KR20190023112A - 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함하는 카본페이퍼 - Google Patents

탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함하는 카본페이퍼 Download PDF

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KR20190023112A
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Abstract

본 발명은 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함하는 카본페이퍼에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재가 형성되어 광대역의, 향상된 전자파 흡수 성능을 지니는 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재 카본페이퍼에 관한 것이다. 본 발명인 카본페이퍼에 따르면 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재로 인하여 저주파수에서부터 고주파수에 이르는 광대역의 전자파 흡수 성능을 제공하는 효과 및 향상된 전자파 흡수 성능을 제공하는 효과가 있다.

Description

탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함하는 카본페이퍼{Carbon Paper Having Hybrid Materials of Carbon Microcoils-Carbon Nanocoils}
본 발명은 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함하는 카본페이퍼에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 탄소나노코일-탄소마이크로코일 하이브리드 소재로 형성되어, 광대역의, 향상된 전자파 흡수 성능을 지니는 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재 카본페이퍼에 관한 것이다.
통신 기술의 발달, 이동 물체의 전파 유도 기술의 고도화 등, 전자공학 및 통신공학의 급격한 발달로 인하여 전자파의 주파수는 점차로 높아진 반면, 전자 장비간의 설치 간격은 점차로 좁혀졌다. 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
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소나노코일-탄소마이크로코일 하이브리드 소재로 형성되어 광대역의, 향상된 전자파 흡수 성능을 지니는 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재 카본페이퍼를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 카본 페이퍼는 탄소마이크로코일 및 탄소나노코일로 이루어지는 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함하며, 전자파 흡수 성능을 지닌다.
상기 탄소마이크로코일의 직경은 1 μm 이상 3 μm 이하일 수 있다.
상기 전자파 흡수 성능은, 10 GHz 이상 26 GHz 이하의 전자파 흡수 성능일 수 있다.
카본 페이퍼의 두께는 0.5 mm 이상 3 mm 이하일 수 있다.
카본 페이퍼는 유연성을 가질 수 있다.
본 발명인 카본페이퍼에 따르면 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재로 인하여 저주파수에서부터 고주파수에 이르는 광대역의, 향상된 전자파 흡수 성능을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 비교예 10, 12 및 14 에 따른 소재의 FESEM 이미지이다.
도 2는 비교예 10에 따른 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 탄소마이크로코일 소재의 FESEM 이미지를 나타낸다.
도 4는 탄소나노코일 소재의 FESEM 이미지를 나타낸다.
도 5는 실시예 4 및 5, 비교예 2 및 9에 따른 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 카본페이퍼의 작용을 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명의 비교예 10, 12 및 14에 따른 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 비교예 11에 따른 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 비교예 2 내지 8에 따른 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 카본페이퍼의 유연성을 나타낸 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1에 따른 카본페이퍼를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 2, 11 및 13에 따른 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 비교한 그래프이다.
도 13은 실시예 1 및 비교예 2에 따른 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 비교한 그래프이다
도 14는 실시예 1 및 비교예 15에 따른 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명에 대해서 본 발명에 따른 실시예 및 도면을 참조하여 더욱 상술한다.
본 발명인 카본 페이퍼는 탄소마이크로코일 및 탄소나노코일로 이루어지는 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함하며, 전자파 흡수 성능을 지닌다.
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 pat00001
Figure pat00002
Figure 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.
탄소 소재 중에서도 탄소나노코일은 스프링과 같이 나선 형태의 구조를 가지고 있으며, 탄소마이크로코일은 DNA와 같이 이중 나선 형태를 가진 구조이다. 나선 형태의 기하 구조는 전류를 유도하여 자력을 발생시킬 수 있고, 유도된 자력이 전자를 잡아 전자파를 흡수하게 된다.
도 1 (a), (b) 및 (c)는 각각 비교예 12, 비교예 10 및 비교예 14 소재의 FESEM 이미지를 나타낸다. 상기 이미지로부터 탄소 소재들이 상호간에 혼합되어 있기보다는 각각 분리되어 자기들끼리 뭉쳐있는 형태로 나타난다는 것을 확인할 수 있다. 탄소 소재들을 하이브리드화 시키지 않고 단순히 혼합하여 소재를 형성하게 되면, 혼합한 소재들이 상호간에 잘 섞이지 않고 부분적으로 격리되어 전자파 차폐 효율의 안정성을 저해하는 문제가 발생한다. 또한, 도 2는 75 GHz 이상의 고주파 영역에서 탄소마이크로코일로만 이루어진 비교예 10의 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율이 측정 주파수에 따라 편차가 커 불균일하다는 것을 나타낸다.
상기 불안정성 및 불균일성을 극복할 수 있는 한 방법은 탄소 소재의 직경을 조절하는 것이다. 상기 탄소마이크로코일은 균일한 형태로 분포되며 직경이 1 μm 이상 3 μm 이하일 수 있다. 상기 균일성에 의하여 특정 주파수에 따른 차폐 효과의 편차를 줄일 수 있다. 도 3 (a)는 일반적인 탄소마이크로코일의 FESEM을 나타내며, 도 3 (b)는 직경이 균일하게 조절된 탄소마이크로코일의 FESEM 이미지를 나타낸다. 도 3 (b)로부터 직경이 균일하게 조절된 탄소마이크로코일의 직경이 1 μm 이상 3 μm 이하임을 확인할 수 있다. 도 4 (a) 내지 (c)는 각각 소러 다른 스케일에서의 탄소나노코일의 FESEM 이미지를 나타낸다.
상기 문제들을 극복할 수 있는 다른 방법은 탄소 소재들을 하이브리드화 하는 것이다. 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드화는 탄소마이크로코일만의 경우보다 우수한 전자파 차폐 효율을 보인다. 이로 인하여 저주파 영역에서의 전자파 차폐도 달성할 수 있다. 도 5는 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재의 카본페이퍼가 탄소마이크로코일만으로 이루어진 소재보다 전자파 차폐 효율이 높음을 보여준다.
하이브리드화를 이루게 되면 전자 전도 채널링이 형성되어 전기전도도가 향상된다. 도 6 (a)는 하이브리드화 되기 전의 탄소마이크로코일을 나타내는 그림이며, 도 6 (b)는 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드화 이후를 나타내는 그림이다. 도 6 (b)의 붉은 선은 이러한 전자 전도 채널링을 나타낸다. 따라서, 하이브리드화로 인하여 저주파 영역에서도 안정적이면서 일정한 전자파 차폐 향상 효과를 재현성 있게 얻을 수 있다.
상기 전자파 흡수 성능은, 10 GHz 이상 26 GHz 이하의 전자파 흡수 성능일 수 있다. 도 7에서 보듯이, 순수한 탄소 단일 소재로만 이루어진 카본페이퍼보다 다양한 탄소 소재의 혼합으로 이루어진 카본페이퍼의 경우에서 광대역의 전자파를 차폐함을 나타낸다. 따라서 이를 통하여 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재의 카본페이퍼 또한 광대역의 전자파를 차폐함을 유추할 수 있다.
카본 페이퍼의 두께는 0.5 mm 이상 3 mm 이하일 수 있다. 도 9는 단일 탄소마이크로코일 소재로만 이루어진 카본페이퍼의 두께가 증가함에 따라 전자파 차폐 효율이 증가함을 나타내는데, 이를 상기 수학식 1로 유추해보면, 두께 t에 관한 함수는 전자파 흡수 메커니즘에서 나온 식뿐이므로, 단일 탄소마이크로코일 소재로만 이루어진 카본페이퍼는 전자파 흡수 메커니즘을 나타내고, 고주파 영역에서 우수한 전자파 차폐 효과를 거둠을 알 수 있다. 이를 통하여 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재의 카본페이퍼 또한 전자파 흡수 메커니즘을 나타내고, 고주파 영역에서 우수한 전자파 차폐 효과를 거둠을 유추할 수 있다.
카본 페이퍼는 유연성을 가질 수 있다. 도 10에 나타난 바와 같이, 본 발명의 카본 페이퍼는 금속 소재에서 구현할 수 없는 유연성을 지니고 있다. 상기 유연성은 탄소 소재를 유연성을 띠는 고분자 수지와 초음파 분산법으로 혼합시켜 달성할 수 있다. 상기 유연성을 띠는 고분자 수지로는 폴리아미드계, 폴리에스터계, 폴리우레탄계, 폴리에틸렌계, 폴리염화비닐계, 폴리염화비닐리덴계 폴리플루오르에틸렌계, 폴리비닐알코올계, 폴리아크릴로니트릴계 및 폴리프로필렌계 섬유 등의 합성수지와 셀룰로오스계, 단백질계 및 광물질계 섬유 등의 천연수지를 들 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
{실시예}
증발기는 진공 열 증발기(thermal evaporator)를 사용, 화학기상장치는 플라즈마 화학기상장치(RF-PECVD) 를 사용, 증착 장치는 열화학기상 증착 장치(TCVD)를 사용하였으며, 촉매는 Ni(99.7%)를 사용, 탄소코일 원료가스는 C2H2를 사용, 첨가가스로 SF6을 사용하였다.
1. 실시예 1
증발기를 사용하여 세라믹 기판 상에 촉매층을 형성하는 단계, 형성된 촉매층을 화학기상장치를 사용하여 수소 플라즈마 처리하는 단계, 원료가스 및 첨가가스를 주입한 후 증착 장치를 사용하여 탄소마이크로코일 기반 하이브리드 소재를 합성하는 단계, 상기 하이브리드 소재를 합성하는 단계 진행 중 증착 장치에서 +/- 바이어스 전압을 인가하여 하이브리드화하는 단계를 통하여 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 얻었다. 제조 과정의 전체적인 온도는 850℃로 설정하였다. 상기 소재를 78 중량%의 폴리우레탄 수지와 초음파 분산법으로 혼합시켜 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함한 두께 2.0 mm의 카본페이퍼를 제조하였다. 도 11에서 상기 제조 과정을 간략히 나타내었다.
2. 실시예 2
제조 과정의 전체적인 온도를 750℃로 설정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
3. 실시예 3
제조 과정의 전체적인 온도를 650℃로 설정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
4. 실시예 4
폴리우레탄 수지의 중량%가 88 중량%인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
5. 실시예 5
폴리우레탄 수지의 중량%가 94 중량%인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
6. 비교예 1
증발기를 사용하여 세라믹 기판 상에 촉매층을 형성하는 단계, 형성된 촉매층을 화학기상장치를 사용하여 수소 플라즈마 처리하는 단계, 원료가스 및 첨가가스를 주입한 후 증착 장치를 사용하여 탄소나노코일을 형성하는 단계를 통하여 탄소나노코일 소재를 얻었다. 제조 과정의 전체적인 온도는 850℃로 설정하였다. 상기 소재를 78 중량%의 폴리우레탄 수지와 초음파 분산법으로 혼합시켜 탄소나노코일 소재를 포함한 두께 2.0 mm의 카본페이퍼를 제조하였다.
7. 비교예 2
증발기를 사용하여 세라믹 기판 상에 촉매층을 형성하는 단계, 형성된 촉매층을 화학기상장치를 사용하여 수소 플라즈마 처리하는 단계, 원료가스 및 첨가가스를 주입한 후 증착 장치를 사용하여 탄소마이크로코일을 형성하는 단계를 통하여 탄소마이크로코일 소재를 얻었다. 제조 과정의 전체적인 온도는 850℃로 설정하였다. 상기 소재를 88 중량%의 폴리우레탄 수지와 초음파 분산법으로 혼합시켜 탄소마이크로코일 소재를 포함한 두께 2.0 mm의 카본페이퍼를 제조하였다.
8. 비교예 3
두께가 1.8 mm인 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 탄소마이크로코일 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
9. 비교예 4
두께가 1.6 mm인 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 탄소마이크로코일 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
10. 비교예 5
두께가 1.4 mm인 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 탄소마이크로코일 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
11. 비교예 6
두께가 1.2 mm인 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 탄소마이크로코일 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
12. 비교예 7
두께가 1.0 mm인 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 탄소마이크로코일 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
13. 비교예 8
두께가 0.8 mm인 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 탄소마이크로코일 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
14. 비교예 9
폴리우레탄 수지의 중량%가 94 중량%인 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 탄소마이크로코일 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
15. 비교예 10
탄소마이크로코일 소재를 35.2 중량%의 폴리우레탄 수지 및 58.8 중량%의 DMF(dimethyl formaldehyde)와 초음파 분산법으로 혼합시킨 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 탄소마이크로코일 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
16. 비교예 11
증발기를 사용하여 세라믹 기판 상에 촉매층을 형성하는 단계, 형성된 촉매층을 화학기상장치를 사용하여 수소 플라즈마 처리하는 단계, 원료가스 및 첨가가스를 주입한 후 증착 장치를 사용하여 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 통하여 탄소나노튜브 소재를 얻었다. 제조 과정의 전체적인 온도는 850℃로 설정하였다. 상기 소재를 88 중량%의 폴리우레탄 수지와 초음파 분산법으로 혼합시켜 탄소나노튜브 소재를 포함한 두께 2.0 mm의 카본페이퍼를 제조하였다.
17. 비교예 12
탄소나노튜브 소재를 35.2 중량%의 폴리우레탄 수지 및 58.8 중량%의 DMF(dimethyl formaldehyde)와 초음파 분산법으로 혼합시킨 것을 제외하고는, 비교예 11과 동일한 방법으로 탄소나노튜브 소재를 포함한 카본페이퍼를 제조하였다.
18. 비교예 13
증발기를 사용하여 세라믹 기판 상에 촉매층을 형성하는 단계, 형성된 촉매층을 화학기상장치를 사용하여 수소 플라즈마 처리하는 단계, 원료가스 및 첨가가스를 주입한 후 증착 장치를 사용하여 탄소나노코일과 탄소나노튜브를 혼합하는 단계를 통하여 탄소나노코일, 탄소나노튜브 혼합 소재를 얻었다. 제조 과정의 전체적인 온도는 850℃로 설정하였다. 상기 소재를 78 중량%의 폴리우레탄 수지와 초음파 분산법으로 혼합시켜 탄소나노코일, 탄소나노튜브 혼합 소재를 포함한 두께 2.0 mm의 카본페이퍼를 제조하였다.
19. 비교예 14
증발기를 사용하여 세라믹 기판 상에 촉매층을 형성하는 단계, 형성된 촉매층을 화학기상장치를 사용하여 수소 플라즈마 처리하는 단계, 원료가스 및 첨가가스를 주입한 후 증착 장치를 사용하여 탄소마이크로코일과 탄소나노튜브를 혼합하는 단계를 통하여 탄소마이크로코일, 탄소나노튜브 혼합 소재를 얻었다. 제조 과정의 전체적인 온도는 850℃로 설정하였다. 상기 소재를 35.2 중량%의 폴리우레탄 수지 및 58.8 중량%의 DMF(dimethyl formaldehyde)와 초음파 분산법으로 혼합시켜 탄소마이크로코일, 탄소나노튜브 혼합 소재를 포함한 두께 2.0 mm의 카본페이퍼를 제조하였다.
20. 비교예 15
잔자파 차폐 소재로 널리 사용되는 알루미늄 포일을 준비하였다.
상기 실시예 1 내지 5, 비교예 1 내지 15의 조건은 하기의 표에 나타내었다.
CMC는 탄소마이크로코일, CNC는 탄소나노코일, CNT는 탄소나노뉴브, Al은 알루미늄을 나타낸다. CMC-CNC는 CMC와 CNC가 하이브리드화 되었음을 타나내며, CNC, CNT 및 CMC, CNT는 각각 CNC와 CNT, CMC와 CNT가 혼합되었음을 나타낸다.
조성 제조 온도(℃) 두께 (mm) PU (중량%) DMF (중량%)
실시예 1 CMC-CNC 850 2.0 78 0
실시예 2 CMC-CNC 750 2.0 78 0
실시예 3 CMC-CNC 650 2.0 78 0
실시예 4 CMC-CNC 850 2.0 88 0
실시예 5 CMC-CNC 850 2.0 94 0
비교예 1 CNC 850 2.0 78 0
비교예 2 CMC 850 2.0 88 0
비교예 3 CMC 850 1.8 88 0
비교예 4 CMC 850 1.6 88 0
비교예 5 CMC 850 1.4 88 0
비교예 6 CMC 850 1.2 88 0
비교예 7 CMC 850 1.0 88 0
비교예 8 CMC 850 0.8 88 0
비교예 9 CMC 850 2.0 94 0
비교예 10 CMC 850 2.0 35.2 58.8
비교예 11 CNT 850 2.0 88 0
비교예 12 CNT 850 2.0 35.2 58.8
비교예 13 CNC, CNT 850 2.0 78 0
비교예 14 CMC, CNT 850 2.0 35.2 58.8
비교예 15 Al - - - -
{평가}
소재의 형태는 전계방출형주사전자현미경(FESEM)을 사용, 전기전도도는 Four point probe를 사용, 전자파 차폐 효율은 ASTM D4935-99를 사용하여 측정하였다.
1. 탄소나노튜브 소재 vs. 탄소마이크로코일 소재 전자파 차폐 효율 분석
도 8 및 도 9는 각각 전자파 차폐 메커니즘 중에서 반사 메커니즘을 진행시키는 물질인 탄소나노튜브로만 이루어진 비교예 11의 카본페이퍼와 전자파 차폐 메커니즘 중에서 흡수 메커니즘을 진행시키는 물질인 탄소마이크로코일로만 이루어진 비교예 2 내지 8의 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 비교한 결과를 나타낸다.
0.5 GHz에서 6.0 GHz까지는 비교예 11의 카본페이퍼의 경우, 0 dB에서 8.0 dB로 점점 증가하는 반사 손실(Reflection loss, 전자파 차폐 효율과 동일한 개념) 결과를 보여주고 있으나, 비교예 2 내지 8의 카본페이퍼의 경우, 유의미한 결과를 보여주지 못하고 있다. 하지만, 6.0 GHz 이상의 주파수에서는 비교예 11의 카본페이퍼의 경우, 고주파로 진행될수록 반사 손실이 감소되어 15.0 GHz 근처에서는 거의 2.0 dB정도로 줄어든 반면, 비교예 2 내지 8의 카본페이퍼의 경우, 고주파로 진행될수록 반사 손실이 증가되어 10.0 GHz이상의 고주파 구간에서는 20 dB 이상의 측정치를 갖는 것을 확인할 수 있다.
2. 카본페이퍼의 두께에 따른 전자파 차폐 효율 분석
한편, 탄소마이크로코일로만 이루어진 비교예 2 내지 8의 카본페이퍼의 경우, 두께에 따라서도 반사 손실을 측정하였는데, 도 9는 카본페이퍼의 두께가 클수록 고주파 영역에서 측정된 반사 손실 값이 증가함을 보여주고 있다. 카본페이퍼의 두께가 증가함에 따라 반사 손실 값이 증가하는 결과를 상기 수학식 1로 유추해보면, 두께 t에 관한 함수는 전자파 흡수 메커니즘에서 나온 식뿐이므로, 비교예 2 내지 8의 카본페이퍼는 전자파 흡수 메커니즘을 나타내고, 탄소나노튜브로만 이루어진 비교예 11의 카본페이퍼보다 고주파 영역에서 훨씬 우수한 전자파 차폐 효과를 거두고 있음을 보이는 평가 1의 분석 결과를 다시금 확인시켜 준다.
3. 알루미늄 포일 vs. 카본페이퍼 전자파 차폐 효율 분석
도 14에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율은 3.0 GHz 미만의 주파수에서는 비교예 15의 알루미늄 포일보다 낮다. 하지만, 3.0 GHz이상의 측정 주파수에서는 카본페이퍼의 차폐 효율은 떨어지지 않는 반면, 알루미늄 포일의 경우는 효율이 급격히 저하되는 것을 알 수 있다. 이로부터 10 GHz이상의 고주파수에서는 전자파 흡수 메커니즘이 우수한 카본페이퍼가 전자파 차폐 소재로서 매우 적합할 것임을 확인시켜주고 있다.
4. 단일 소재 vs. 혼합 소재 전자파 차폐 효율 분석
도 7에서 보듯이, 2.5 GHz 미만의 저주파 영역에서 탄소마이크로코일로만 이루어진 비교예 10의 카본페이퍼보다 탄소마이크로코일을 탄소나노튜브와 혼합한 비교예 14의 카본페이퍼가 전자파 차폐 효율이 더욱 우수하고, 2.5 GHz 이상의 고주파로 갈수록 탄소나노튜브로만 이루어진 비교예 12의 카본페이퍼보다 탄소마이크로코일을 탄소나노튜브와 혼합한 비교예 14의 카본페이퍼가 전자파 차폐 효율이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있다.
이 결과들은 순수한 탄소 단일 소재로만 이루어진 카본페이퍼보다 다양한 탄소 소재의 혼합으로 이루어진 카본페이퍼의 경우에서 광대역의 전자파를 차폐함을 나타낸다.
5. 단일 소재 vs. 하이브리드 소재 전자파 차폐 효율 분석
도 5에서, 붉은색 선은 실시예 4 및 실시예 5의 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 나타내며, 선이며, 검은색 선은 비교예 2 및 비교예 9의 카본페이퍼의 전자파 차폐 효율을 나타낸다. 도 5로부터 폴리우레탄의 중량%에 관계 없이 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재의 카본페이퍼가 탄소마이크로코일만으로 이루어진 소재보다 전체 측정 구간(1.25~4.0GHz)에 걸쳐 전자파 차폐 효율이 높음을 알 수 있다.
6. 단일 소재 vs. 혼합 또는 하이브리드 소재 전자파 차폐 효율 분석
도 12에서 보듯이, 탄소나노코일로만 이루어진 비교예 1의 카본페이퍼는 탄소마이크로코일로만 이루어진 비교예 2의 카본페이퍼에 비하여 부피 저항도(volume resistivity)가 좋지 못하다. 그러나, 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함하는 실시예 1의 카본페이퍼는 비교예 2의 카본페이퍼에 비하여 부피 저항도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉, 전기전도도가 향상되어 전자파 차폐 효율이 증가함을 확인할 수 있다. 탄소나노코일을 탄소나노튜브와 혼합한 비교예 13의 카본페이퍼 역시 탄소나노튜브로만 이루어진 비교예 11의 카본페이퍼에 비해 전자파 차폐 효율이 증가함을 확인할 수 있다.
이 결과들은 순수한 탄소 단일 소재로만 이루어진 카본페이퍼보다 다양한 탄소 소재의 혼합 또는 하이브리드화로 이루어진 카본페이퍼의 경우에서 전자파 차폐 효율이 향상됨을 나타낸다.
7. 측정 온도에 따른 전자파 차폐 효율 분석
도 13에 나타난 바와 같이, 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재를 포함하는 실시예 1의 카본페이퍼의 전기전도도 즉, 전자파 차폐 효율이 탄소마이크로코일만으로 이루어진 소재를 포함하는 비교예 2의 카본페이퍼보다 우수한 것을 볼 수 있다. 이는 전술한 전자 전도 채널링 형성으로부터 기인한 것이다. 또한, 도 13으로부터 온도 증가에 따라 전기전도도가 향상되는 것을 볼 수 있어, 실시예 1 및 비교예 2의 소재는 반도체적인 특성이 있는 것을 알 수 있다.
본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (5)

  1. 탄소마이크로코일; 및
    탄소나노코일;
    로 이루어지는 탄소마이크로코일-탄소나노코일 하이브리드 소재;를 포함하며, 전자파 흡수 성능을 지닌 것을 특징으로 하는 카본페이퍼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소마이크로코일의 직경은 1 μm 이상 3 μm 이하인 것을 특징으로 하는 카본페이퍼.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 흡수 성능은, 10 GHz 이상 26 GHz 이하의 전자파 흡수 성능인 것을 특징으로 하는 카본페이퍼.
  4. 제1항에 있어서,
    두께가 0.5 mm 이상 3 mm 이하인 것을 특징으로 하는 카본페이퍼.
  5. 제1항에 있어서,
    유연성을 가지는 것을 특징으로 하는 카본페이퍼.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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