[논문]방열 기능형 고성능 스마트 전파흡수체 제조 방법 개발 및 전망

김동일; 전용복

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.10.841

방열 기능형 고성능 스마트 전파흡수체 제조 방법 개발 및 전망
A Study on Manufacturing Method of High Performance Smart EMW Absorber with Heat Radiating Function and Its Prospects 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.26 no.10, 2015년, pp.841 - 850

김동일 (한국해양대학교 전파공학과) , 전용복 (한국해양대학교 전파공학과)

초록
AI-Helper

전자 및 전파 통신기술의 급속한 발전에 따라 인류는 정보통신의 커다란 혜택을 누릴 수 있게 되었다. 그러나 전자파환경은 보다 복잡해지고, 각종 전자기기를 비롯한 인체에 다양한 영향을 미치게 되어 ANSI, FCC, CISPR 등과 같은 국제기구에서는 다양한 전자파환경을 규제하고, 효율적인 제어 및 대책을 수립해 오고 있다. 본 논문에서는 방열 기능을 가지면서 고성능의 전파흡수체 제조 방법을 제안하고, 나아가 미래의 스마트 전파흡수체의 전망을 기술하였다. 산화철($Fe_2O_3$)과 세라믹의 혼합물을 고온 열처리한 후, 탄소 물질과 배합하여 저온 열처리하고, 개구를 형성하여 2~2.45 GHz에서 방열 기능을 가지면서 흡수능이 20 dB 이상인 고성능 전파흡수체를 개발하였다. 이 스마트 전파흡수체는 다양한 전자, 통신, 제어, 전파 시스템의 회로 및 부품 보호용 소재로 활용성이 높을 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the rapid progress of electronics and radio communication technology, human enjoys greater freedom in information communication. However, EMW(Electro-Magnetic Wave) environments have become more complicate and difficult to control. Thus, international organizations, such as the American National Standard Institution(ANSI), Federal Communications Commission(FCC), the Comite Internationale Special des Perturbations Radio Electrique(CISPR), etc, have provided standard for controlling the EM wave environments and for the countermeasure of the electromagnetic compatibility(EMC). In this paper, fabrication of the smart EMW absorber which has heat radiating function and high performance absorption abilities were suggested. Furthermore, we prospected future smart EMW absorbers. The designed smart EMW absorber is fabricated following process. Firstly, we applied high temperature heat treated to a mixture of Iron-oxide($Fe_2O_3$) and ceramics. Secondly, we applied low temperature heat treated to the mixture of heat treated material and a carbon material. Lastly, we made apertures on the absorber. The designed smart EM wave absorber has the absorption ability of more than 20 dB from 2 GHz to 2.45 GHz band, respectively. Thus, it is respected that these results can be applied as various EMC devices in electronic, communication, and controlling systems.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존의 전파흡수체 재료로는 카본, 퍼멀로이, 페라이트, Sendust, 연자성금속 등 도전 손실 재료를 주로 이용하여 왔으나, 이러한 재료들이 갖는 전파흡수능의 한계로 본 논문에서는 고성능 스마트 전파흡수체 제조 공법 개발 시 필수적으로 고려해야 할 전파흡수 재료로 탄소 소재를 분석 검토하였다^[4].
나노기술(NT: Nano Technology)과 전자파공학기술(EMW Technology)을 조합한 NT- EMW 복합ㆍ융합 기술을 개발하여 고성능 스마트 전파흡수체 개발하는 것은 대단히 중요한 과제로 주목받고 있으며, 본 논문에서는 Carbon Nano-fiber를 이용한 스마트 전파흡수체의 연구를 진행하였다.
현재 미국이나 유럽 등 대부분의 선진국에서는 전자파장해에 관련된 자국의 규정을 제정하여 전자파장해 문제가 해결되지 않은 가전제품을 비롯한 자동차, 기기류 및 전기전자정보처리 장치 등을 비롯한 거의 모든 시스템의 수입을 엄격히 규제하고 있어서, 비관세 무역장벽으로 이용하고 있는 현황이다. 따라서, 본 논문에서는 전자회로에서 발생하는 불요 전자파를 흡수/차폐함으로써 전자제품의 안정성과 신뢰성을 확보하고, 전자제품의 집적회로에 적용된 방열팬이나 방열소자의 대체부품으로 기능하면서 해당제품의 정숙성과 슬림화를 가능하게 하고자 한다.
상기의 기술은 전자기기뿐만 아니라, 차량, 선박, 항공기의 안전성 확보를 위해서도 반드시 필요한 요소 기술이다. 본 기술개발의 핵심은 전자파 흡수특성과 물성을 제어할 수 있는 전파흡수체 제조 공법을 개발함과 더불어 방열기능을 발휘하는 고성능 스마트 전파흡수체를 개발하는 것이다. 이는 전자파환경 대응 소재의 특성, 즉 전기적 성질, 자기적 성질, 물리적 성질 등을 파악하고, 이를 제어하여 대책하고자 하는 주파대역에서 전자파 에너지를 열에너지로 변환시키거나, 전자파 에너지의 흐름을 차단하여 인접한 기기나 인체 등에 영향을 미치지 않게 하는 것이 중요하다.
본 논문에서 제안하는 전파흡수체 제조기법과 기능성 전파흡수체는 각종 전자제품의 집적회로에 적용되어 방열 팬 또는 방열판의 대체부품 기능을 하면서 해당 제품의 정숙성, 슬림화를 구현하기 위한 시범적인 제안이다. 그 방법으로서 효율적인 열의 분산처리를 가능하게 할 뿐만 아니라, 전자회로에서 발생하는 불요 전자파를 흡수/차폐함으로써 전자제품의 안정성과 신뢰성을 보장하는 개선된 기능을 함으로써 전자산업에 크게 기여할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 전파흡수체 제조방법을 활용하여 제작된 시트형 전파흡수체를 바탕으로 발열 기능 개선을 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 12는 두께와 홀의 크기를 고정하고, 홀 사이 간격의 변화에 따른 전파흡수능 시뮬레이션한 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
그림 8 은 전파흡수체에 개설할 수 있는 몇 가지 형태의 개구를 보여준다. 본 논문에서는 1차적으로 원형 홀 형태의 개구를 개설했을 때의 성능 변화를 시뮬레이션하였다^[9]. 그림 9와 같이 두께가 d인 전파흡수체에 직경 a, 홀 사이의 간격 b의 원형 개구를 개설할 경우, 먼저 두께와 홀 사이의 간격을 고정하고, 홀의 크기 변화에 따른 전파흡수능의 변화를 그림 10에 나타내었다.
본 논문에서는 방열 기능을 가지는 스마트 전파흡수체 제조 기법과 개발 방향을 제시하였다. 즉, 산화철(Fe₂O₃)과 세라믹의 혼합물을 고온 열처리하여 제조한 페라이트- 세라믹 화합물과 탄소 물질이 혼합된 배합물을 저온 열처리하여 우수한 특성의 전파흡수체를 제작하였다.
본 논문에서는 상기한 전파흡수체의 기술현상을 조사ㆍ분석하여 향후 발전방향을 모색하는데에 참고가 되게 하고자 한다. 나아가서, 전파공학적 이론에 근거한 전자파환경 대책부품의 설계 기술과 전자파 흡수재료의 물성을 제어하는 소재 가공 기술을 함께 적용하여, 전자파 환경 대응 부품을 최적 설계ㆍ제작함으로써 목표 주파수에서 전자파 대책 기술을 확립하는 것이 핵심사항이다^[2],[3].
일본에서는 Tokai University의 Youji Kotsuka 연구그룹과 Aoyama-Kakuin University의 Osamu Hashimoto 연구 그룹을 중심으로 통신기술의 고주파화 문제와 전자파 환경 악화의 문제를 해결하기 위해 환경적합성 재료의 선택을 전파흡수체 구성상 중요한 조건으로 인식하고, 정확한 재료정수, 전파흡수량의 측정법 및 적합한 재료개발 기술과 설계기술 등의 개발을 목표로 연구하고 있다. 전자기판전자파노이즈 대책용 전파흡수체는 일본의 TDK, NECTokin 등에서 꾸준히 연구를 진행하고 있고, 10 MHz～5GHz의 주파수 대역을 커버하는 박형 전파흡수체 개발을 위해 노력하고 있으며, 일부 상품화 되어있다^[3].

제안 방법

이는 전자파환경 대응 소재의 특성, 즉 전기적 성질, 자기적 성질, 물리적 성질 등을 파악하고, 이를 제어하여 대책하고자 하는 주파대역에서 전자파 에너지를 열에너지로 변환시키거나, 전자파 에너지의 흐름을 차단하여 인접한 기기나 인체 등에 영향을 미치지 않게 하는 것이 중요하다. 따라서, 전자파환경 대응 부품의 제작에 적합한 특성을 갖는 소재의 제조 공법을 개발하고, 이를 이용하여 방열 기능을 가지는 스마트 전파흡수체 설계ㆍ제작 기술을 개구형성의 방법을 적용하여 한 단계 발전시켰다^[2].
그림 12는 두께와 홀의 크기를 고정하고, 홀 사이 간격의 변화에 따른 전파흡수능 시뮬레이션한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 또한, 수행한 시뮬레이션 결과를 토대로 목표 주파수 대역에서 가장 우수한 특성이 얻어지는 전파흡수체의 두께, 홀의 크기 및 홀 사이의 간격을 가지는 전파흡수체를 설계하였으며, 특성을 그림 13에 나타내었다. 그 결과, 개구의 크기, 간격 및 두께가 각각 6 mm, 9 mm 및 6 mm인 전파흡수체는 주파수대역 2 GHz에서 2.
본 논문에서는 산화철(Fe₂O₃)과 세라믹의 혼합물을 고온 열처리하고, 고온 열처리로 형성된 페라이트-세라믹 화합물과 탄소 물질이 혼합된 배합물을 저온 열처리하여 상기 단점을 해결하였다.
즉, 산화철(Fe₂O₃)과 세라믹의 혼합물을 고온 열처리하여 제조한 페라이트- 세라믹 화합물과 탄소 물질이 혼합된 배합물을 저온 열처리하여 우수한 특성의 전파흡수체를 제작하였다. 제작된 전파흡수체에 원형 홀 형태의 개구를 개설하는 방법을 제시하였으며, 홀의 크기가 6 mm, 홀 사이의 간격이 9 mm이고, 두께가 6.5 mm인 전파흡수체를 설계하였다. 이와 같이, 새로운 전파 흡수체의 설계․제작 방법을 제안함으로써 주파수대역 2 GHz에서 2.
본 논문에서는 방열 기능을 가지는 스마트 전파흡수체 제조 기법과 개발 방향을 제시하였다. 즉, 산화철(Fe₂O₃)과 세라믹의 혼합물을 고온 열처리하여 제조한 페라이트- 세라믹 화합물과 탄소 물질이 혼합된 배합물을 저온 열처리하여 우수한 특성의 전파흡수체를 제작하였다. 제작된 전파흡수체에 원형 홀 형태의 개구를 개설하는 방법을 제시하였으며, 홀의 크기가 6 mm, 홀 사이의 간격이 9 mm이고, 두께가 6.

대상 데이터

먼저 산화철(Fe₂O₃)과 천연 세라믹의 혼합물을 준비한다. 본 논문에서는 표 1과 같이 혼합물은 산화철(Fe₂O₃), 탄산바륨(BaCO₃), 천연 세라믹(심성화강암)으로 구성하였다.
이어서 상기 산화철-천연세라믹 화합물에 탄소 물질을 첨가한다. 이때 탄소 물질은 우수한 전파흡수특성 확보를 위해 Ⅱ장에서 분석한 CNT(Carbon Nano -Tube) 소재를 이용하였다. 이때 탄소 물질과 함께 각 재료의 지지를 위한 지지재가 첨가되는데, 주로 사용되는 지지재로는 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene: CPE), NC(Natural Ceramics)와 PVC, 실리콘 등이 있다.

성능/효과

그림 1과 같이 (a) 종래의 전파흡수체와 (b) Carbon Nano -Tube(CNT) 소재를 적용한 전파흡수체의 특성을 비교해 방열 기능형 고성능 스마트 전파흡수체 제조 방법 개발 및 전망 보았다. 그림 2는 (a) Carbon black과 (b) CNT 재료의 SEM 사진을 나타낸다.
또한, 수행한 시뮬레이션 결과를 토대로 목표 주파수 대역에서 가장 우수한 특성이 얻어지는 전파흡수체의 두께, 홀의 크기 및 홀 사이의 간격을 가지는 전파흡수체를 설계하였으며, 특성을 그림 13에 나타내었다. 그 결과, 개구의 크기, 간격 및 두께가 각각 6 mm, 9 mm 및 6 mm인 전파흡수체는 주파수대역 2 GHz에서 2.45 GHz 대역에서 20 dB 이상의 우수한 흡수능을 가지도록 설계되었다.
그림 6에 나타내는 바와 같이, 본 논문에서 제안한 방법으로 제작한 전파흡수체는 8～18 GHz 범위 내에서 전파 흡수능이 10 dB 이상이고, 최고 흡수능이 50 dB 이상인 반면, 그림 7과 같이 탄소 물질 배합과 저온처리 과정이 생략된 전파흡수체의 경우 7.5～10.5 GHz 범위 내에서 전파흡수능이 10 dB 이상이고, 최고 흡수능이 25 dB 정도임을 확인할 수 있어, 본 논문에서 제안한 제조 방법으로 제작된 전파흡수체가 흡수 및 광대역특성이 우수함을 알 수 있다.
옻의 특상을 고려하여 종래의 지지재보다 옻은 우수한 전파흡수 기능과 접착 기능을 가지고 있어서 전파흡수재료와 혼합하여 전파흡수체로 제작할 수 있으며, 전파흡수능 개선의 효과를 확인하였다. 그림 14～16은 일반적으로 많이 사용되고 있는 전파 흡수재료인 MnZn 페라이트에 지지재를 각각 CPE, Silicone 및 옻을 사용하여 3mm의 두께를 갖는 전파흡수체를 제작한 후, 이들의 전자파 흡수능을 측정한 결과이다.
5 mm인 전파흡수체를 설계하였다. 이와 같이, 새로운 전파 흡수체의 설계․제작 방법을 제안함으로써 주파수대역 2 GHz에서 2.45 GHz의 범위에서 20 dB 이상의 전파흡수능을 가지는 우수한 전파흡수체의 실현을 가능하게 하였다.

후속연구

현재 우리나라를 비롯한 세계 여러 나라들은 다양한 전자기기로부터 문제가 되는 EMC 문제를 해결하기 위한 다양한 연구를 진행하고 있으며, 특히 전자기기 분야의 기술개발에 있어 우리나라의 주요 경쟁 대상국인 일본은 한 발 앞서 이 분야에 많은 연구비와 인력을 동원하여 기술개발에 박차를 가하고 있다. 이에 맞서, 본 논문에서 제안한 기술개발을 통하여 이들과의 기술 격차를 줄이고, 제품의 국산화가 이루어질 수 있을 것으로 사료된다.
향후 저자 등이 개발하고자 하는 ‘방열 기능을 가지는 기능성 스마트 전파흡수체’는 국외 및 국내에서 최초로 수행하는 것으로서, 뛰어난 방열 기능과 고성능의 전파흡수능을 가지는 세계 제1의 전저파 흡수/방열 기능을 겸비한 소재가 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	새로운 이동통신 규격, LTE로 인해 어떤 단점을 야기시키는가?	전 세계 무선통신 시장의 관심은 새로운 이동통신 규격, LTE(Long Term Evolution)에 쏠려 있으며, 데이터 전송속도를 개선시키기 위한 각국의 노력은 지금도 계속되고 있다. 이러한 초고속 데이터 전송은 사물인터넷(IoT), 스마트 그리드(Smart grid) 실현 등에 필수적 전제 조건이지만, 기존의 휴대전화, 무선랜 등 각종 통신장비와 더불어 신기술 적용을 위한 복잡 다양한 전자기기들의 집적화는 전자파환경을 더욱 악화시키는 요소들이다. 이러한 전자파환경으로부터 인체와 각종 전자․전기․통신기기를보호하기 위해서 국제적으로 IEC, CISPR, FCC, KSC 등 다양한 규격을 통한 규제가 시행되고 있으며, 이를 해결하기 위한 다양한 대책방법들이 강구되고 있다[1].
	방열 기능을 가지는 고성능 스마트 전파흡수체란 무엇인가?	방열 기능을 가지는 고성능 스마트 전파흡수체는 전자파환경에 관련된 국제규격을 만족시키는 고성능의 전자파환경 대응 부품 및 소재를 지칭하지만, 여기에 전자기기에서 발생하는 열을 방출시켜 기기 내부에 축열되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이와 관련된 기술개발이 이루어지지 않으면, IT 관련 회로 및 부품의 신뢰성이 확보되지 않아 기술적 우위와 세계시장에서의 제품 경쟁력을 유지할 수 없으며, 심지어는 IT 관련 제품의 수출이 불가능한 소위 무역장벽으로 이용되기도 한다.
	ANSI, FCC, CISPR 등과 같은 국제기구에서 다양한 전자파환경을 규제하는 이유는 무엇인가?	전자 및 전파 통신기술의 급속한 발전에 따라 인류는 정보통신의 커다란 혜택을 누릴 수 있게 되었다. 그러나 전자파환경은 보다 복잡해지고, 각종 전자기기를 비롯한 인체에 다양한 영향을 미치게 되어 ANSI, FCC, CISPR 등과 같은 국제기구에서는 다양한 전자파환경을 규제하고, 효율적인 제어 및 대책을 수립해 오고 있다. 본 논문에서는 방열 기능을 가지면서 고성능의 전파흡수체 제조 방법을 제안하고, 나아가 미래의 스마트 전파흡수체의 전망을 기술하였다.

참고문헌 (10)

D. I. Kim, EMW Absorber Engineering, Dae-Young Pub. Co., 2006.
O. Hashimoto, Introduction to Wave Absorber, Morikita Publishing Co., 1997.
J. M. Song, H. J. Yoon, and Dong Il Kim, et al., "Dependence of electromagnetic wave absorption on ferrite particle size in sheet-type absorbers", J. Korea Phys. Soc., vol. 42, no. 5, pp. 671-675, 2003.
C. B. Mo, et al., "Fabrcating process and characristics of CNT/metal nano composite material", Korea Institute of Fine Engineering, vol. 24, no. 8, pp. 7-14, 2007.
J. H. Seong, et al., "Effects of mechanical characteristics on crystalization by variation of CNT and carbon- black reinforced rubber composite material", J. of Korea Institute of Mechanics, vol. 35, no. 9, pp. 999-1005, 2011.
A. Mehdipour, I. D. Rosca, C. W. Trueman, A. Sebak, and Suong Van Hoa, "Multi-wall carbon nanotube-epoxy composites with high shielding effectiveness for aeronautic applications", IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 54, Issue. 1, pp. 28-36, 2012.

상세보기
E. Decrossas, M. A. El Sabbagh, S. M. El-Ghazaly, and V. F. Hanna, "Engineered carbon-nanotubes-based composite material for RF applications", IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 54, Issue 1, pp. 52-59, Feb. 2003.
D. I. Kim, "Design of super wide-band ferrite EMW absorber in multi-layer type", J. of KIEES, vol. 7, no. 4, pp. 346-352, Oct. 1996.
Dong Soo Choi, Dong Il Kim, Do Yeol Kim, and Dong Han Choi, "A study on smart heat radiating sheet for protecting electronic equipments on the ship", International Journal of Navigation and Port Research, vol. 35, no. 7, pp. 569-573, Jul. 2011.

원문보기 상세보기
김동일, 최동한, 김기만, "옻의 특징과 옻을 지지재로 사용한 전자파 흡수체의 두께에 따른 전파흡수 특성 분석", 한국항해항만학회지, 28, pp. 861-867, 2004년 12월.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증