[논문]탄소나노튜브(CNT)를 혼입한 초고성능 콘크리트(UHPC)의 고고도 전자기파(HEMP) 방호성능 평가

정명준; 홍성걸

doi:10.9766/kimst.2019.22.2.151

탄소나노튜브(CNT)를 혼입한 초고성능 콘크리트(UHPC)의 고고도 전자기파(HEMP) 방호성능 평가
Evaluation on High Altitude Electromagnetic Pulse(HEMP) Protection Performance of Carbon Nanotube(CNT) Embedded Ultra-High Performance Concrete(UHPC) 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.2, 2019년, pp.151 - 161

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, to evaluate the High Altitude Electromagnetic Pulse(HEMP) protection performance of UHPC/CNT composites by the content of Carbon nanotubes(CNTs), Electromagnetic Shielding Effectiveness(SE) test was performed based on MIL-STD-188-125-1. And the results were verified by applying the Antenna theory. In the case of UHPC with a thickness of 200 mm mixed with 1 % CNT of cement weight, the SE was 28.98 dB at 10 kHz and 45.94 dB at 1 GHz. Then the Scabbing limit thickness for bullet proof was computed based on the result of compressive strength test which was 170 MPa, and it was examined whether it satisfied the HEMP protection criteria. As a result, the required HEMP shielding criteria were satisfied in all frequency ranges as well as the scabbing limit thickness was reduced by up to 43 % compared with that of ordinary concrete.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Concept of HEMP shielding facilities^[3]
표 Table 1. Scabbing limit thickness for SAP500 bomb by concrete compressive strength
표 Table 2. Properties of CNT
표 Table 3. Properties of cement and silica fume
표 Table 4. Mix proportion
그림 Fig. 2. Mixing process
그림 Fig. 3. Geometry of specimens: (a) for electrical resistance test; (b) for electromagnetic shielding effectiveness test
그림 Fig. 4. SE test procedure
그림 Fig. 5. Conductivity
그림 Fig. 6. SE test result
그림 Fig. 7. Comparison between experimental result and numerical calculation
그림 Fig. 8. Compressive strength
그림 Fig. 9. Bridging effect of CNT on cracked surface
그림 Fig. 10. Comparison between HEMP-Std. and Expected SE
표 Table 5. Properties of SAP500

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구에서는 CNT를 적용한 UHPC의 차폐효과(Shielding Effectiveness, SE)를 확인하고 이를 이론적으로 검증하여 차폐재로서의 적용가능성을 평가함과 동시에 방탄/방폭성능을 만족하기 위한 최소두께를 산정하여 HEMP 방호기준에 대한 만족여부를 확인한다.

가설 설정

실험결과를 바탕으로 UHPC/CNT 복합재료의 전자파 차폐효과를 해석하기 위해 무한히 큰 금속 차폐면에서 전파신호의 송수신 부분을 구분하여 생각하는 쉘쿠노프(Schelkunoff)의 전송선 이론(Antenna Theory)을 적용했다. 그리고 UHPC/CNT 복합재료는 금속 대비 손실이 작은 유전체(Dielectric substance)로 가정하였다. 또한 비유전율(Relative permittivity)은 ‘4.
또한 비유전율(Relative permittivity)은 ‘4.94’로서 주파수에 독립적이며 비투자율(Relative permeability)은 ‘1’로 가정하였다[13].
. 하지만 이 연구에 적용된 실험체는 손실이 매우 작은 유전체로 가정하였으므로 낮은 흡수손실에도 불구하고 다중반사손실에 의한 차폐는 일어나지 않는다고 가정하였다.

제안 방법

4) 전자파 차폐효과를 극대화하면서 기계적 성질을 최대한 유지하는 것으로 판단되는 CNT1.0 실험체를 대상으로 HEMP 방호성능 평가를 실시하였다. 배면파쇄한계두께를 산정한 결과 2.
실험 배합별로 각각 3개의 실험체를 3회 측정한 평균값으로 전기저항 값을 결정하였다. 그리고 그 값을 이용해 수식 (1)을 사용하여 도전율을 계산하였다.
이 연구에서는 UHPC/CNT 복합재료의 HEMP 방호성능을 평가하기 위해 전자파 차폐시험을 실시하고 그 결과를 전송선 이론을 적용하여 해석하였다. 그리고 방탄/방폭성능을 만족하기 위한 배면파쇄한계두께를 구한 다음, 이를 차폐재의 두께로 가정하여 차폐효과를 예측하고 HEMP 방호기준 부합여부를 확인하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
차폐실과 실험체간의 틈은 전도성 가스켓을 부착하여 전자파가 틈새를 최대한 통과하지 못하도록 하였다. 그리고 외부에 설치된 안테나를 통해 전력을 송신하고 차폐실의 내부에 설치된 안테나에 실험체를 투과해 수신된 전력량을 측정하였다. 안테나는 실험 주파수 영역에 맞춰 LP 안테나(10 MHz ~ 1 GHz), Loop 안테나(< 10 MHz), 그리고 Horn 안테나(> 1 GHz)가 사용되었다.
= r이 될 때까지 자계영역의 차폐효과보다 항상 크기 때문에 일반적으로 고려하지 않는다. 따라서 이 연구에서는 실험결과를 해석함에 있어 자계영역과 평면파 영역에 한해 각각 해당되는 식을 적용하여 차폐효과를 해석하였다.
따라서 이 연구에서는 증류수에 CNT를 실험 배합별로 혼입량을 투여하고 초음파 처리를 실시한 다음, SP를 혼입하여 5분 동안 자기교반(Magnetic stirring)하는 형태로 분산액을 제조하였다. CNT 혼입량이 증가할 경우 배합 과정에서 워커빌리티(Workability)가 감소하거나 타설이 불가능할 수 있으므로 기준배합인 CNT0(Ref.
0 실험체로 판단된다. 따라서 해당 실험체의 실험결과를 바탕으로 방호성능 평가를 실시하였다.
시험은 한쪽 면에 1,200(W)×1,200(H)mm² 규격의 개구부(Opening)가 있는 2,400(W)×2,400(H) ×3,000(L)mm³ 크기의 아연도금판으로 조립된 차폐실(Shielding Room)에서 진행되었다. 먼저 free space 상태에서 교정(Calibration)을 실시한 다음, 차폐실의 개구부에 실험체를 고정하였다. 차폐실과 실험체간의 틈은 전도성 가스켓을 부착하여 전자파가 틈새를 최대한 통과하지 못하도록 하였다.
전기저항(Electrical resistance)은 휴대용 DC전원공급기를 이용해 2점법(two-probe method)을 적용하여 측정하였다. 실험 배합별로 각각 3개의 실험체를 3회 측정한 평균값으로 전기저항 값을 결정하였다. 그리고 그 값을 이용해 수식 (1)을 사용하여 도전율을 계산하였다.
차폐효과 측정을 위한 실험체는 1,200(W)×200(L)×1,200(H) mm³ 크기로 제작하였다. 실험체는 타설이 종료된 시점에서 24시간 기건양생(온도 20 ℃ 상대습도 60 %) 후 몰드를 제거하고 48시간 고온양생(온도 90 ℃ 상대습도 95 %)한 다음, 다시 25일간 기건양생 하였다[Fig. 2-4]. 전기저항 측정 및 전자파 차폐시험용으로 제작된 실험체는 내부에 잔존하는 수분에 의한 이온 전도의 영향을 완전히 배제하기 위하여 90 ℃ 오븐에서 2시간 동안 고온 건조한 다음, 충분히 식힌 후에 실험에 사용하였다.
안테나는 실험 주파수 영역에 맞춰 LP 안테나(10 MHz ~ 1 GHz), Loop 안테나(< 10 MHz), 그리고 Horn 안테나(> 1 GHz)가 사용되었다. 안테나간의 이격거리는 실험체를 기준으로 외부 안테나는 1.8 m, 내부 안테나는 1 m를 적용하여 전체 이격거리는 실험체 두께를 포함해 3 m가 되도록 하였다. 차폐효과는 실험체가 없는 교정 상태에서의 전력 수신량 대비 실험체가 설치된 상태에서의 전력 수신량의 차로 식 (2)에 의해 계산되며 주파수 범위에 따라 각각 3회씩 측정 후 평균값을 해당 실험체의 차폐효과로 하였다.
압축강도는 UTM(Universal Testing Machine)을 이용해 변위제어 방식으로 0.02 mm/sec의 속도로 측정하였으며 배합별로 6개씩 시험해 산술평균값을 표준강도로 하였다.
MIL-STD-188-125-1에 제시된 HEMP 방호기준을 만족하기 위해서는 14 kHz에서 최소 20 dB 이상이 요구되며 주파수가 증가함에 따라 요망기준도 점점 증가하여 1 GHz에서 80 dB를 만족해야 한다. 앞서 계산된 CNT1.0 실험체의 배면파쇄한계두께인 2.2 m를 차폐재 두께로 가정하여 차폐효과를 예측하고 HEMP 방호기준과 비교하였다. 그 결과 Fig.
이 연구에서는 UHPC/CNT 복합재료의 HEMP 방호성능을 평가하기 위해 전자파 차폐시험을 실시하고 그 결과를 전송선 이론을 적용하여 해석하였다. 그리고 방탄/방폭성능을 만족하기 위한 배면파쇄한계두께를 구한 다음, 이를 차폐재의 두께로 가정하여 차폐효과를 예측하고 HEMP 방호기준 부합여부를 확인하였다.
먼저 free space 상태에서 교정(Calibration)을 실시한 다음, 차폐실의 개구부에 실험체를 고정하였다. 차폐실과 실험체간의 틈은 전도성 가스켓을 부착하여 전자파가 틈새를 최대한 통과하지 못하도록 하였다. 그리고 외부에 설치된 안테나를 통해 전력을 송신하고 차폐실의 내부에 설치된 안테나에 실험체를 투과해 수신된 전력량을 측정하였다.
8 m, 내부 안테나는 1 m를 적용하여 전체 이격거리는 실험체 두께를 포함해 3 m가 되도록 하였다. 차폐효과는 실험체가 없는 교정 상태에서의 전력 수신량 대비 실험체가 설치된 상태에서의 전력 수신량의 차로 식 (2)에 의해 계산되며 주파수 범위에 따라 각각 3회씩 측정 후 평균값을 해당 실험체의 차폐효과로 하였다.
처리 시간은 초음파 처리가 종료된 시점에 입도분석기(Particle size analyzer)를 사용해 측정된 CNT 분산액의 평균입도가 1~10 μm를 만족할 때까지 수행하였다.

대상 데이터

이 연구에 사용된 CNT는 MWCNT(Multi-wall CNT)이며 그 특성은 Table 2와 같다. 결합재로는 백시멘트와 실리카퓸이 사용되었으며 그 특성은 Table 3과 같다.
시험은 한쪽 면에 1,200(W)×1,200(H)mm2 규격의 개구부(Opening)가 있는 2,400(W)×2,400(H) ×3,000(L)mm3 크기의 아연도금판으로 조립된 차폐실(Shielding Room)에서 진행되었다.
안테나는 실험 주파수 영역에 맞춰 LP 안테나(10 MHz ~ 1 GHz), Loop 안테나( 1 GHz)가 사용되었다.
압축강도시험을 위한 실험체는 KS L 5105 규격에 따라 50(W)×50(L)×50(H)mm3 크기로 제작하였다.
이 연구에 사용된 CNT는 MWCNT(Multi-wall CNT)이며 그 특성은 Table 2와 같다. 결합재로는 백시멘트와 실리카퓸이 사용되었으며 그 특성은 Table 3과 같다.
차폐효과 측정을 위한 실험체는 1,200(W)×200(L)×1,200(H) mm3 크기로 제작하였다.

데이터처리

제시한 이론과 가정, 실험조건, 그리고 계산된 도전율을 바탕으로 UHPC/CNT 복합재료의 전자파 차폐효과를 예측하고 그 값을 실험결과와 비교하였다. 흡수 손실은 식 (8)을 이용하여 계산하였다.

이론/모형

실험결과를 바탕으로 UHPC/CNT 복합재료의 전자파 차폐효과를 해석하기 위해 무한히 큰 금속 차폐면에서 전파신호의 송수신 부분을 구분하여 생각하는 쉘쿠노프(Schelkunoff)의 전송선 이론(Antenna Theory)을 적용했다. 그리고 UHPC/CNT 복합재료는 금속 대비 손실이 작은 유전체(Dielectric substance)로 가정하였다.
전기저항(Electrical resistance)은 휴대용 DC전원공급기를 이용해 2점법(two-probe method)을 적용하여 측정하였다. 실험 배합별로 각각 3개의 실험체를 3회 측정한 평균값으로 전기저항 값을 결정하였다.
전자파 차폐시험은 MIL-STD-188-125-1(High-Altitude EMP Protection for Fixed Ground-Based Facilities, 2005)에 의거 10 kHz ~ 1.5 GHz 주파수 범위에서 Fig. 4와 같이 실시하였다. 시험은 한쪽 면에 1,200(W)×1,200(H)mm² 규격의 개구부(Opening)가 있는 2,400(W)×2,400(H) ×3,000(L)mm³ 크기의 아연도금판으로 조립된 차폐실(Shielding Room)에서 진행되었다.

성능/효과

1) CNT가 혼입되지 않은 UHPC의 경우 재령 28일차 도전율은 4.9E-08℧/m 였다. 하지만 CNT를 적용함에 있어 최대 0.
2) 실험체 두께를 200 mm로 하고 MIL-STD-188-125-1에 의거 실시한 차폐시험 결과를 전송선 이론을 적용하여 해석한 결과, CNT가 혼입되지 않은 UHPC 의 경우 낮은 도전율로 인해 전 주파수 영역대에서 차폐효과가 ‘0’에 가까웠다.
3) 압축강도 시험결과 CNT는 충진 및 가교 효과로 인해 시멘트 매트릭스의 기계적 성질을 개선하는 것으로 나타났다. 하지만 목표 슬럼프를 일정하게 하기 위해 투입한 추가수의 영향으로 W/C가 증가한 실험체는 기준배합의 압축강도를 유지하거나 저하되었다.
전체적으로 차폐효과는 자계영역인 10 kHz에서 주파수가 증가할수록 점점 증가하다가 평면파 영역인 1 GHz에서 일부 감소한 후 다시 증가하는 경향을 보였다. CNT가 가장 많이 혼입된 CNT2.0 실험체의 경우 10 kHz에서 29.55 dB, 1 GHz에서 48.75 dB의 차폐효과를 가졌다.
UHPC/CNT 복합재료의 전자파 차폐시험 결과와 압축강도 시험결과를 종합적으로 판단했을 때 차폐효과를 극대화 하면서 기계적 성질을 최대한 유지하는 경우는 CNT1.0 실험체로 판단된다. 따라서 해당 실험체의 실험결과를 바탕으로 방호성능 평가를 실시하였다.
결론적으로 해당 실험체로 방호시설을 균일하게 구축할 경우 별도의 차폐시설을 구축하지 않아도 HEMP 방호성능을 보장하고 방탄/방폭성능을 만족 수 있다. 뿐만아니라 구조체 두께도 감소하여 시공비용 절감 및 실내 공간 활용의 효율성을 극대화 할 수 있다.
0 실험체에 대해 SAP500 폭탄에 대한 배면파쇄한계두께를 Table 5에 제시되어 있는 조건으로 계산하였다. 그 결과 2.2 m로 압축강도 24 MPa 콘크리트의 소요두께 3.87 m 대비 약 43 %가 감소하였다.
2 m를 차폐재 두께로 가정하여 차폐효과를 예측하고 HEMP 방호기준과 비교하였다. 그 결과 Fig. 10과 같이 방호기준에서 요구하는 14 kHz ~ 1.5 GHz 주파수 범위에서의 최소 차폐효과를 모두 상회하였다. 또한 오차율을 고려하여 예측값의 80 %를 적용한 결과도 모든 기준에 부합되었다.
2 m로서 동동한 방탄 / 방폭성능을 구비한 가운데 일반 콘크리트 소요 두께 대비 최대 43 %가 감소하였다. 그리고 이 값을 차폐재 두께로 가정하고 차폐효과를 예측한 결과 HEMP 방호조건을 전 주파수 영역대에서 모두 만족하였다. 따라서 해당 실험체로 방호시설을 균일하게 구축할 경우 방탄 / 방폭성능을 구비한 가운데 별도의 차폐시설 없이 HEMP 방호가 가능할 뿐만 아니라 구조체의 두께도 감소하여 시공비용을 절감할 수 있다.
6에 나타내었다. 기준 배합인 CNT0(Ref.)과 CNT0.2는 실험 주파수에서 차폐효과가 모두 3 dB 내외로 작은 값이 측정되었다. 이는 해당 실험체들의 도전율이 매우 낮기 때문에 차폐효과를 가지지 못한 것으로 판단된다.
그리고 이 값을 차폐재 두께로 가정하고 차폐효과를 예측한 결과 HEMP 방호조건을 전 주파수 영역대에서 모두 만족하였다. 따라서 해당 실험체로 방호시설을 균일하게 구축할 경우 방탄 / 방폭성능을 구비한 가운데 별도의 차폐시설 없이 HEMP 방호가 가능할 뿐만 아니라 구조체의 두께도 감소하여 시공비용을 절감할 수 있다.
75 dB의 차폐효과를 나타냈다. 또한 차폐효과 예측값과 실험값의 오차율이 20 % 이하로서 해당 실험체는 유전체로 간주할 수 있으며 이 연구에 적용된 차폐효과 예측방법은 동일 실험방법으로 수행된 유전체의 차폐효과를 대략적으로 예측하는데 충분히 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
0 실험체를 대상으로 HEMP 방호성능 평가를 실시하였다. 배면파쇄한계두께를 산정한 결과 2.2 m로서 동동한 방탄 / 방폭성능을 구비한 가운데 일반 콘크리트 소요 두께 대비 최대 43 %가 감소하였다. 그리고 이 값을 차폐재 두께로 가정하고 차폐효과를 예측한 결과 HEMP 방호조건을 전 주파수 영역대에서 모두 만족하였다.
수치계산 결과를 보면 예측값이 자계영역인 10 kHz에서부터 주파수가 증가할수록 차폐효과가 증가하다가 평면파 영역인 1 GHz에서 일부 감소한 뒤 다시 증가한다. 이는 실험결과와 그 경향이 매우 유사하다.
실험체별 압축강도의 오차범위는 ±6 % 이내로 하나의 배치(Batch)에서 타설된 실험체들이 균일하게 제작되었다고 할 수 있다. 시험결과를 보면 기준배합인 CNT0(Ref.)의 압축강도는 170.3 MPa로 나타났다. CNT0.
또한 더욱 정확한 실험을 위해서는 실험체를 충분히 크게 만들어야 할 것으로 판단된다. 실험값은 대부분 예측값보다 작게 측정되었으나 오차율는 CNT 혼입량이 증가할수록 점점 감소하였다. 혼입량이 0.
. 실험결과 CNT 혼입량이 0.8 %까지는 도전율이 급격히 증가하다가 1 %를 초과하면서 섬유간의 연결성이 높아져 함량이 증가함에도 불구하고 증가율은 점차 감소하였다[Fig. 5]. 따라서 이 실험에 사용된 CNT의 경우 침투임계점이 0.
0 대비 2배의 CNT가 혼입되었음에도 불구하고 차폐효과의 뚜렷한 차이는 없었다. 전체적으로 차폐효과는 자계영역인 10 kHz에서 주파수가 증가할수록 점점 증가하다가 평면파 영역인 1 GHz에서 일부 감소한 후 다시 증가하는 경향을 보였다. CNT가 가장 많이 혼입된 CNT2.
하지만 CNT 혼입량이 점점 증가할수록 동일 주파수에서의 차폐효과는 증가하였으며 특히 침투임계점 이상의 CNT가 혼입된 실험체의 경우 10 kHz에서 최대 29.55 dB, 1 GHz에서 최대 48.75 dB의 차폐효과를 나타냈다.

후속연구

결론적으로 적정량의 CNT가 혼입된 UHPC/CNT 복합재료는 차폐재로 적용가능하며 기존 HEMP 방호시설 시공방법의 단점을 보완할 수 있는 대안으로 적용될 수 있다. 하지만 이를 적용하기 위해서는 해당 복합재료를 현장에서 대량으로 타설함에 있어 재료의 균질성을 확보하고 재령일수에 의한 영향(Aging effect), 내구성 변화 등 다양한 요인들로부터 그 성능을 유지시키기 위한 연구들이 지속적으로 이루어져야 할 필요가 있으며 더욱 정확한 차폐효과 예측을 위해 전자기장 해석을 통한 실험값 비교 등의 연구가 수행되어야 한다.
따라서 침투임계점 이상의 CNT가 혼입된 UHPC/CNT 복합재료의 경우 손실 있는 유전체로 간주할 수 있으며 차폐재로 충분히 적용할 수 있다. 그리고 해당 재료로 구축된 실제 구조체가 동일한 차폐효과를 가진다고 간주할 수 있으며 이 연구에서 적용된 전자파 차폐효과 예측방법은 MIL-STD-188-125-1에서 제시하는 방법에 의거 수행된 유전체의 차폐효과를 대략적으로 예측하는데 사용될 수 있다.
결론적으로 적정량의 CNT가 혼입된 UHPC/CNT 복합재료는 차폐재로 적용가능하며 기존 HEMP 방호시설 시공방법의 단점을 보완할 수 있는 대안으로 적용될 수 있다. 하지만 이를 적용하기 위해서는 해당 복합재료를 현장에서 대량으로 타설함에 있어 재료의 균질성을 확보하고 재령일수에 의한 영향(Aging effect), 내구성 변화 등 다양한 요인들로부터 그 성능을 유지시키기 위한 연구들이 지속적으로 이루어져야 할 필요가 있으며 더욱 정확한 차폐효과 예측을 위해 전자기장 해석을 통한 실험값 비교 등의 연구가 수행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HEMP 방호란?	최근에는 핵무기를 사용하지 않고도 이와 유사한 효과를 발휘하는 NNEMP(Non-Nuclear-EMP) Bomb이 개발되어 사용되고 있으므로 HEMP방호는 매우 중요하다. HEMP 방호는 금속과 같이 도전율(Conductivity)이 높거나 자석과 같이 투자율(Permeability)이 높은 물질을 이용해 외부에서 가해지는 전자파를 반사 또는 흡수시키는 것으로 전자파 차폐 원리와 동일하나 전자파의 강도(Intensity)가 매우 크기 때문에 일반 차폐시설에 비해 높은 성능이 요구된다. 기존에 시공되는 HEMP 방호시설은 Fig.
	시멘트질 재료가 차폐재로의 적용은 제한되는 이유는 무엇인가?	UHPC는 160MPa 내외의 압축강도를 발현하여 차세대 방폭용 건설재료로 인식되고 있다[8]. 하지만 전기저항률이 일반 시멘트질 재료보다 더욱 높기 때문에(약 1011 Ωㆍm) 별도의 도전성 물질이 혼합되지 않는 한 그 자체로서 차폐재로의 적용은 제한된다.
	HEMP 방호시설의 한계점은?	방호시설은 화생방 방호시설 설계지침에 의거 방호등급에 따라 콘크리트 강도를 고려하여 소요 두께를 산정한다. 접촉 폭발 또는 탄체가 직접 타격하는 경우 소요 두께가 Table 1과 같이 3m 이상이 소요되므로 과중량으로 인해 구조물의 형상 및 층수의 제약, 공간의 비효율성 등의 한계점이 지적되고 있다. 따라서 HEMP 방호성능을 보장하면서 시공성 및 경제성을 개선할 수 있는 방호소재 개발이 필요하다.

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].

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