KR102308382B1 - 플라즈마 처리를 이용한 전자파 차폐재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자파 차폐재에 대한 것으로, 2 GHz 내지 40 GHz의 범위에서 40dB 내지 90dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 것을 특징으로 한다. 상기 전자파 차폐재는 탄소를 포함하는 부직포성 섬유 상에 수소 플라즈마를 처리하여 고주파 영역에서도 전자파를 효과적으로 차단할 수 있다.

Description

플라즈마 처리를 이용한 전자파 차폐재 및 이의 제조 방법 {PLASMA-TREATED ELECTROMAGNETIC WAVE SHIELDING MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 전자파 차폐재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 탄소를 포함하는 부직포성 섬유에 수소 플라즈마를 처리하여 고주파 영역에서 전자파를 효과적으로 차단할 수 있는 전자파 차폐재를 제공할 수 있다.
통신 기술의 발달, 이동 물체의 전파 유도 기술의 고도화 등, 전자공학 및 통신공학의 급격한 발달로 인하여 전자파의 주파수는 점차 높아진 반면, 전자 장비간의 설치 간격은 좁아졌다. 이에 따라 불요 복사는 쉬워지게 되었고, 이웃의 전자 장비에 간섭 신호나 잡음을 가하여 해로운 영향을 주거나 또는 이웃 장비로부터 영향을 받는 것이 비일비재하게 되었다.
특히, 5G 환경 이동통신은 10 GHz 이상의 고주파수를 사용하여, 전자파 간섭이 심하게 일어나며, 이러한 전자파 간섭 현상으로 인해 전자기기들의 정보 손실 및 오작동이 나타난다. 전자파 간섭이 없도록 하거나 전자파 간섭에 대해서 적절한 내성을 가지도록 전자 장비를 설계하는 것이 최근 필수적인 요건이 되었고, 이를 위해서 차폐 재료 및 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.
전자파 차폐는 외부반사, 내부반사 및 흡수 효과의 조합으로 이루어지며, 현재까지 전자파 차폐 소재로 알려진 물질들, 즉, 금속 나노분말, 탄소나노튜브 등 우수한 전기전도성을 가지는 물질을 이용한 전자파 반사로 전자파 차폐를 달성하고자 하고 있고, 선행특허(공개번호 10-2017-0064216)는 전자파 반사용 금속/탄소 하이브리드 입자를 개시하고 있다. 하지만, 향후 5G의 고주파 영역에서는 전자파 차폐의 물질로서 전자파 반사 메커니즘을 갖는 소재보다 전자파 흡수 메커니즘을 갖는 소재가 절대적으로 필요하다.
종래 사용되던 전자파 차폐재로 금속 분말, 탄소나노튜브 등이 있지만, 각 재료들의 차폐 가능한 주파수 대역이 서로 상이하고, 광대역에서 보편적으로 사용할 수 있는 전자파 차폐재가 없어 이에 대한 요구가 꾸준히 있었다. 특히, 가공 비용이 높고 성형성이 제약되는 기존 단일 금속 소재에서 나아가 전도성, 강성 및 경량 특성을 지닌 탄소 소재가 주목 받고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0064216호
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 전자파 차폐재에 대한 것으로, 탄소를 포함하는 부직포성 섬유 상에 수소 플라즈마를 처리하여 고주파 영역에서도 전자파를 효과적으로 차단할 수 있는 전자파 차폐재를 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전자파 차폐재는 2 GHz 내지 40 GHz의 범위에서 40dB 내지 90dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 전자파 차폐재는 2 GHz 내지 8 GHz의 범위에서 40dB 내지 60dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전자파 차폐재는 8 GHz 내지 20 Hz의 범위에서 50dB 내지 90dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전자파 차폐재는 20 Hz 내지 40 Hz의 범위에서 50dB 내지 90dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전자파 차폐재는 탄소를 포함하는 부직포성 섬유인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전자파 차폐재는 수소 플라즈마 처리가 된 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원은 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 준비하는 단계; 및 상기 부직포성 섬유 상에 수소 플라즈마를 처리하는 단계;를 포함하는 전자파 차폐재의 제조 방법을 제공한다.
상기 수소 플라즈마 처리는 1분 내지 10분 동안 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수소 플라즈마 처리는 1 GHz 내지 3 GHz의 범위 주파수 영역에서 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수소 플라즈마 처리는 500℃ 내지 1,000℃의 온도 하에서 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수소 플라즈마 처리는 500 W 내지 2,000 W의 전력 하에서 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과 만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 전자파 차폐재는 2 GHz 내지 40 GHz의 범위에서 40dB 내지 90dB의 전자파 차폐 효율을 가진다. 특히 고주파 영역에서도 높은 전자파 차폐 효율을 나타내고 있어 5G 시대에 다양한 전자기기에 적용될 수 있다. 또한 2 GHz 내지 40 GHz의 광대역에서 모두 높은 전자파 차폐 효율을 나타내고 있어 종래의 차폐 가능한 주파수 대역이 상이한 재료들에 비해 본원에 따른 전자파 차폐재는 하나의 전자파 차폐재로 광대역의 전자파를 효과적으로 차단할 수 있다.
특히, 본원에 따른 전자파 차폐재는 흡수 효율이 높기 때문에 고주파 영역에서 효과적으로 전자파를 차단할 수 있다.
또한, 금속만을 이용하여 전자파 차폐 소재를 구현할 경우 높은 가공비용과 성형성의 제약으로 용도가 한정된다. 반면에, 본원에 따른 전자파 차폐재는 탄소로 이루어져있기 때문에 전도성, 강성, 경량의 특성을 가져 다양한 용도에 적용이 가능하며 금속 대비 경량, 높은 성형성, 원가 절감의 효과를 발휘할 수 있다.
나아가, 본원에 따른 전자파 차폐재는 수소 플라즈마처리로 간단하게 전자파 차단 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 전자파 차폐재의 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 실시예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 (a)사진, (b)FESEM(field-emission scanning electron microscope) 이미지, (c)확대한 FESEM 이미지이다.
도 3은 본 비교예에 따른 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 (a)사진, (b)FESEM(field-emission scanning electron microscope) 이미지, (c)확대한 FESEM 이미지이다.
도 4는 본 실시예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy) 그래프이고, 삽도는 FESEM(field-emission scanning electron microscope) 이미지이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 단면 FESEM(field-emission scanning electron microscope) 이미지이다.
도 6은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이다.
도 7은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8a는 본 실시예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 흡수 및 외부반사 효율을 나타낸 그래프이고, 도 8b는 본 비교예의 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 흡수 및 외부반사 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 흡수 및 외부반사 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 실시예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
이하에서는 본원의 전자파 차폐재 및 이의 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원은, 2 GHz 내지 40 GHz의 범위에서 40dB 내지 90dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 전자파 차폐재에 관한 것이다.
상기 전자파 차폐재는 2 GHz 내지 8 GHz의 범위에서 40dB 내지 60dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전자파 차폐재는 8 GHz 내지 20 Hz의 범위에서 50dB 내지 90dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전자파 차폐재는 20 Hz 내지 40 Hz의 범위에서 50dB 내지 90dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전자파가 물체에 도달하면, 전자파는 흡수, 외부반사, 내부반사 및 투과 메커니즘으로 진행된다. 이 때, 전자파를 투과시키지 않는 효과의 총계를 차폐효율(SE, Shielding Effectiveness)이라고 하는데, 전자파 차폐효율은 흡수, 외부반사 효율, 내부반사 효율 및 투과 효율의 총합으로 나타낼 수 있다. 이를 식으로 표기하면 하기의 수학식 1과 같다.
Figure 112019134337971-pat00001
Figure 112019134337971-pat00002
Figure 112019134337971-pat00003
SER 는 반사에 의한 차폐 효율, SEA 는 흡수에 의한 차폐 효율, SEB 는 내부반사에 의한 차폐 효율을 나타내며, ρ는 체적고유저항, f는 전자파 주파수, t는 차폐재의 두께를 나타낸다.
전자파 효율의 단위는 데시벨(dB)인데, 전자파 흡수 메커니즘이 10dB 이상인 경우, 내부반사 메커니즘은 무시할 수 있다. 또한, 상기 수학식 1에 의하면 전자파의 주파수가 증가할수록 외부반사에 의한 효율은 감소하고, 흡수에 의한 효율이 증가한다. 즉, 이동통신이 5G로 발전함에 따라, 점점 고주파화로 진행하여 전자파 차폐에 요구되는 소재는 전자파를 흡수하는 물질이 절대적으로 필요하다는 것을 의미한다.
금속만을 이용하여 전자파 차폐 소재를 구현할 경우 높은 가공비용과 성형성의 제약으로 용도가 한정된다. 따라서 전도성, 강성, 경량의 특성을 가진 탄소 소재를 접목하여 전자파 차폐 소재를 구현하게 되면 다양한 용도에 적용이 가능할 뿐만 아니라 금속 대비 경량, 높은 성형성, 원가 절감의 효과를 발휘할 수 있다.
상기 전자파 차폐재는 탄소를 포함하는 부직포성 섬유인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유는 탄소를 포함하는 직포성 섬유 대비 전자파 차폐 효율이 2배 이상이다. 구체적으로, 4 GHz 내지 40 GHz의 범위에서 상기 탄소를 포함하는 직포성 섬유는 20dB 이하인 반면, 상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유는 40 dB 이상이다.
상기 전자파 차폐재는 수소 플라즈마 처리가 된 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전자파 차폐재는 수소 플라즈마 처리가 됨으로써 전자파 차폐 효율이 향상된다. 구체적으로, 4 GHz 내지 40 GHz의 범위에서 수소 플라즈마 처리를 하기 전보다 수소플라즈마 처리를 한 후가 10dB 이상 향상된다. 특히 고주파영역에서 더 높은 전자파 차폐 효율을 나타내고 있어 5G 환경에서의 전자파 차폐 재료로서 응용될 수 있다.
더욱이, 본원의 전자파 차폐재는 금속을 사용하지 않고 탄소만을 사용하여 종래의 전자파 차폐재 대비 가볍고 성형성이 좋아 다양한 용도에 응용될 수 있다.
본원은 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 준비하는 단계; 및 상기 부직포성 섬유 상에 수소 플라즈마를 처리하는 단계;를 포함하는 전자파 차폐재의 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 전자파 차폐재의 제조 방법의 순서도이다.
먼저, 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 준비한다(S100).
탄소 섬유를 200번 내지 500번 불규칙적으로 쌓으면 탄소를 포함하는 부직포성 섬유가 형성된다. 상기 탄소 섬유를 200번 미만 쌓게 되면 탄소를 포함하는 직포성 섬유가 형성된다.
이어서, 상기 부직포성 섬유 상에 수소 플라즈마를 처리한다(S200).
상기 수소 플라즈마 처리는 1분 내지 10분 동안 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수소 플라즈마를 1분 미만 처리하게 되면 상기 부직포성 섬유의 표면이 충분히 개질되지 않아 전자파 차폐 효율을 향상시키는데 한계가 있다.
상기 수소 플라즈마 처리는 1 GHz 내지 3 GHz의 범위 주파수 영역에서 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수소 플라즈마 처리를 진행할 때 플라즈마 장치에 가해지는 주파수가 1 GHz 미만일 경우 상기 부직포성 섬유의 표면이 충분히 개질되지 않아 전자파 차폐 효율을 향상시키는데 한계가 있다. 구체적으로 13.56 mHz의 주파수 영역에서 수소 플라즈마 처리를 할 경우, 전자파 차폐 효율은 0 GHz 내지 20 GHz 범위에서 60 dB 이하로 측정된다.
상기 수소 플라즈마 처리는 500℃ 내지 1,000℃의 온도 하에서 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수소 플라즈마 처리의 온도가 500℃ 미만일 때는 상기 수소와 상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유와의 반응이 충분히 일어나지 않을 수 있다. 또한, 상기 수소 플라즈마 처리의 온도가 1,000℃ 초과일 때는 플라즈마 장치 내에 열 손상이 발생할 수 있다.
상기 수소 플라즈마 처리는 500 W 내지 2,000 W의 전력 하에서 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수소 플라즈마의 전력이 500 W 미만일 경우 상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 표면이 균일하게 개질되지 않을 수 있다. 또한, 상기 수소 플라즈마의 전력이 2,000 W 초과일 때, 플라즈마 장치 내의 가둠관에 손상이 발생할 수 있다.
상기 수소 플라즈마 처리는 10-1 Torr 내지 700 Torr의 압력 하에서 수행되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수소 플라즈마 처리는 마이크로 웨이브를 이용한 CVD(chemical vapor deposition)에 의해 수행되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
먼저, 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 준비하였다. 상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 마이크로 웨이브를 이용한 CVD(chemical vapor deposition)내에 위치시킨 후 40 Torr, 수소가스 100 sccm, 750℃, 900 W, 2.45 GHz의 조건에서 3분동안 수소플라즈마를 처리하여 전자파 차폐재(수소플라즈마 처리된 탄소를 포함하는 부직포성 섬유)를 수득하였다.
[비교예 1]
비교예 1로서 수소 플라즈마 처리를 하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 준비하였다.
[비교예 2]
비교예 2로서 탄소를 포함하는 직포성 섬유를 준비하는 것을 제외하고 비교예 1과 동일하게 수소 플라즈마 처리를 하지 않은 전자파 차폐재를 준비하였다.
[비교예 3]
먼저, 탄소를 포함하는 부직포성 섬유 상에 은을 도금시켰다. 상기 은이 도금된 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 마이크로 웨이브를 이용한 CVD(chemical vapor deposition)내에 위치시킨 후 40 Torr, 수소가스 100 sccm, 750℃, 900 W, 2.45 GHz의 조건에서 3분동안 수소플라즈마를 처리하여 수소플라즈마가 처리된 은이 도금된 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 수득하였다.
[비교예 4]
주파수를 2.45 GHz 대신 13.56 mHz 조건에서 수소플라즈마를 처리하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 수소플라즈마가 처리된 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 수득하였다.
[비교예 5]
탄소를 포함하는 직포성 섬유를 준비하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 수소플라즈마가 처리된 탄소를 포함하는 직포성 섬유를 수득하였다.
[평가]
1. 전자파 차폐재의 특성 분석
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 전자파 차폐재의 특성을 관찰하였고 그 결과를 도 2 내지 도 6으로서 나타내었다.
도 2는 본 실시예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 (a)사진, (b)FESEM(field-emission scanning electron microscope) 이미지, (c)확대한 FESEM 이미지이다.
도 3은 본 비교예에 따른 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 (a)사진, (b)FESEM(field-emission scanning electron microscope) 이미지, (c)확대한 FESEM 이미지이다.
도 4는 본 실시예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy) 그래프이고, 삽도는 FESEM(field-emission scanning electron microscope) 이미지이다.
도 2 내지 도 4에 나타난 결과에 따르면, 도 3의 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 경우 무작위로 탄소 섬유가 얽혀있는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 많은 교차점을 나타내고 있다. 또한, 비교예 1의 직경은 7.5 μm이다. 도 3에 나타나는 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 표면은 깨끗해 보이는 반면, 도 2의 수소 플라즈마 처리된 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 경우 표면에 다른 물질이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 대해 EDS로 분석한 결과 실시예 1의 전자파 차폐재의 표면 상에는 탄소가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1의 전자파 차폐재의 탄소 섬유의 직경은 7.4 μm 이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 단면 FESEM(field-emission scanning electron microscope) 이미지이다.
구체적으로, 도 5의 (a)는 비교예로서 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 단면이고, 도 5의 (b)는 실시예1의 전자파 차폐재의 단면이다.
도 5에 나타난 결과에 따르면, 실시예 1과 비교예 1을 비교하면, 탄소 섬유의 부피당 탄소 섬유의 밀도는 비슷한 것으로 관찰된다. 즉, 수소 플라즈마를 처리하여도 탄소 섬유의 부피당 탄소 섬유의 밀도에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 전기적 특성을 측정하였고, 이를 하기 표 1로서 나타내었다.
Samples Sheet Resistance
Rs(Ω/)		 Sample Dimension
(πr2)(cm2)		 Sample Thickness t (mm) Volume Resistivity
ρ (Ωcm)		 Electrical Conductivity
σ(S/m)= 1000/(t×Rs)
실시예 1 ~0.267 ~1.13 ~1.24 ~3.31 ~3.02×103
비교예 1 ~0.377 ~1.13 ~1.26 ~4.75 ~2.11×103
표 1에 나타난 결과에 따르면, 실시예 1의 전자파 차폐재가 비교예 1의 탄소를 포함하는 부직포성 섬유보다 전기전도도가 높은 것을 확인할 수 있다. 이에 대하여 XRD를 측정하여 확인하였다.
도 6은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이다.
도 6에 나타난 결과에 따르면, 그래피틱(graphitic) (002) 및 (100)/(101) 피크가 각각 24.0˚ 및 43.0˚ 에서 나타나는 것을 확인할 수 있다.
특히, 실시예 1의 전자파 차폐재의 피크가 비교예 1의 탄소를 포함하는 부직포성 섬유보다 뚜렷하고 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
즉, 수소 플라즈마 처리를 통해 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 표면이 well-developed typical graphitic (002)로 되면서 전기 전도도가 상승한 것으로 볼 수 있다.
2. 전자파 차폐재 효율 분석
상기 실시예 1 및 비교예 2 내지 5에서 제조한 전자파 차폐재의 전자파 차폐 효율 특성을 확인하였고 그 결과를 도 7 내지 도 14로서 나타내었다.
도 7은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7에 나타난 결과에 따르면, 실시예 1의 전자파 차폐재가 비교예 1의 탄소를 포함하는 부직포성 섬유보다 전체적인 주파수 범위에서 전자파 차폐 효율이 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 표 1에서 확인 한 바와 같이, 높은 전기 전도도로 인해 전자파 차폐 효율이 상승된 것으로 볼 수 있다. 특히, 실시예 1의 전자파 차폐재는 0.04 GHz 내지 20.0 GHz의 범위에서 45 dB로 측정되었으며, 이는 전자파 장애 효율(electromagnetic interference, EMI)가 99.99%라는 것을 의미한다.
도 13은 본 실시예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 13은 20 GHz 내지 40 GHz의 범위에서의 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 13에 나타난 결과에 따르면, 실시예 1의 전자파 차폐재는 20 GHz 내지 40 Hz의 범위에서 55 dB 내지 90 dB의 전자파 차폐 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 8a는 본 실시예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 흡수 및 외부반사 효율을 나타낸 그래프이고, 도 8b는 본 비교예의 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 흡수 및 외부반사 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8에 나타난 결과에 따르면, 실시예 1 및 비교예 1 모두 외부반사 보다 흡수에 의한 효율이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 하지만 실시예 1의 전자파 차폐재가 외부반사 대비 흡수 효율의 비율이 비교예 1 보다 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. 특히 주파수가 높은 영역에서도 이와 같은 결과를 확인할 수 있다. 일반적으로 전자파의 주파수가 증가할수록 외부반사에 의한 효율을 감소하는 반면 흡수에 의한 효율이 증가하게 되어 이동통신이 5G로 발전함에 따라 전자파를 흡수하는 물질이 절대적으로 필요한 상황이다. 이러한 상황에서 고주파 범위에서도 효과적으로 전자파를 흡수하는 본 실시예에 따라 제조된 전자파 차폐재는 앞으로의 5G 시대에 다양한 전자 기기에 응용될 수 있을 것이다.
도 9는 본 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 흡수 및 외부반사 효율을 나타낸 그래프이다.
구체적으로 도 9는 비교예 1 및 2, 도 10은 비교예 2의 탄소를 포함하는 직포성 섬유의 전자파 차폐 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9에 나타난 결과에 따르면, 비교예 2에 비해 비교예 1의 전자파 차폐효율이 현저히 높게 나온 것을 확인할 수 있다. 탄소를 포함하는 직포성 섬유의 경우, 탄소 섬유가 일정 방향으로 나란히 있는 반면, 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 경우 불규칙하게 쌓이면서 많은 교차점이 발생하게 된다. 이에 따라 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 경우 방향에 상관 없이 전기 전도도가 높은 반면, 탄소를 포함하는 직포성 섬유의 경우 일정 방향에서만 전기 전도도가 높게 측정된다. 이러한 차이로 인해 전자파 차폐 효율의 차이가 나타나는 것으로 볼 수 있다.
또한, 도 10에 나타난 결과에 따르면 비교예 2의 탄소를 포함하는 직포성 섬유의 차폐 효율은 외부반사에 비해 흡수 효율이 높은 것으로 나오나 외부반사 대비 흡수 효율의 비율이 높지 않은 것으로 나타났다.
도 14는 본 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
구체적으로 도 14는 비교예 2 및 5의 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 14에 나타난 결과에 따르면, 탄소를 포함하는 직포성 섬유 또한 수소 플라즈마 처리하였을 때, 전자파 차폐의 효율이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 직포성 섬유의 경우, 수소플라즈마 처리를 했을 때에도 20 dB보다 낮은 전자파 차폐 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 11은 실시예 1 및 비교예 3의 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 것이다.
도 11에 나타난 결과에 따르면, 5GHz 내지 20 GHz의 범위에서 실시예 1의 전자파 차폐재의 효율이 더욱 높은 것으로 나타났다.
일반적으로 전기 전도도가 높은 물질의 전자파 차폐 효율이 높은 것으로 알려져 있다. 이에 따라 가볍고 성형성이 좋은 탄소소재에 전기 전도도가 높은 금속을 혼합한 전자파 차폐재에 대한 연구가 진행되고 있다. 도 11에 나타난 결과는 이와 상반된 결과로 나타난다. 이는 수소 플라즈마 처리를 하는 과정에서 금속(은, Ag)과 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 탄소가 서로 방해(block)하기 때문에 이러한 결과로 나타날 수 있다.
도 12는 비교예에 따라 제조된 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
구체적으로 도 12는 비교예 1 및 4의 전자파 차폐재의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 12에 나타난 결과에 따르면, 수소 플라즈마를 처리할 때 13.56 mHz의 낮은 파워로 처리를 할 경우, 수소 플라즈마 처리를 하지 않은 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 전자파 차폐 효율보다 더 낮게 측정되는 것을 확인할 수 있다. 이는 수소 플라즈마의 주파수가 낮은 조건에서는 상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 표면이 충분히 개질되지 않아 결과적으로 전자파 차폐 효율이 낮게 측정되는 것 일 수 있다. 구체적으로, 13.56 mHz는 라디오 주파수 영역으로, 13.56 mHz 영역에서 플라즈마를 발생하는 경우 주로 이온이 발생하게 된다. 반면, 2.45 GHz는 마이크로웨이브 영역으로, 2.45 GHz 영역에서 플라즈마를 발생하는 경우 주로 라디칼이 생성되어 반응이 더욱 빠르고 활발하게 진행된다. 즉, 수소 플라즈마를 처리할 때에는 1 GHz 내지 3 GHz의 범위 주파수 영역에서 수행하는 것이 바람직하다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 탄소를 포함하는 부직포성 섬유;를 포함하고,
    상기 부직포성 섬유는 수소 플라즈마 처리된 것이며,
    30 GHz 내지 40 GHz의 범위에서 60dB 내지 90dB의 전자파 차폐 효율을 가지며,
    상기 수소 플라즈마 처리는 1GHz 내지 3GHz의 범위 주파수 영역에서 이루어지고,
    상기 수소 플라즈마 처리를 통해 상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 표면이 개질되며, 상기 개질은 상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 표면 상에 탄소가 더 형성되는, 전자파 차폐재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 탄소를 포함하는 부직포성 섬유를 준비하는 단계; 및
    상기 부직포성 섬유 상에 수소 플라즈마를 처리하는 단계;를 포함하며,
    상기 수소 플라즈마 처리는 1 GHz 내지 3 GHz의 범위 주파수 영역에서 이루어지고,
    상기 수소 플라즈마 처리를 통해 상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 표면이 개질되며, 상기 개질은 상기 탄소를 포함하는 부직포성 섬유의 표면 상에 탄소가 더 형성되는 전자파 차폐재의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수소 플라즈마 처리는 1분 내지 10분 동안 이루어지는 것인, 전자파 차폐재의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 수소 플라즈마 처리는 500℃ 내지 1,000℃의 온도 하에서 이루어지는 것인, 전자파 차폐재의 제조 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 수소 플라즈마 처리는 500 W 내지 2,000 W의 전력 하에서 이루어지는 것인, 전자파 차폐재의 제조 방법.
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