KR100370069B1 - 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 이용한 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법, 및 상기 방법으로 제조된 전자파 차폐 및 흡수재 - Google Patents

탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 이용한 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법, 및 상기 방법으로 제조된 전자파 차폐 및 흡수재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 전자파 차폐 및 흡수재에 관한 것이다. 상기 제조방법은 플라스틱 또는 폴리머로 이루어진 액체 상태의 매트릭스를 준비하는 단계; 상기 매트릭스에 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 첨가하는 단계; 및 이렇게 제조된 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버와 매트릭스의 복합체를 냉각시키는 단계로 구성된다. 본 발명의 전자파 차폐 및 흡수재는 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 이용하므로 중량이 가볍고 가격이 저렴하다는 장점을 가진다.

Description

탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 이용한 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법, 및 상기 방법으로 제조된 전자파 차폐 및 흡수재{METHOD FOR FABRICATING ELECTROMAGNETIC WAVE COMPATIBILITY MATERIALS USING CARBON NANOTUBE OR CARBON NANOFIBER, AND MATERIALS THEREBY}
본 발명은 전자기기의 오동작을 초래하는 전자파를 차폐하는 전자파 차폐 및 흡수재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최근 관심이 되고 있는 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 이용한 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 전자파 차폐 및 흡수재에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 최근 작은 크기로 인하여 각광을 받고 있다. 상기 탄소나노튜브의 합성방법은 전기방전법, 레이저 증착법, 열분해증착법, 열화학기상증착법, 플라즈마화학기상증착법 등이 있다. 또한, 촉매로 사용되는 전이금속의 유무 및 종류에 따라 탄소나노튜브의 구조가 다양해질 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 지름이 수나노미터이고 도체 또는 반도체로 조작이 가능하며 강철의 10배 정도되는 강도를 갖는다. 또한, 상기 튜브는 속이 비고 가늘다는 구조적 특성으로 인해 활용가능성이 무한하다. 도 1a와 1b를 참고하여 설명하면, 구모양의 입자들(1)이 접촉하기 위해 차지하는 부피가 약 74부피% 정도(도 1a)인데 반하여, 튜브모양의 입자들(5)은 입경에 대한 길이의 비가 크므로 수분의 일 내지 수부피%로도 3차원적인 연결, 즉 그물망 구조가 가능하다.
최근 인체에 대한 유해성으로 인하여 전자파에 대한 규제가 강화되고 있다. 전자파는 전기장과 자기장이 결합된 에너지파로서, 200MHz 이상에서의 전자파는 전기장의 역할이 지배적이므로 전기장의 차폐를 통해 전자파가 차단될 수 있지만, 200MHz 이하의 전자파에서는 전기장과 자기장이 함께 차폐되어야 한다.
전자파를 차폐하는 전자파 차폐 및 흡수재는 일반적으로 구성 물질의 도전성, 즉 이동가능 전하의 보유정도에 따라 전자파를 투과, 반사, 또는 흡수함으로써 차폐할 수 있다. 전자파 차폐 및 흡수재가 이동전하를 갖지 않는 경우, 전자파는 상기 차폐재를 투과하게 되고, 이동전하는 있으나 저항이 작아 주울 열로 에너지가 소모되지 않는 경우에는 반사되며, 이동시 저항이 적당히 큰 경우는 전자파를 흡수한다.
현재 사용되는 전자파 차폐 및 흡수재는 금속을 이용하는 것으로, 금속을 이용한 전자파 차폐 및 흡수재는 다음과 같은 방법으로 제조되어 전자파를 반사 또는 산란 차폐한다.
첫 번째, 금속입자 즉, 동 또는 은을 전자파를 차폐하기 위한 대상, 예를들면 휴대폰 내면에 도포하는 방법이다. 두 번째, 플라스틱 또는 폴리머와 같은 매트릭스에 금속섬유를 분산시켜 사용하는 방법으로, 상기 금속섬유들이 그물망 구조를 이루어 전자파를 차폐하는 방법이다. 세 번째, 금속박막 또는 금속후막에 의한 차폐법이 있다.
상기 금속섬유를 이용한 전자파 차폐 및 흡수재는 다음의 문제점을 갖는다.
첫째, 상기 차폐재는 전자파를 단순히 반사 또는 산란 차폐한다. 따라서, 상기 차폐재는 인체를 보호할 수는 있지만 반사된 전자파는 다시 기기에 영향을 주어 기기의 오동작과 노이즈를 증가시킨다.
둘째, 매트릭스 내에 금속섬유의 그물망 구조를 얻기 위해 입경이 작고 길이가 긴 금속섬유가 요구되나, 입경이 작은 금속섬유는 제조 비용이 높고 쉽게 부러질 수 있다.
또한 종래 전자파 차폐 및 흡수재는 200MHz 이하의 저주파수 전자파에서 발생되는 자기장을 완전히 차폐할 수 없다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 모든 주파수 범위의 전자파를 흡수하여 차폐하고, 소량으로 그물망 구조의 제조가 용이하고, 자연절약적 및 환경 친화적이며 제조비용이 저렴한 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 이용한 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법과 상기 방법으로 제조된 전자파 차폐 및 흡수재를 제공함에 있다.
도 1a는 일정 공간에서 구형입자의 접촉을 보여주는 개략도이고;
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 일정 공간에서 섬유형태 입자의 그물망 구조을 보여주는 개략도이고;
도 2a, 2b, 및 2c는 본 발명의 전자파 차폐 및 흡수재에서 탄소나노튜브에 다양한 형태로 잔존하는 촉매금속입자를 보여주는 단면도이고;
도 3a는 막구조의 도전체에서 전자파 흡수과정을 보여주는 개략도이고;
도 3b는 본 발명의 그물망 구조의 도전체에서 전자파 흡수과정을 보여주는 개략도이고; 및,
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 또는 화이버와, 매트릭스의 복합체에 페라이트가 적당량 첨가된 것을 보여주는 개략도이고, 도 4b는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 탄소나노튜브의 빈 공간에 금속이 첨가된 나노와이어의 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 간단한 설명*
1: 구형입자
5: 촉매금속이 끼어있거나 금속이 채워진 탄소나노튜브 또는 화이버
7: 페라이트
9: 거푸집으로 사용된 탄소나노튜브
11: 촉매금속
13: 탄소나노튜브
15: 전자기파
17: 금속
20: 매트릭스
30: 막구조의 도전체막
40: 그물망구조의 도전체막
A: 막구조의 도전체막에서의 전하이동경로
B, C: 그물망구조의 도전체막에서의 전하이동경로
본 발명은 플라스틱 또는 폴리머로 이루어진 액체 상태의 매트릭스를 준비하는 단계; 상기 매트릭스에 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 첨가하는 단계; 및 이렇게 제조된 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버와 매트릭스의 복합체를 냉각시키는 단계로 구성된 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법과 상기 방법으로 제조된 전자파 차폐 및 흡수재에 관한 것이다.
상기 매트릭스와 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버의 혼합비는 전자파 차폐 및 흡수재의 전기전도도가 약 100S/㎝가 되도록 조절된다.
또한, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버는 상기 튜브나 화이버의 성장에 사용된 촉매가 존재하는 상태로 사용될 수 있다.
상기 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법은 바람직하게 페라이트를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 액상법 또는 기상법을 이용하여 내부에 금속이 첨가된 나노와이어(nanowire)의 형태로 사용될 수 있다.
본 발명의 전자파 차폐 및 흡수재는 매트릭스 내에서 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버가 그물망 구조를 이루게 된다. 이때, 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버는 입경에 대한 길이비가 크므로 퍼컬레이션 이론(percolation theory)에 따르면 수분의 일 내지 수 부피%로도 그물망 구조를 이룰 수 있다.
이때, 완전한 그물망 구조에서 살펴볼 점은 상기 튜브 또는 화이버간의 접촉 저항이다. 즉, 접촉 저항이 높으면 도전체로 사용할 수 없다. 그러나, 카본나노튜브 자체의 저항 뿐 아니라 상기 튜브간의 접촉면에서의 저항측면에서도 상기 그물망 구조는 도전체로 사용하기에 문제가 없다.
상기 저항은 상기 화이버나 튜브의 구조를 제어하거나 도핑함으로써 제어가능하다. 통상적으로 전자파 흡수에 가장 유리한 전도도는 100S/㎝ 정도로 알려져 있으며 물질 제조공정 제어와, 매트릭스와, 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버의 배합비 조절을 통하여 상기 값을 얻을 수 있다. 또한 상기 적절한 전도도의 부여는 정전기 방지(electrostatic discharge)를 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 전자파 차폐 및 흡수재는 고주파의 전자파 흡수뿐 아니라 저주파의 전자파도 흡수할 수 있다. 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버의 합성시 사용된 Fe, Co, Ni 등의 촉매 금속들은 도 2a, 2b, 및 2c와 같이 튜브 또는 화이버의 끝 부분(1), 몸체부분(2) 및 뿌리부분(3)에 끼어 있게 된다. 이제까지 상기 촉매 금속은 불순물로 취급되어 정제시 큰 문제점으로 인식되고 있다. 그러나, 상기 촉매 금속은 전이 금속이면서 강자성 물질로서 자기장 차폐에 큰 역할을 하므로 저주파 영역의 전자파를 효율적으로 차단할 수 있다. 따라서 본 발명은 탄소나노튜브를 키우기 위해 사용한 촉매금속을 정제하지 않고 그대로 사용함으로써 다양한 주파수의 전자파를 흡수·차폐할 수 있다.
도 4b를 참고하면, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버는 매트릭스에 분산되어 입체적인 그물망 구조를 형성할 수 있다. 상기 그물망 구조는 도 4a의 막형 구조에 비해 보다 높은 전자파 차폐 흡수 능력을 가질 수 있다. 즉, 막형 구조(30)는 입사된 전자파(15)에 대해 다양하지 못한 경로 예를 들면 A를 형성하지만, 그물망 구조(40)는 B, C 등과 같이 입사되는 다양한 주파수의 전자파에 대해 경로를 달리하면서 효율적인 흡수가 일어나도록 반응할 수 있다. 전자파의 흡수과정을 살펴보면, 입사된 전자파는 전하의 이동에 의해 열에너지로 바뀌어 상기 열에너지는 도전막을 따라 전도되어 사라진다. 이때 도전체의 전하순환 경로와 순환 주파수는 전자파의 주파수와 밀접하게 관련된다. 낮은 주파수의 전자파에 대해서는 그에 해당하는 짧은 순환경로 B를 찾을 것이고 높은 주파수의 전자파에 대해서는 그에 해당하는 긴 순환경로 C를 찾을 것이다. 도 3b와 같이, 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버들(5)은 입체적인 그물망 구조를 이루고 있어 입사된 전자파(15)에 대해 B, C 등의 경로들이 다양하게 구성된다. 따라서 본 발명의 전자파 차폐 및 흡수재는 다양한 주파수의 전자파를 효율적으로 흡수차폐할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 저주파수의 전자파를 차폐하기에 효과적이도록 도 4a와 같이 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버(5)와, 매트릭스(20)의 복합체에 페라이트(7)를 적당량 첨가할 수 있고 도 4b와 같이 거푸집으로 사용되는 탄소나노튜브(9)의 내부에 액상법 또는 기상법을 이용하여 금속(17)을 첨가함으로써 생성된 나노와이어(nanowire)를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 전자파 차폐 및 흡수재는 통신기기, 가전제품 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 이용한 전자파 차폐 및 흡수재는 다음과 같은 장점을 갖는다.
첫째, 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 극소량 첨가하여 그물망 구조의 도전막을 얻을 수 있으므로 비용이 저렴하다. 둘째, 상기 극소량의 양으로도 원하는 물성을 얻을 수 있으므로 기존의 전자기차폐 및 흡수재의 제조공정을 큰 변화없이 이용할 수 있다. 셋째, 첨가하는 나노물질과 매트릭스의 배합비 조절을 통하여 도전막의 원하는 물성을 얻을 수 있다. 넷째, 상기 나노튜브 또는 화이버를 첨가함으로써 폴리머 자체의 기계적 강도가 증가된다. 다섯째, 금속섬유의 경우 표면층이 쉽게 산화되어 산화물이 형성되므로 기계적인 강도 저하와 EMI(Electromagnetic radio frequency interference/Radio frequency interference) 차폐능력 저하가 나타나지만 본 발명의 전자파 차폐 및 흡수재를 이용하면 표면 산화현상이 발생되지 않으므로 전자파 차폐능력 저하 현상이 발생되지 않는다. 여섯째, 매트릭스와 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버의 친화력이 뛰어나므로 상기 튜브 또는 화이버의 박리 또는 분리 등이 일어나지 않는다. 일곱째, 금속섬유의 경우 금속자원의 낭비가 심하고 회수 및 재활용시 비용이 많이 소모된다. 그러나, 탄소나노튜브 또는 화이버의 탄소는 자연계에서 순환하는 물질이므로 특별한 재처리가 필요 없고 환경 친화적이며 자원 절약적이다. 여덟째, 상기 탄소나노튜브 또는 화이버는 전자파 차폐 및 흡수재에 극소량 첨가되어 그물망 구조의 도전막 형성이 가능하므로 제품의 외관에 변화를 주지 않는다.

Claims (6)

  1. 플라스틱 또는 폴리머로 이루어진 액체 상태의 매트릭스를 준비하는 단계;
    상기 매트릭스에 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 첨가하는 단계; 및
    이렇게 제조된 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버와 매트릭스의 복합체를 냉각시키는 단계로 구성된 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스와 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버의 혼합비는 전자파 차폐 및 흡수재의 전기전도도가 약 100S/㎝가 되도록 조절됨을 특징으로 하는 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버는 상기 튜브 또는 화이버의 성장에 사용된 촉매가 존재하는 상태로 사용됨을 특징으로 하는 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 매트릭스에 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버를 첨가하는 단계 다음에 탄소나노튜브 또는 탄소나노화이버와 매트릭스의 복합체에 페라이트를 첨가하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 내부에 금속이 첨가된 나노와이어가 사용됨을 특징으로 하는 전자파 차폐 및 흡수재의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 방법으로 제조된 전자파 차폐 및 흡수재.
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