1. 서 론

최근 정보통신산업이 급속도로 발전함에 따라 디지털회 로에 의한 고주파 화와 고직접 화로 이루어진 휴대전화, 무선랜, 태블릿, 디지털통신 등의 다양한 분야에서 고주파 를 이용한 전자제품들이 널리 사용되고 있다. 전자제품은 인체에 유해한 전자파를 발생시키는 것으로 알려져 있으 며, 이러한 유해 전자파에 노출되게 되면 스트레스를 일으 키거나 심장질환 등 혈액의 화학적 변화를 유발하여 인체 에 좋지 않은 영향을 미치는 것으로 이미 여러 전자파 관 련 연구에서 밝혀진 바 있다[1-2]. 또한 전자제품에서 발 생하는 전자기파는 주변의 각종 전자기기의 오작동을 야 기 할 수 있으며, 특히 이러한 오작동은 많은 승객을 운송 하는 항공기 및 열차운행 시 발생하게 되면 큰 인명피해 가 일어날 수 있기 때문에 전자기파에 의한 노이즈를 차 단할 수 있는 재료 개발이 시급한 실정이다. 또한 이러한 전자파가 인체에 직접적으로 부정적인 영향을 미친다는 연구결과가 발표되면서 개인의 건강보호를 위한 전자파 장해 (Electromagnetic interference: EMI) 에 의한 차폐 (Shield) 기술 개발에 대한 각종 관심이 대두 되고 있으며, 세 계보건기구(WHO)에서는 전자파에 대하여 법적 규제를 강화하기 시작했고 우리나라에서도 “전자파 인체보호 기 준”을 제정하여 시행하고 있다. 따라서 이처럼 인체의 유 해한 전자파를 효과적으로 제어하고자 하는 다양한 연구 가 여러 분야에서 활발하게 진행되고 있으며, 그 중 재료 의 도전, 유전 및 자성손실을 이용하여 전자파가 차폐막을 통과할 때 반사, 흡수, 투과 및 다중반사 작용에 의해 그 세기를 감소시키기 위하여 도전성 금속이나 탄소 등의 도 전성 충전재를 사용한 복합재료의 전자파 차폐 특성에 관 한 연구가 보고되고 있다[3-6]. 그 중 EMI문제를 극복하 고 개선할 수 있는 효과적인 기술 중의 하나인 고분자 재 료에 전도성 충전제를 분산시키는 기술이다. 전도성 충전 제로는 탄소섬유와 여러 가지 다양한 소재들이 전도성 충 전제로 사용되고 있으며, 탄소섬유와 전도성 금속은 이에 적합함이 인증되고 있다. 그 중 탄소섬유의 전기저항은 다 른 금속에 비하여 높은 값을 나타낸다. 하지만 탄소섬유가 다른 전도성 금속과 같은 차폐효과를 얻기 위해서는 보다 많은 양의 탄소 섬유가 필요하다. 따라서 탄소섬유의 함유 량이 높아 진다면 우수한 차폐효과를 얻을 수 있을 것으 로 예측되지만, 탄소섬유의 가격이 고가이므로 사출성형 법 과 같은 성형법으로 복합재료를 제작할 경우 생산비용 증가라는 문제점이 따르게 된다. 따라서 본 연구에서는 대량 생산이 가능한 전기선 폭발법(PWE: Pulsed Wire Evaporation) 을 사용하여 나노 크기의 금속분말을 제조하였으며, 모재 인 에폭시 섬유 수지에 제조된 다양한 나노분말을 분산시 켜 각각의 복합재료를 제조하였다[7]. 제조된 복합재료의 내부에서는 각각의 도전성 나노금속분말 및 자성 나노분 말 들에 의한 전자파 반사, 흡수, 투과 및 다중반사에[8-10] 의한 전자파 차폐효과를 부여하고자 하였다.

이에 본 연구에서는 전기선 폭발법을 이용하여 다양한 나노금속 분말 및 자성나노분말을 제조하였고, 제조된 나 노분말을 에폭시 섬유수지 내부에 분산시켜 전자파차폐 소재들을 제조하였으며, 이와 같은 다양한 종류의 나노분 말 입자가 전자파 차폐에 미치는 영향과 효과에 대하여 고찰하였다.

2. 실험방법

본 연구에서는 인체에 유해한 전자파 차폐에 대한 연구 를 수행하기 위하여 도전성 및 연 자성의 Ni, Carbon Coated Ni(C@Ni), 투자율이 높다고 알려져 있는 Fe-85 wt.%Ni (Permalloy) 나노분말, 감마상 Fe₂O₃의 나노분말을 전기선 폭발장치를 이용하여 제조하였다. 제조 시 분위기 가스로 는 금속분말제조 시 질소를 사용하였고, 카본 코팅분말은 아르곤/메탄 (20 vol.%) 가스로 이루어진 혼합가스를 사용 하였으며, Fe₂O₃분말은 아르곤/산소 (30 vol.%) 의 혼합가 스를 이용하였다. 사용된 펄스에너지는 콘덴서 용량이 6 μF이었고, 인가전압은 26 kV로 그 비에너지 값(금속와 이어의 승화에너지에 대한 인가된 에너지(W)의 비, K=W/ W_s [11]) 은 표 1에 나타내었다.

Table 1

Fabrication conditions of nano-powder by pulsed wire explosion process

	Wire	Atmosphere	Ws (J/mm3)	K	Powder
1	Ni	N2	53.9	3.74	Ni
2	Ni	Ar/CH4	53.9	3.74	C@Ni
3	Fe-85	Ni	54.1	6.61	Fe-85
	wt.%Ni				wt.%Ni
4	Fe	Ar/O2	55.4	2.91	γ-Fe2O3

제조 합금에 따른 각 나노 분말의 형상과 크기를 관찰 하기 위하여 주사전자현미경을 사용하였으며, 시료는 전 도성 시편 홀더에 나노분말을 분산시킨 후 금(gold) 도금 후에 관찰하였다. 각 나노분말의 정확한 상분석을 위하여 X-선 회절 분석시험장비를 이용하였으며, 분석은 Cu 타겟 을 사용하여 2°/min의 Scan speed로 2θ값은 20~100°의 조 건에서 수행되었다. 또한 제조된 나노입자의 형상, 크기, 표면의 산화막 층은 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)을 이용하여 분석하였다.

전자파 차폐효과에 대한 측정은 에폭시 섬유 수지와 각 각의 나노크기의 금속분말을 표 2에 보이는 중량비대로 교반 하여 혼합재료의 유동성이 충분한 시점에서 그림 1 에서 보이는 것과 같이 계측 장비에 규격에 따른 모식도 를 참고하여 제작해놓은 몰드에 장입 하여 복합재료 시험 편을 제조하였으며, 제조된 시료는 그림 2에서 보이는 것 과 같이 ASTM D 4935 규격 (Standard Test Method for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Planar Materials) [12] 에 맞게 시험편을 준비하였다. 그림 3 에서는 본 연구에 이용된 시험편의 치수를 나타내고 있다. 이렇게 제조된 시험편은 차폐효과(Shielding Effectivenss, SE) 측정을 ASTM D4935 규범에 맞게 측정하였다. ASTM D4935는 동축 플랜지 사이에 디스크형의 시험편 을 장입하고 용량성 결함에 의해 측정하는 측정 반복 도 가 매우 높은 정밀한 시험방법이다. 준비된 시험편 Reference을 플랜지형 동축 전송선 측정 치구에 넣고 EMC tester에 각 주파수대에서 발생한 송신전력에 대한 수신 전력의 값을 EMC test receiver에 저장한다. 같은 방 법으로 Load 시편에도 적용하여 Reference 시험편과 Load 시험편의 차이를 차폐효과로 구하였다. 전자파 차폐효과 는 일정한 크기의 송신 전력에 대하여 측정치 구내에 시 편이 장입되어 있을 때와 그렇지 않을 때 수신되는 전력 의 비를 구함으로써 계산, 위 방법에 의해 측정되는 전자 파 차폐효과는 아래 식을 이용하여 계산하였다.

SE(dB)=10logP1P2

Table 2

Mixing conditions of nano-powder and epoxy for electromagnetic wave shielding samples (unit : g)

Composition	Epoxy	Hardner	Powder	Total
C Coated-Ni	70	35	11.6	116.6
Ni	70	35	11.6	116.6
Fe2O3	70	35	11.6	116.6
Fe-85 wt.%Ni	70	35	11.6	116.6

Fig. 1

Specimen mold for EMI shielding effectiveness test; (a) Reference (b) Load.

Fig. 2

Optical image of a Specimen for Electromagnetic wave shield test.

Fig. 3

Dimensions of Electromagnetic wave shielding test specimen.

여기서,

• SE: shielding Efficiency

• P₁ : 시편이 장입 되어 있을 때의 Power,

• P₂ : 시편이 장입 되어 있지 않을 때의 Power

이때 측정된 주파수 범위는 30 MHz~1 GHz 까지의 범 위에서 측정하여 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

본 연구에서는 그림 4의 모식도에 나타낸 것과 같이 전 기선폭발장치를 이용하여 연구에 필요한 다양한 나노분말 을 제조하였다. 모식도에서 볼 수 있는 것과 같이 전기선 폭발법은 금속와이어를 공급하면서 와이어에 고전압의 대 전류를 펄스 형태로 인가하면서 나노분말을 제조하는 공 법으로 금속, 합금 및 금속 산화물 나노분말 제조가 가능 한 공정이다. 또한, 공급 전압 및 챔버내의 분위기 제어로 분말의 특성 제어가 가능하며, 부산물이 전혀 없는 친환경 공법으로 불순물의 제거하기 위한 후처리 공정이 불필요 하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 Ni, Fe₂O₃, Fe- 85 wt.%Ni 나노분말을 전기선폭발장치를 이용하여 제조하 였으며, 카본(C)의 우수한 특성을 부여하기 위하여 동일 장치를 이용하여 Ni 나노분말 표면에 카본(C)을 코팅한 shell 구조의 나노분말을 성공적으로 제조하였다. 본 연구 에서 제조된 다양한 재료와 형태의 나노분말을 전자파차 폐에 응용하여 기존에 보고되고 있는 마이크론 분말보다 우수한 특성을 기대하고 있으며, 이들 분말의 형상, 크기, 표면 상태를 분석하기 위하여 주사전자현미경을 이용하여 분석하였으며 이들 결과를 그림 5에 나타냈다. 분말의 형 상은 전반적으로 구형의 형태를 나타내고 있으나 카본이 코팅된 (b)번 분말의 표면 및 형태는 다른 분말과 비교하 여 상대적으로 작은 입도를 보이며 표면 굴곡이 있는 것 으로 분석하였다. 제조된 분말의 표면은 (b)번 시료를 제 외한 모든 분말에서 깨끗한 표면이 관찰되었다.

Fig. 4

Schematic diagram of pulsed wire explosion equipment.

Fig. 5

SEM micrographs of different types of nano-powders fabricated by PWE method; (a) Ni, (b) C coated Ni, (c) Fe₂O₃, (d) Fe-85 wt.%Ni

본 연구에서 제조된 분말의 표면상태와 산화막 두께를 알아보기 위하여 투과전자현미경을 이용하여 분석하였으 며, 그 결과를 그림 6에 나타내었다. 투과전자현미경 분석 결과 대부분의 분말 주위에는 산화막이 형성되었으며 Ni 분말 주위에는 약 4 nm의 두께를 형성하고 있었다. 카본 이 코팅된 Ni 분말(b)에서는 약 7 nm 두께의 다층 카본층 을 형성하였다. 분말의 산화막은 전기선 폭발과정에서 제 조된 분말이 대기 중에서 산화막을 형성한 것으로 분석되 며, 탄소가 코팅된 니켈에서는 코팅된 카본 층에 의해 산 화막 생성이 억제되었음을 확인했다.

Fig. 6

TEM micrographs of different types of nano-powders fabricated by PWE process; (a) Ni, (b) C coated Ni, (c) Fe₂O₃, and (d) Fe-85 wt.%Ni

또한, 제조된 나노분말의 상분석을 위하여 제조된 분말 은 XRD를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 그림 7에 나타내었다. 각각 제조된 분말의 XRD 상분석 결과 그림 7에서 볼 수 있는 것과 같이 Fe₂O₃ 분말은 감마상 Fe₂O₃ 단일상을 나타났다. 그 외의 C Coated-Ni, Ni, Fe-85 wt.% Ni의 나노분말은 Ni상 및 Fe-85 wt.% Ni 상 외에는 다른 상이나 불순물은 관찰되지 않았다.

Fig. 7

XRD patterns of nano-powder fabricated by PWE process.

본 연구에서는 이상의 전기선폭발 장치를 이용하여 제 조된 약 70 nm 크기, 구형의 형태 및 4 nm의 균일한 산 화막 층을 형성하는 나노분말이 전자파차폐에 어떤 영향 을 끼치는지에 대한 연구가 핵심이므로 이들 나노분말을 분산하여 에폭시 복합재료를 제조하였다. 에폭시 복합재 료는 에폭시와 나노분말의 비율 또한 중요한 원인으로 작 용할 수 있기 때문에 이들 재료의 혼합비율을 표 2에 나 타내었다.

제조된 에폭시 복합재료의 전자파차폐 측정은 플랜지형 동축선 측정장비를 이용하여 수행하였으며, 그 결과를 그림 8에 나타내었다. 각각의 나노입자가 분산된 모든 시 험편은 30 MHz~1 GHz까지의 주파수 범위내에서 전자파 차폐효과(dB) 가 측정되었으며, 측정결과 각각 다른 차폐 효과를 나타내었다. 차폐효과는 고주파수 범위대로 올라 갈수록 전체적으로 향상된 경향을 나타내었으며, 0~450 MHz 주파수 범위에서 Fe-85 wt.% Ni의 분말을 포함한 에 폭시 수지의 복합재료가 기존 모재인 에폭시 보다 향상된 전자파 차폐효과를 나타내었으며, 다른 시험편과 비교하 여 향상된 차폐효과를 나타내었다. 일반적으로 전자파차 폐 효율은 입사되는 전자파에 대한 반사에 의한 감쇄, 흡 수에 의한 감쇄, 그리고 내부반사에 의한 감쇄의 총합으로 나타낸다. 하지만 에폭시에 나노분말이 분산된 형태로 제 작된 모든 시험편에서 전기전도도 값은 매우 낮게 나타났 기 때문에 반사에 의한 전자파차폐효율은 매우 낮을 것으 로 사료된다. 또한 모든 시료에서의 분말농도와 복합재료 시험편의 두께는 동일하게 제작하였기 때문에 내부반사에 의한 감쇄효과는 동일할 것으로 판단된다. 따라서 Fe-85 wt.% Ni 복합재료에서 차폐효율이 더 높게 나온 이유는 Permalloy 고유의 특성인 높은 투자율에 기인한 전자파흡 수효과에 의하여 차폐효과가 높은 것으로 사료된다. 한편, 이러한 분석결과는 Permalloy복합재의 복소투자율 및 복 소유전율 에 대한 결과가 반영된 것이라 생각되며 2종류 이상 자성 복합재의 경우 복소투자율의 주파수 분산특성 은 거의 동일하나, 복소유전율의 경우 많은 차이를 보여 전기전도도의 차이를 일으킨다는 선행연구에[13] 기안하 여 분석 하였을 때 다른 금속들과 달리 Permalloy 재료가 전기전도도의 차이의 영향을 미친 것으로 사료된다. 또한, 동일 주파수 영역에서 다른 도전성 금속이 차폐효과를 충 분히 부여하지 못한 것은 충전제의 종류, 그에 따른 형상 과 분포, 함량 등 기하학적 요인이 충전제의 물성과 함께 차폐효과에 영향을 미침을 나타내는 것으로 판단되며, Permalloy 분말의 크기, 또는 입자의 형상, 분산의 비율이 나 공정 측면에서의 다양한 후속연구가 필요함을 알 수 있었다.

Fig. 8

Electromagnetic wave shielding effect (dB) on different nano-powder dispersed specimens.

4. 결 론

본 연구에서는 나노크기의 도전성 분말이 에폭시 섬유 수지의 전자파 차폐 효과를 알아보기 위해 각각의 도전성 금속을 전기선폭발법을 이용한 나노크기의 분말로 제조, 분석하였고 그에 따른 복합재료의 전자파 차폐효과를 비 교 분석하기 위하여 ASTM D4935 규격에 맞는 시험편을 제조하여 분석하였다. 전기선 폭발법으로 제조된 나노분 말은 평균 70 nm 크기의 구형을 나타내었으며, TEM 분 석결과 2 nm~7 nm 두께의 산화막 및 탄소 코팅층이 확인 되었다. 제조된 Fe₂O₃ 나노분말은 γ-Fe₂O₃ 상의 XRD 피 크를 나타내었고, 나머지 분말은 Ni의 단일 상을 나타내 었다. 전자파 차폐효과 분석결과 Fe-85 wt.%Ni 첨가한 복 합재료에서의 차폐효과가 모재인 에폭시 보다 향상된 전 자파차폐 효과를 나타내었으며 그 외의 시험편 에서는 Fe-85 wt.% Ni 시험편의 차폐효과 보다 낮은 차폐효과를 보였다. 이는 고투자율을 갖는 permalloy 나노분말이 복합 재료 내부에서 흡수에 의한 전자파감쇄효과를 나타내어 전자차폐효과 증진에 기여한 것으로 사료된다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부 WPM(World Premier Materials) 사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다(과제번호: 10037912).

• 1. A. Taflove and M. E. Brodwin: IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 23 (1975) 888..Article
• 2. S. Jarupat, A. Kawabata, H. Tokura and A. Borkiewicz: J. Physiol Anthropol, 22 (2003) 61..ArticlePubMed
• 3. S. M. Abbas, M. Chandra, A. Verma, R. Chatterjee and T. C. Goel: Composites, Part A, 37 (2006) 2148..Article
• 4. P. Zhihua, P. Jingcui, P. Yanfeng, O. Yangyu and N. Yantao: Phys. Lett. A, 372 (2008) 3714..Article
• 5. V. S. Sangawar, P. S. Chikhalikar, R. J. Dhokne, A. U. Ubale and S. D. Meshram: B Mater Sci., 29 (2006) 413..Article
• 6. K. S. Moon, H. D. Choi, A. K. Lee, K. Y. Cho, H. G. Yoon and W. S. Suh: J. Appl. Poly. Sci., 77 (2000) 1294..Article
• 7. Y. Yoshizawa, S. Oguma and K. Yamauchi: J. Appl. Phys., 64 (1988) 6044..Article
• 8. S. Yoshisa, M. Sato, E. Sugawara and Y. Shimada: J. Appl. Phys., 85 (1999) 4636..Article
• 9. S. H. Hong, K. Y. Sohn, W. W. Park, J. M. Nam, B. G. Moon and Y. S. Song: J. Korean Powder Metall. Inst., 14 (2007) 261 (Korean)..Article
• 10. E. H. Min, M. S. Kim and J. G. Koh: J. Korean Magn Soc, 17 (2007) 238 (Korean)..Article
• 11. H. M. Lee, J. H. Park, S. M. Hong, Y. R. Uhm and C. K. Rhee: J. Korean Powder Metall. Inst., 16 (2009) 245 (Korean)..
• 12. ASTM D 4935 89: Standard Test Method for Measuringthe Electromagnetic Shielding Effectiveness of Planar Materials..
• 13. H. S. Cho and S. S. Kim: J. Korean Powder Metall. Inst., 20 (2013) 125 (Korean)..Article

Figure & Data

References

Citations

Citations to this article as recorded by