되었다.
80 µm 이상의 입도크기에서는 함량의 증가가 체적저항값의 감소로 이어지고, 따라서 안정된 체적저항값을 가지는 박막의 두께는 증가하여야 한다는 연구결과로 나타났다.
그러나 4g의 카본블랙 함량에서 초기박막 두께가 30 µm에서 체적저항값은 가장 높게 나타났으며, 90 µm이상 박막 두께가 증가함에 따라 체적저항값이 감소하는 것을 볼 수 있었다.
그러나 공극률과 점유율관계의 Table 2의 결과에서는 4 µm와 20 µm의 경우, 공극률의 변화는 적었으나 점유율은 다소 증가하는 것을 볼 수 있었고, 80 µm에서부터 공극률과 점유율이 함께 변화하는 것을 알 수 있었다.
다만 공극률과 점유율의 관계만으로 비교할 경우에는 80 µm , 150 µm에서 점유율이 공극률보다 체적저항값의 변화에 다소 지배적 인자로 작용하고 있음을 알 수 있었다.
카본블랙의 입도크기가 증가하면 도료의 응고과정에서 나타나는 응집현상으로 인하여 박막내 공극의 형성이 가속화되고, 카본블랙 점유율이 감소하는 것을 알 수 있었다. 더욱이 박막내 형성된 응집현상은 카본블랙 입자사이의 접점의 감소를 유발하여 체적저항값이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 충전제의 함량에 따라 박막내 접점의 형성, 이에 따른 박막의 체적저항값이 변화하는 것으로 조사되었다.
또한 카본블랙의 함량도 박막내 접점 형성에 주요 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 카본블랙을 충전제로 사용한 본 연구의 인체감전모델 연구에서 각 인체부위별 체적저항값을 고려한 전도성 도료의 제작을 위해서는 전도성 충전제의 입도크기와 함량 변화 및 두께의 상관관계가 중요한 인자임을 알 수 있었다.
더욱이 박막내 형성된 응집현상은 카본블랙 입자사이의 접점의 감소를 유발하여 체적저항값이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 충전제의 함량에 따라 박막내 접점의 형성, 이에 따른 박막의 체적저항값이 변화하는 것으로 조사되었다. 인체감전모델을 위한 카본블랙 전도성 도료의 개발에 있어 박막내 응집현상과 충전제의 입도크기와 함량 변화 및 두께 변화는 체적저항값의 주요 인자임을 확인할 수 있었다.
카본블랙의 입도크기가 80 µm 이상 증가는 응고과정에서 발생하는 응집현상으로 박막내 공극이 형성되어, 카본블랙간의 접점을 저해하는 인자로 사료된다. 또한 카본블랙의 함량도 박막내 접점 형성에 주요 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 카본블랙을 충전제로 사용한 본 연구의 인체감전모델 연구에서 각 인체부위별 체적저항값을 고려한 전도성 도료의 제작을 위해서는 전도성 충전제의 입도크기와 함량 변화 및 두께의 상관관계가 중요한 인자임을 알 수 있었다.
입도크기가 80 µm 이상 경우부터 공극률 증가의 영향이 카본블랙 함량 증가의 영향보다 체적저항값에 더 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
충전제로 사용된 카본블랙의 입도크기와 함량의 변화 및 박막의 두께가 미치는 전도성 도료의 체적저항값의 변화를 조사, 연구하였다. 카본블랙의 입도크기가 증가하면 도료의 응고과정에서 나타나는 응집현상으로 인하여 박막내 공극의 형성이 가속화되고, 카본블랙 점유율이 감소하는 것을 알 수 있었다. 더욱이 박막내 형성된 응집현상은 카본블랙 입자사이의 접점의 감소를 유발하여 체적저항값이 증가하는 것으로 나타났다.
한편 함량의 증가에 따라 박막내 카본블랙이 차지하는 점유율과 공극률은 반비례하는 결과로 조사되었다. 카본블랙함량이 증가함에 따라 점유율은 다소 증가하지만 공극률은 큰 폭으로 감소하는 것으로 조사되었다. 이는 함량의 증가가 카본블랙 입자사이의 접점의 증가현상으로 나타나 체적저항값의 감소로 이어지는 결과로 생각된다.

후속연구

^1-2) 그러나 감전용 인체모델 연구는 인체 조직에 관한 연구의 특수성에 기인하는 연구의 한계성과 인체 구성의 다양성 및 저항의 가변성으로 인하여 감전연구의 한계성을 지니고 있다. 이에 인체와 유사한 저항값을 갖는 전도성 물질의 개발, 감전에 따른 유사 인체 모델 연구를 위한 대체재로 고려할 수 있다.^3-5)

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전도성 물질 중 복합계는 무엇으로 구성되는가?	전도성 물질로는 무기계, 유기계, 복합계로서, 무기계는 금속원소가 주요 구성원소이고, 유기계는 자체 전도성을 갖는 고분자 물질이 주요 구성물질로 있다. 복합계는 전도성 충전제와 바인더로 구성되며, 충전제로 금속 분말, 카본블랙, 그라파이트가 이용되는 전도성 복합체로 있다. 이들 중 카본블랙과 그라파이트를 혼합한 전도성 물질 복합체는 전자파 차폐재로 많은 연구의 대상이 되고 있다.
	감전용 인체 모델 연구란 무엇인가?	감전용 인체 모델의 연구는 인체에 인가되는 전압 즉, 통과하는 통전전류에 대한 인체 반응성을 평가하는 것으로서 인체 부위의 전기저항 반응성 연구가 인체 감전 연구의 주요대상이다. 이는 인체조직의 저항/전류에 관한 전기적 특성을 분석하여, 이를 근거로 감전 연구를 위한 인체 모델의 제작이 가능하기 때문이다.
	통전전류란 무엇인가?	이는 인체조직의 저항/전류에 관한 전기적 특성을 분석하여, 이를 근거로 감전 연구를 위한 인체 모델의 제작이 가능하기 때문이다. 이때 통전전류는 옴의 법칙에 의한 인체에 인가된 전압을 인체 즉, 통전회로의 전기저항으로 나눈 값으로, 통전회로는 인체저항이 바로 전기저항체가 된다.

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