[논문]탄소나노튜브 무전해 니켈 도금과 양극산화가 탄소나노튜브/에폭시 복합재료의 전자파 차폐효율에 미치는 영향

함은광; 고재경; 최웅기; 김영근; 서민강

doi:10.12772/tse.2015.52.151

탄소나노튜브 무전해 니켈 도금과 양극산화가 탄소나노튜브/에폭시 복합재료의 전자파 차폐효율에 미치는 영향
Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness of Electroless Nickel Plating and Anodization on Modified Carbon Nanotubes/Epoxy Composites

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.52 no.3, 2015년, pp.151 - 158

함은광 (한국탄소융합기술원) , 고재경 (한국니트산업연구원) , 최웅기 (한국탄소융합기술원) , 김영근 ((주)윈앤윈) , 서민강 (한국탄소융합기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the influence of electroless nickel-plated and anodized carbon nanotubes (CNT) on the electromagnetic interference shielding effectiveness (EMI-SE) properties of CNT/epoxy composites was studied. The surface properties of modified CNT were measured by field emission scanning electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. The composites were prepared by adding 7 wt% modified CNT to epoxy. The EMI-SE of the composites was evaluated through reflection and absorption loss in the frequency range of 30 MHz-1.5 GHz. The electric conductivity was measured using a 4-point-probe electric resistivity tester. The results show that, the EMI-SE of the composites with 3 min nickel-plated CNT was the highest. The reflection loss of anodized CNT was found to be sharply increased in the frequency range of 1.25-1.35 GHz. In addition, the reflection loss of modified CNT was improved, but the absorption loss was decreased, respectively. This was probably because electroless nickel-plating and anodization led to the improvement in the polarity of the CNT surface which increased the EMI-SE of the composites.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 탄소나노튜브의 무전해 니켈 도금과 양극산화를 통해 탄소나노튜브의 전기적 특성을 향상시켰으며 표면개질의 방법과 처리시간에 따라 다르게 처리된 탄소나노튜브를 에폭시 복합재료의 충전재로 첨가한 다음 이에 따른 전자파 차폐효율과 전기적 특성에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 탄소나노튜브의 무전해 니켈 도금과 양극 산화가 탄소나노튜브/에폭시 복합재료의 전자파 차폐효율에 미치는 영향에 대해서 알아보았다. 그 결과로서, 3분 동안 니켈 도금된 탄소나노튜브/에폭시 복합재료(NiC3)에서 반사손실 -12.

제안 방법

무전해 니켈 도금: 탄소나노튜브의 무전해 니켈 도금은 1·2차 활성화, 도금 과정으로 나누어 실시하였고 탄소나노 튜브 표면에 고르게 도금시키기 위해 초음파 욕조에서 실시하였다. 먼저 탄소나노튜브 표면에 금속도금이 잘 이루어지도록 하기위해 Sn/Pd 핵을 형성시키는 과정으로 0.1 M tin chloride(SnCl₂) 용액에 첨가하여 30분 동안 1차 활성화 시킨 후 세척한 다음 0.0014 M palladium chloride(PdCl₂) 용액에 1차 활성화된 탄소나노튜브를 첨가하여 30분 동안 2차 활성화시켰다. 활성화된 탄소나노튜브는 진공오븐에서 90^oC조건에서 건조하였다.
무전해 니켈 도금: 탄소나노튜브의 무전해 니켈 도금은 1·2차 활성화, 도금 과정으로 나누어 실시하였고 탄소나노 튜브 표면에 고르게 도금시키기 위해 초음파 욕조에서 실시하였다.
무전해 니켈 도금은 8 M HNO3 수용액을 전해질로 사용하여 실시하였고 무전해 니켈 도금 용해조의 온도는 70oC조건에서 0, 1, 3, 5분으로 변화하여 처리한 후 도금된 탄소나노튜브는 PTFE 멤브레인 필터에 여과하여 증류수로 시료의 pH가 중성이 될 때까지 수세한 다음 진공오븐 90oC에서 12시간 동안 건조하였다.
전자파 차폐 특성은 전자파 차폐 성능 측정기(E5062A/ EM2107A, Agilent, USA)를 이용하여 ASTM D4935-89의 방법에 따라 50 MHz−1.5 GHz의 주파수 범위에서 반사차폐 효율과 흡수차폐효율 측정하여 전자파 차폐 특성을 분석하였다.
탄소나노튜브/에폭시 복합재료는 에폭시 수지 80 g에 DDM을 당량비 1:1로 혼합하였고 무전해 니켈 도금과 양극산화 방법으로 표면개질된 탄소나노튜브를 7 wt% 첨가하여 에폭시 수지 내에 탄소나노튜브의 균일한 분산을 위하여 Three-roll-mill을 이용하여 5회 분산하였다. 얻어진 혼합물은 1 T 두께의 성형 몰드에 부어 가열 압착기(hotpress) 에서 150^oC1시간 동안 경화하여 제작하였다.
탄소나노튜브/에폭시 복합재료의 전기적 특성을 알아보기 위해 면저항 측정기(Mitsubishi Chemical, Japan)를 이용 하여 복합재료의 표면의 5점을 측정한 후 평균치를 계산하였다. 전자파 차폐 특성은 전자파 차폐 성능 측정기(E5062A/ EM2107A, Agilent, USA)를 이용하여 ASTM D4935-89의 방법에 따라 50 MHz−1.
탄소나노튜브의 양극산화는 Figure 1에 나타낸 것과 같이 흑연도가니와 흑연봉을 이용하였으며 전해질이 담긴 흑연도가니에 음극을 걸어준 다음 탄소나노튜브를 첨가한 후 양극이 걸린 흑연봉을 이용하여 전류밀도 5 A·m -2 로 시간을 0, 1, 3, 5분으로 변화하여 처리하였고 각각의 샘플의 수세와 건조과정은 무전해 니켈 도금의 절차와 동일하게 하였다.
표면관능기 및 원소함량 분석: 미처리된 탄소나노튜브와 무전해 니켈 도금 및 양극산화된 탄소나노튜브의 표면처리 시간에 따른 탄소나노튜브의 표면성분과 화학적 결합상태 및 에너지 준위를 알아보기 위해 XPS 분석을 실시하였다. C_1s, O_1s, Ni_2p의 원소함량을 분석한 결과를 Table 2과 Figure 3에 나타내었다.

대상 데이터

복합재료의 기지로 사용된 에폭시 수지는 diglycidyl ether of bispenol A(DGEBA)계 YD-128(Kukdo Chemical, Korea, E.E.W=186.8 g/eq)과 경화제는 4,4'-diaminodiphenylemethane(Kyoto chemical industry, Japan)을 사용하였다.
본 연구에 사용된 탄소나노튜브는 (주)나노솔루션의 CCVD 공법으로 합성된 MWCNT (purity>90%, length-10−20 µm, diameter<10 nm)를 사용하였다.

이론/모형

3. 표면특성
표면개질 방법과 조건에 따른 탄소나노튜브의 표면변화를 관찰하기 위하여 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM, field emission scanning electron microscopy, S-4800, Hitachi, Japan)을 사용하였으며 탄소나노튜브의 표면의 원소 함량과 무전해 니켈 도금된 탄소나노튜브의 도금시간에 따른 니켈 함량을 정량적으로 측정하고 원소들의 결합형태를 확인하기 위해 X-선 광전자분광법(XPS, X-ray photoelectron spectroscope, K-Alpha, Thermo, USA)을 사용하였다.

성능/효과

(a)는 전자파차폐의 반사손실을 나타낸 것으로 미처리 탄소나노튜브 > 양극산화된 탄소나노 튜브 > 무전해 니켈도금된 탄소나노튜브 순으로 효율이 증가하였으며 NiC3에서 약 -12 dB로 가장 높게 측정되었다.
그 결과 NiC3에서는 -14.82 dB을 나타내면서 미처리 탄소나노튜브를 첨가했을 때 보다 전자파 차폐효율이 향상됨을 확인하였으며, 양극산화된 탄소나노튜브가 첨가되었을 때 12−14 GHz 주파수대역에서 차폐효율이 급격하게 증가한 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 탄소나노튜브의 무전해 니켈 도금과 양극 산화가 탄소나노튜브/에폭시 복합재료의 전자파 차폐효율에 미치는 영향에 대해서 알아보았다. 그 결과로서, 3분 동안 니켈 도금된 탄소나노튜브/에폭시 복합재료(NiC3)에서 반사손실 -12.39 dB로 가장 높게 측정되었고 미처리 탄소 나노튜브/에폭시 복합재료(ARC)에서 흡수손실이 -10.13 dB 로 가장 높게 나타났으며, 총 차폐효율은 3분 동안 니켈 도금된 탄소나노튜브/에폭시 복합재료(NiC3)에서 총 차폐효율 -14.82 dB이 측정되면서 미처리 탄소나노튜브/에폭시 복합재료(ARC) 대비 차폐효율이 약 8% 증가하였다. 또한, 1.
또한, 1.25−1.35 GHz 주파수 구간에서 5분 동안 양극산화된 탄소나노튜브(AZC5)가 반사손실 -23.0 dB, 흡수손실 -14.6 dB 로 총 차폐효율 -37.6 dB로 최댓값이 측정되었다.
Figure 2(a)는 미처리 탄소나노튜브이고, Figures 2(b)-(d)는 탄소나노튜브의 니켈 도금 시간에 따른 표면 변화를 나타낸 것이다. 미처리 탄소나노튜브에 비해 무전해 니켈 도금된 탄소나노튜브의 경우 표면에 니켈 입자들이 형성되었으며 도금시간이 증가할수록 도금량이 증가된 것을 확인하였다. Figure 2(e)는 양극산화된 탄소나노 튜브의 표면으로 양극산화 과정에서 표면이 거칠어진 것을 확인하였다.
탄소나노튜브의 전기전도도는 미처리 탄소나노튜브에서 높은 값을 나타냈으며, 전기전도도와 흡수효율과 비례한 특성이 확인되면서 무전해 니켈 도금 및 양극산화를 통한 표면개질은 전자파 차폐효율의 반사효율은 증가시키지만 흡수효율은 감소시키는 것을 확인하였다. 탄소나노튜브에 무전해 니켈 도금 처리는 탄소나노튜브 표면이 금속화 되어 자성을 띄게 되고 이에 따라서 반사손실이 증가하게 되고 양극산화 처리는 탄소나노튜브 표면에 극성 관능기 도입과 응집이 풀어짐에 따라 에폭시 기지에서 고르게 분산되어 흡수손실은 줄었지만 반사손실은 증가하였기 때문이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자파 차폐재료에는 무엇이 사용되는가?	전자파 차폐재료는 일반적으로 알루미늄, 은, 니켈 등과 같은 전기전도성이 높은 금속재료가 사용되어 왔으나 무겁고 부식에 대한 단점이 있어 에너지 저감 및 소재 경량화를 위해 내식성이 우수하고 가벼운 고분자 재료로 대체되고 있으며, 전자파 차폐능이 없는 고분자 재료에 차폐효율이 있는 알루미늄, 은분말, 니켈 도금, 탄소소재 등의 전도 성이 있는 충전재를 첨가하여 사용되고 있다. 그 중 가볍고 전기적 특성이 우수한 탄소섬유, 카본블랙, 탄소나노튜 브와 같은 탄소소재로 대체되고 있는 추세이며 기존 금속 재료의 차폐효율을 달성하기 위해 탄소소재 기반 복합재료에 대한 관심이 높아지고 있다.
	전자파 장해에는 어떤 피해현상이 있는가?	산업이 발전함에 따라 산업현장에서는 공정의 자동화 시스템 도입과 가정용 전기·전자기기 사용의 증가와 자동차·항공기와 같은 이동수단이 전자화되어 가고 있으며, 최근 정보통신산업의 급격한 발전으로 스마트 모바일, 태블릿 PC와 같은 휴대용 전자기기의 사용이 증가함에 따라서 전파이용 분야에 수요가 증가하고 있다. 이와 같이 전자파는 편리함과 풍요로움을 제공하는 등 순기능으로 작용하고 있지만 전기·전자기기로 부터 발생되는 전자파는 인체에 노출되어 심각한 영향을 주어 호르몬 분비 이상과 면역체계 및 신경계통 등에 질병을 유발할 수 있으며 다른 전자기기와 통신기기에 불필요한 요소로 작용하여 오작동의 원인이 되어 심각한 문제를 일으키는 역기능적 측면이 제기 되고 있다[1−6].
	전자파차폐란?	이러한 피해현상을 전자파 장해(electromagnetic interference, EMI)라고 하며 전자파 유해성과 전자파 차폐에 대한 관심 또한 높아지고 있어 세계 각국에서는 전자파 차폐에 대한 관련정책과 규제가 엄격해지고 있다. 전자파차폐(electromagnetic interference shielding effectiveness, EMI SE)란내부 또는 외부로부터 생성된 전자파가 차폐 재료에 접촉 되면서 반사되거나 그라운드로 흐르는 것을 의미하며, 차폐재료의 공기와 금속의 경계면에서 전자파 임피던스의 차이에 의한 반사효과를 나타내는 반사손실(reflection loss)과입사한 전자파를 흡수하여 열 에너지로 변환시키는 흡수 손실(absorption loss), 차폐재료 내부 경계층에서 재 반사 되는 다중반사 보정항(multi-reflection correction)으로 구분 되고 전자파 차폐효율은 차폐재료의 재질, 두께, 주파수, 전자파 에너지의 강도에 따라 달라진다[6,7].

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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].

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