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문제 정의
- 본 연구에서는 전자파 차폐재의 고성능화에 목표를 두고 구리보다 1000배 이상의 전기전도 특성을 가지는 CNT를 이용하여 더욱 효과적인 차폐효율을 가지는 시트를 제조하고자 하였다. CNT는 흑연면(graphite sheet)이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말려 관 모양을 이루고 있으며 관의 지름이 수∼수십 나노미터에 불과하다[7,8].
- Fe계 금속분말을 이용하여 전자파 차폐 및 흡수 시트를 제작하였다. 제작된 시트에 첨가되는 CNT 양의 변화에 따른 전자파 차폐효율을 측정해 보았으며, 전자파 감쇠 특성을 향상시키고자 하였다. CNT를 첨가하지 않은 시트의 제조는 용질/용매 비율이 91.
제안 방법
- 전자파 차폐 및 흡수에 많은 영향을 미치는 전기 전도도(체적저항)를 측정한 결과를 Figure 5에 나타내었다. 각기 다른 조건으로 제작된 두 가지 시트의 저항이 얼마만큼의 효과를 얻었는지 알기 위해 시중에 상용화되고 있는 제품과 비교분석하였다. S4 시트는 상용제품에 비해 저항 값이 두 배 이상 높게 나타나는 것을 확인하였다.
- 출발원료는 극성용매를 사용하기 때문에 적절한 교반속도, 적절한 온도, 오염방지 등의 조건을 만족해야 한다. 금속분말, 바인더를 용질로, MEK와 cyclohexanone을 용매로 정하고, 상용화 시트 제조비율인 용질 : 용매가 75.37 : 24.63에서 그 비율을 다르게 하여 S1～S6로 지정한 시트를 각각 제작하였다. 각 시편들의 조성은 Table 1에 나타내었다.
- 미세구조 및 조성분석은 SEM과 EDS를 통해 분석하였다. 시편의 크기는 가로, 세로 0.
- 마지막으로 다발형 CNT는 단중벽 CNT가 여러 개 붙어서 다발을 이룬 튜브 형태를 가지고 있다[11]. 본 연구에서는 다중벽 CNT를 이용하였으며, 두께와 CNT 함량 변화에 따른 변수들을 조절하여 차폐효율의 최적화를 시도하였다.
- 전자파 흡수시트의 표면 및 성분분석을 통하여 제작 시 오염 여부와 CNT의 첨가가 적절하게 이루어졌는지를 확인하였다. 비교분석을 위하여, 아무것도 첨가하지 않은 일반 전자파 흡수 시트인 S4와 CNT를 각각 1, 1.5, 2% 첨가한 CS1, CS2, CS3 시트들의 표면을 관찰하였으며, 그 결과를 Figure 3에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이, CNT의 첨가에 따라 입자들이 더 조밀해지는 것을 관찰할 수 있다.
- 시트 제작을 위하여 CNT를 금속분말에 각각 1, 1.5, 2%를 첨가하였다. 2% 이상의 첨가는 시트 제작이 불가능하였다.
- 전자파 흡수시트의 표면 및 성분분석을 통하여 제작 시 오염 여부와 CNT의 첨가가 적절하게 이루어졌는지를 확인하였다. 비교분석을 위하여, 아무것도 첨가하지 않은 일반 전자파 흡수 시트인 S4와 CNT를 각각 1, 1.
- S4 시트와 CNT를 첨가한 CS 시트의 차폐효율을 측정하여, 그 결과값을 Figure 6에 나타내었다. 정확한 결과 진단을 위해 역시 상용 제품과 차폐 효율을 비교분석하였다. S4 시트의 경우는 상용제품보다 2배 정도 낮은 차폐효율 값을 나타내었다.
- 증착된 시트의 차폐효율은 전자파 차폐효율 측정기(EMI System/Rhode & Schwartz, Germany)를 이용하여 평가하였으며[13], 시트의 주파수별 차폐효율을 알아보기 위해 30∼1500 MHz의 영역에서 측정을 행하였다.
- 차폐효율을 측정하기 전 시편의 4-Point Probe를 이용한 체적저항을 측정함으로써 전기적 특성을 우선 분석하였다. 사용된 장비는 CMT-SR1000N이었으며, 시편의 크기는 차폐효율 측정에 사용된 것과 동일한 11 cm의 원형인 것을 사용하였다.
대상 데이터
- Fe계 금속분말을 이용하여 전자파 차폐 및 흡수 시트를 제작하였다. 제작된 시트에 첨가되는 CNT 양의 변화에 따른 전자파 차폐효율을 측정해 보았으며, 전자파 감쇠 특성을 향상시키고자 하였다.
- Sheet 제조에 사용된 metal powder는 Fe가 주성분으로 Cu, Cr, Si가 미량 첨가되어 있으며, 50～120 µm 크기의 구형입자로 대주전자재료에서 구입하여 후가공 없이 사용하였다.
- 43%이다. 그리고, 용매로는 덕산약품공업사의 methyl ethyl ketone (MEK)을, cyclohexanone은 Sigma Aldrich사에서 공급받아 정제 없이 사용하였다. 전자파 차폐 특성 향상을 위하여 사용된 CNT는 CNT사의 MWNT (Multi-Walled Carbon Nanotube) 제품인 CTube 100을 사용하였다.
- 차폐효율을 측정하기 전 시편의 4-Point Probe를 이용한 체적저항을 측정함으로써 전기적 특성을 우선 분석하였다. 사용된 장비는 CMT-SR1000N이었으며, 시편의 크기는 차폐효율 측정에 사용된 것과 동일한 11 cm의 원형인 것을 사용하였다. 증착된 시트의 차폐효율은 전자파 차폐효율 측정기(EMI System/Rhode & Schwartz, Germany)를 이용하여 평가하였으며[13], 시트의 주파수별 차폐효율을 알아보기 위해 30∼1500 MHz의 영역에서 측정을 행하였다.
- 2% 이상의 첨가는 시트 제작이 불가능하였다. 시트 제작에 사용된 금속분말은 원형의 입자를 attrition mill을 이용하여 판형 형태로 가공하였다.
- 미세구조 및 조성분석은 SEM과 EDS를 통해 분석하였다. 시편의 크기는 가로, 세로 0.3 mm인 정사각형으로 제작하였으며, 금으로 코팅한 후 관찰하였다.
- 각 시편들의 조성은 Table 1에 나타내었다. 완성된 슬러리는 점도실험을 통해 비율을 결정하였으며, 용매의 비율이 줄어들수록 점도가 높아져 시트 제작이 불가능하기 때문에, 최종 시편은 용매와 용질의 비율이 시트 제작에 적합한 점도를 가지는 S4시편으로 결정하였다.
- 그리고, 용매로는 덕산약품공업사의 methyl ethyl ketone (MEK)을, cyclohexanone은 Sigma Aldrich사에서 공급받아 정제 없이 사용하였다. 전자파 차폐 특성 향상을 위하여 사용된 CNT는 CNT사의 MWNT (Multi-Walled Carbon Nanotube) 제품인 CTube 100을 사용하였다.
- 증착된 시트의 차폐효율은 전자파 차폐효율 측정기(EMI System/Rhode & Schwartz, Germany)를 이용하여 평가하였으며[13], 시트의 주파수별 차폐효율을 알아보기 위해 30∼1500 MHz의 영역에서 측정을 행하였다. 측정을 위한 시편의 크기는 ASTM D-4935의 규격인 지름 11 cm의 원형으로 제작하였다.
데이터처리
- 제조된 전자파 흡수 시트의 기계적 특성을 분석하기 위하여 KYUNG-SUNG Testing Machine을 이용하여 인장강도와 연신율을 측정하였다. 측정 조건으로는 dumbbell형 시편을 만들고 100 N의 load cell로 5 mm/min의 속도로 3회 측정하여 평균값을 구하여 비교분석하였다.
이론/모형
- 제조된 전자파 흡수 시트의 기계적 특성을 분석하기 위하여 KYUNG-SUNG Testing Machine을 이용하여 인장강도와 연신율을 측정하였다. 측정 조건으로는 dumbbell형 시편을 만들고 100 N의 load cell로 5 mm/min의 속도로 3회 측정하여 평균값을 구하여 비교분석하였다.
성능/효과
- 63이었던 S4의 비율에서 제작이 가능하였다. CNT를 첨가하였을 경우에는 함량이 증가할수록 전기저항이 감소하고 차폐효율이 증가하지만, 점도가 너무 높아져 시트 제작이 불가능하기 때문에 2% 이내의 함량으로 시트를 제작하는 것이 적당하다는 것을 알 수 있었다. 차폐효율은 전자파 흡수 시트에 CNT를 첨가하였을 때 현재 상용화 되고 있는 제품보다 2배 높은 63 dB의 차폐효율을 나타내었다.
- 흡수시트 제조에서 CNT의 밀도향상이 시트의 구조를 더욱 조밀하게 만들므로 인장강도가 향상된 것으로 생각한다. 따라서 CNT의 첨가는 전자파 흡수성능의 향상을 기대할 뿐 아니라, 기계적 물성의 증가도 기대할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 연신율의 경우 인장강도의 반대효과를 보여주었다.
- 셋째로 전파 잡음이 원인이 되는 전자기기의 내부반사, 회로 기판의 상호 간섭 및 주변 전자 기기로의 간섭 등의 심각성도 크게 증대되어 문제를 일으키는 발생원을 원천적으로 차폐 또는 흡수할 수 있는 전자파 흡수제의 사용이 증가되고 있다. 또한 우리나라의 주력 산업인 IT분야가 전자파와 밀접한 관계를 가지고 있어 위에서 언급한 문제점의 논란이 지속될 경우 궁극적으로 경제활동에 영향을 미칠 수도 있다[6].
- 인장강도의 경우 상업용 시트에 비하여 상당히 감소된 것을 보여주며, 이것은 시트의 두께와도 관련이 있는 것으로 상업용 시트에 비하여 본 연구에서 제조된 시트의 두께가 절반으로 줄어든 결과에 기인한다고 사료된다. 시트의 두께는 최종 제품(전자기기)의 두께에도 영향이 있으므로 최대한 얇은 것이 더 유리하여 본 연구에서는 상업용 시트보다 두께를 절반으로 줄인 결과 인장강도의 저감이 나타났다. 그러나 인장강도의 경우 제품의 제조공정에서 흡수시트에 과도한 강도가 요구되지 않으므로 인장강도의 저감은 최종 제품의 제조에 전혀 문제가 되지 않고 있다.
- 두 종류의 시트를 표면 관찰한 후 성분분석을 한 결과를 Figure 4에 나타내었으며, 두 경우 모두 시트 제작에 불순물 등의 오염문제는 없다는 것을 확인할 수 있었다. 시트의 주성분인 Fe가 다량 검출되었으며, 그 외에 금속분말 자체 내에 소량 첨가되어 있는 Si와 Cr을 확인할 수 있었다. 또한 CNT를 첨가한 (a)의 경우(Figure 4) 주성분인 C가 검출됨을 확인하였다.
- 이것은 CNT의 첨가가 물리적인 혼합에 의한 것으로 CNT와 흡수시트용액과의 화학적 결합이 없기 때문이다. 실제 위의 샘플을 이용하여 전자기기에 적용한 결과 최종 기기의 제조에 큰 문제가 없음을 확인하였으며, 따라서 본 연구에서는 더 이상의 기계적 특성의 향상을 시도하지 않았다.
- CNT를 첨가하였을 경우에는 함량이 증가할수록 전기저항이 감소하고 차폐효율이 증가하지만, 점도가 너무 높아져 시트 제작이 불가능하기 때문에 2% 이내의 함량으로 시트를 제작하는 것이 적당하다는 것을 알 수 있었다. 차폐효율은 전자파 흡수 시트에 CNT를 첨가하였을 때 현재 상용화 되고 있는 제품보다 2배 높은 63 dB의 차폐효율을 나타내었다.
후속연구
- 반면 CNT를 첨가한 시트의 경우 상용제품에 비해 3배 높은 차폐효율을 나타내는 것을 확인 할 수 있으며, 이와 같은 결과는 전기적 저항 값의 결과와 잘 일치하고 있다. 특히 적은 양의 CNT 첨가로 금속 자체의 차폐효율과 유사한 값을 나타내므로, CNT 첨가량의 최적화를 시도한다면, 두께 및 비용 절감의 효과를 가져 올 뿐 아니라, 상용제품의 대체효과도 있으리라 기대된다.
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