[논문]저 직경 카본섬유를 사용한 전자기 펄스 차폐 시멘트 개발에 관한 실험적 연구

민태범

doi:10.14190/jrcr.2020.8.4.429

저 직경 카본섬유를 사용한 전자기 펄스 차폐 시멘트 개발에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Development of Electro Magnetic Pulse Shielding Cement Using Milled Carbon Fiber 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.4, 2020년, pp.429 - 435

초록
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본 연구에서는 탄소계 섬유를 이용하여 EMP차페 시멘트 개발을 위해 저 직경 카본섬유 사용량에 따른 시멘트 페이스트의 물리적 특성과 EMP차폐 성능평가를 실시하였다. 사용된 저 직경 카본섬유의 길이는 100㎛의 크기로서 육안으로는 분말형태를 나타내기 때문에 시멘트 혼화재 개념으로 사용하였다. 실험결과 저 직경 카본섬유 시멘트 사용량 대비 5% 사용 하였을시 압축강도 및 EMP차폐에 효과가 있었으며 그 이상의 사용시에는 차폐효과는 증가 하지 않았다. 또한 실험체 두께에 따른 EMP차폐성능 검토 결과 저 직경 카본섬유가 사용되지 않은 Plain은 두께에 따른 차폐율 증가 효과가 없었으나 저 직경 카본섬유가 사용된 실험체들은 두께 증가에 따라 차폐성능이 증가 하였다. 따라서 저 직경 카본섬유 사용량과 실험체 두께에 따른 성능을 비교평가 하였을시 EMP차폐율 증가시키기 위해서는 저 직경 카본섬유 사용량은 5%가 최적이며 사용량을 증가시키는 것보다 두께를 증가시키는 방법이 효과적일 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, physical properties and EMP shielding performance evaluation of cement paste according to the amount of milled carbon fiber was conducted to develop EMP shielding cement using carbon fiber. The length of the milled carbon fiber used was 100㎛, and it was used as a cement admixture because it showed a powdery form to the naked eye. As a result of the experiment, when 5% of the amount of cement was used, the milled carbon fiber was effective in compressive strength and EMP shielding, and the shielding effect did not increase when used beyond that. As a result of examining the EMP shielding performance according to the thickness of the specimen, the plain without milled carbon fiber had no effect of increasing the shielding rate according to the thickness. The shielding performance of the specimens using the milled carbon fiber increased as the thickness increased. Therefore, in order to increase the EMP shielding rate when comparing and evaluating the performance according to the amount of milled carbon fiber used and the thickness of the specimen, 5% of the milled carbon fiber used is optimal. In addition, the method of increasing the thickness is considered to be effective.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Concept of existing EMP shielding room
표 Table 1. Measurement items
표 Table 2. Mixing design of cement paste
그림 Fig. 2. Shape of milled carbon fiber
그림 Fig. 3. Mold used in production
그림 Fig. 4. Curing temperature and time
그림 Fig. 5. EMP shield tester layout concept
표 Table 3. Characteristics of milled carbon fiber
그림 Fig. 6. EMP Shield test equipment layout conceptual diagram
그림 Fig. 7. Result of experiment on flow test
그림 Fig. 8. Result of compressive strength
그림 Fig. 9. Result of sem analysis
그림 Fig. 10. EMP shielding performance evaluation result according to MCF mixing
그림 Fig. 11. Average EMP shielding performance
그림 Fig. 12. EMP shielding performance evaluation according to thickness

AI 본문요약
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문제 정의

EMP 차폐에서는 금속물질로 차폐를 하는 방법과 탄소계를 이용하여 차폐 하는 방법이 있으나 금속재료의 경우 비중이 높거나 부식이 위험이 있어 시멘트 혼입재료로 사용하기에는 부적합 하다. 따라서 본 연구에서는 MCF를 시멘트 혼입재료로 선정 하였으며 이를 통하여 EMP차폐 건축구조물 구축시 구조체 자체로써 EMP차폐성능을 발현하는 시멘트를 개발하기 위한 기초적인 자료를 제시하고 자 한다.
또한 EMP 차폐에서 사용하는 ‘dB’의 단위를 사용하며 차폐성능을 나타내는 지표로 사 용된다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 재료 중 가장 기본적이고 흔히 사용되는 시멘트를 대상으로 EMP 차폐 효과를 부여 하고자 카본계열의 섬유를 사용하여 EMP 차폐 성능을 평가하고자 한다.
이에 본 연구에서는 서론에서 언급한 문제를 해결하게 위해 건 설현장에서 가장 많이 사용되는 재료 중 시멘트에 EMP차폐 성능을 부여하고자 일반 OPC(Ordinary Portland cement)와 저 직경카본섬유(이하 MCF로 칭함)를 사용하여 EMP차폐 성능평가를 실시하였다. MCF는 통상 특수재질의 플라스틱이나 고강도의 플라 스틱을 사용하는 재료이나 MCF성분 특성상 탄소계열이다.

제안 방법

W/C 40%의 시멘트를 페이스트를 콘크리트 믹서로 혼합 후 주 물형 몰드형 타설하였으며 타설 2시간 후 Fig. 4와 같이 가열온도 곡선에 따라 7일간 증기양생을 실시하였다. 증기양생 이후는 60℃ 의 건조기에서 2주간 건조를 실시하였다.
실험체 제작은 시멘트의 고유한 성능을 평가하고자 시멘트 페이스트 제작하였다. 또한 저 직경 카본섬유 및 EMP 차폐 성능을 평가하고자 섬유 혼입 량은 시멘트 사용량 대비 1, 5, 10, 20%를 추가 혼입하여 사용하였 으며 최적의 카본 섬유를 혼입량을 찾고자 하였다. 또한 최적의 MCF 혼입량을 두께 100mm에서 EMP차폐 성능을 간이 성능평가 로 검토 후 최적 혼입량 가지는 배합을 대상으로 두께별 EMP 차폐 성능을 확인하고자 하였으며 두께는 100, 200, 300mm를 기준으로 Dual shielded room에서 차폐 성능 평가를 실시하였다.
또한 저 직경 카본섬유 및 EMP 차폐 성능을 평가하고자 섬유 혼입 량은 시멘트 사용량 대비 1, 5, 10, 20%를 추가 혼입하여 사용하였 으며 최적의 카본 섬유를 혼입량을 찾고자 하였다. 또한 최적의 MCF 혼입량을 두께 100mm에서 EMP차폐 성능을 간이 성능평가 로 검토 후 최적 혼입량 가지는 배합을 대상으로 두께별 EMP 차폐 성능을 확인하고자 하였으며 두께는 100, 200, 300mm를 기준으로 Dual shielded room에서 차폐 성능 평가를 실시하였다. Table 2는 실험에 사용된 페이스트 배합을 나타낸 표이다.
Table 1은 실험 인자 및 수준을 나타낸 표이다. 실험체 제작은 시멘트의 고유한 성능을 평가하고자 시멘트 페이스트 제작하였다. 또한 저 직경 카본섬유 및 EMP 차폐 성능을 평가하고자 섬유 혼입 량은 시멘트 사용량 대비 1, 5, 10, 20%를 추가 혼입하여 사용하였 으며 최적의 카본 섬유를 혼입량을 찾고자 하였다.
증기양생 이후는 60℃ 의 건조기에서 2주간 건조를 실시하였다. 증기양생과 건조를 실시한 이유는 실험체내 수분은 EMP차폐성능에 많은 영향을 미치기 때문에 최대한 수분에 의한 영향을 배제하기 위해 위와 같이 양생 을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시멘트는 KS L 5201에 적합한 1종 보통 포틀 랜드 시멘트를 사용하였으며 카본섬유는 평균 길이 100㎛f를 가지는 미세한 입자형태의 섬유를 사용하였다. 이는 카본 섬유를 최대 로 분쇄 할 수 있는 크기가 100㎛f이며 시멘트와 분체 혼합을 하였 을 시 혼합 성능이 가장 우수할 것으로 판단되어 100㎛f길이를 가지는 MCF를 사용하였다.
2는 MCF 육안형태의 사진과 SEM 분석장비를 통하여 100배 확대한 사진을 나타낸 그림이다. 사용된 섬유는 평균 길이가 100 ㎛ 임으로 육안으로 일반 분말형태로 보이며 SEM 분석 장비로 확대 하였을 경우 섬유 형태가 관찰되었다.
실험체 제작에 사용된 몰드는 Fig. 3과 같으며 두께별 차폐율 측정을 위해 300mm×300mm×(100mm∼300mm)의 주물형 몰드 를 사용하여 시멘트 페이스트로 제작 하였다.
본 연구에 사용된 시멘트는 KS L 5201에 적합한 1종 보통 포틀 랜드 시멘트를 사용하였으며 카본섬유는 평균 길이 100㎛f를 가지는 미세한 입자형태의 섬유를 사용하였다. 이는 카본 섬유를 최대 로 분쇄 할 수 있는 크기가 100㎛f이며 시멘트와 분체 혼합을 하였 을 시 혼합 성능이 가장 우수할 것으로 판단되어 100㎛f길이를 가지는 MCF를 사용하였다. Table 3은 MCF의 특성을 나타낸 표이며 Fig.

이론/모형

EMP 차폐 측정은 미군 시방서 MIL-STD-188-125-1의 실험방법을 준용하여 실시하였다. Fig.
7은 유동성을 나타낸 그림이다. 유동성 측정은 KS L 5111에 따라서 실시하였다. 유동성 측정 결과 MCF 혼입량 10%까지는 유 동성의 변화가 크게 나타나지 않았다.

성능/효과

1. MCF를 혼입한 시멘트의 유동성 측정결과 MCF 15%이상의 혼입량에서 유동성 감소가 나타났다. 이는 MCF와 배합수의 흡착으로 인해 유동성이 저하되는 것으로 판단된다.
2. MCF 사용량이 증가함에 따라 압축강도는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 미세한 MCF가 시멘트 페이스트 수화물간의 조직을 연결하여 더욱 견고하게 유지하기 때문인 것으로 사 료된다.
3. MCF가 혼입된 MCF-5, MCF-10, MCF-15, MCF-20은 측정 주파수 범위에서 50dB이상의 차폐 성능을 나타냈으며 MCF-5의 실험체가 가장 높은 차폐율을 나타났다
4. 두께별 EMP 차폐 성능을 분석한 결과 Plain 경우 두께가 증가함에도 EMㅖ차폐율 증가현상은 뚜렷하게 나타나지 않 았으나 MCF가 혼입된 실험체는 두께가 증가함에 따라 차폐 율도 증가하는 것으로 나타났다.
5. EMP 차폐율을 증가시키기 위해서 사용한 MCF의 혼입량은 최대 5%가 한계치이며 시험체 두께를 증가시켜 차폐율을 증 가시키는 방법이 EMP차폐 측면에서는 효과적일 것으로 사 료된다.
이로서 차폐 재료가 혼입되지 않은 시멘트는 두께 가 증가하더라도 차폐성능에 영향을 못 미치는 것으로 판단된다. 그러나 MCF-5의 실험체는 두께 100mm에서는 40~60dB의 차폐율을 나타내었고 두께 200mm에서는 50~75dB, 300mm는 65~85dB의 차폐율이 나타났으며 두께가 증가할수록 차폐율은 증가하는 것으로 나타났다. 이는 두께가 증가됨에 MCF의 혼입량의 증 가와 두께증가에 따라 EMP 스펙트럼이 투과 되는 시간과 범위가 증감함에 차폐율 또한 증가하는 것으로 판단된다.
Plain 실험체의 경우 실험체에서 MCF의 섬유가 발견되지 않았으며 MCF-5의 실험체에서는 카본 섬유가 시멘트 페이스트 조직을 연결하듯 수화물 사이에 배치하고 있는 모습을 나타났다. 따라서 시멘트 수화물 조직간 혼입된 MCF의 영향으로 압축강도가 증가 하였으며 인장강도 또한 증가 할 것으로 사료된다.
이는 두께가 증가됨에 MCF의 혼입량의 증 가와 두께증가에 따라 EMP 스펙트럼이 투과 되는 시간과 범위가 증감함에 차폐율 또한 증가하는 것으로 판단된다. 또한 EMP스펙 트럼을 수평(시험체 명 뒤 H로 표기), 수직(시험체 명 뒤 V로 표기) 으로 발생시켜 EMP의 침투 방향성에 대하여 차폐성능을 분석한 결과 MCF-5-100mm, MCF-5-300mm, Plain의 시험체는 EMP스 펙트럼의 방향에 따른 차폐 경향성은 나타나지 않았다. 그러나 MCF-5-300mm의 시험체는 수평의 스펙트럼이 차폐 효과가 증가하는 것으로 나타났다.
차폐성능 실험결과 Plain 실험체는 평균 20dB 이하의 차폐 성능을 나타냈으며 이는 기준 문헌과 비교한 결과 차폐 되지 않는 것으로 나타났다. 또한 MCF가 혼입된 MCF-5, MCF-10, MCF-15, MCF-20은 측정 주파수 범위에서 50dB이상의 차폐 성능을 나타냈으며 MCF-5의 실험체가 주파수 1.3GHz에서 70dB의 범위의 가장 높은 차폐율을 나타났다. Plain과 MCF가 혼입된 실험체의 차폐 효과는
압축강도 측정결과 MCF가 혼입됨에 따라 강도발현은 높게 나타났다. 압축강도 측면에서 MCF혼입량 5%를 혼입한 MCF-5의 실험체가 가장 높은 압축 강도를 발현하였다. 그러나 5%이상 사용한 MCF-10, MCF-15, MCF-20은 Plain보다는 높지만 MCF-5 보다는 낮은 압축강도를 나타냈었다.
8은 압축강도 결과를 나타낸 그림이다. 압축강도 측정결과 MCF가 혼입됨에 따라 강도발현은 높게 나타났다. 압축강도 측면에서 MCF혼입량 5%를 혼입한 MCF-5의 실험체가 가장 높은 압축 강도를 발현하였다.
유동성 측정은 KS L 5111에 따라서 실시하였다. 유동성 측정 결과 MCF 혼입량 10%까지는 유 동성의 변화가 크게 나타나지 않았다. 그러나 MCF 15%이상의 혼 입량 에서는 급격한 유동성 감소가 나타났다.
0GHz 주파수 영역범위에서 MCF 혼입률에 따른 주파수 영역별 차폐성능 간이 평가 결과를 나타낸 그림이다. 차폐성능 실험결과 Plain 실험체는 평균 20dB 이하의 차폐 성능을 나타냈으며 이는 기준 문헌과 비교한 결과 차폐 되지 않는 것으로 나타났다. 또한 MCF가 혼입된 MCF-5, MCF-10, MCF-15, MCF-20은 측정 주파수 범위에서 50dB이상의 차폐 성능을 나타냈으며 MCF-5의 실험체가 주파수 1.
0GHz의 평균 차 폐율을 나타낸 그림이다. 평균 차폐율 분석결과 MCF의 혼입량 5~20% 까지의 차폐율 측정결과 혼입율에 따른 주파수별 차폐효과 차이는 크게 발생하지 않았다.

후속연구

따라서 MCF의 혼입량에 따라 EMP 차폐 성능을 평가한 결과 MCF의 적정 사용량은 5%가 최적이라 판단되며 추후 혼입량 1~5%의 변수를 통해 차폐성능 분석이 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (12)

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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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