KR101109089B1

KR101109089B1 - 도전체 물질을 첨가한 전자파 흡수시트 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101109089B1
Application number: KR1020100012487A
Authority: KR
Inventors: 박원욱; 김선이; 김미래
Original assignee: 인제대학교 산학협력단
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2012-02-29
Also published as: KR20110092833A

Abstract

본 발명은 전자파 흡수시트 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, Fe계 나노 결정립 연자성 분말에 도전체 분말을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 시트폼으로 주조하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 높은 투자율 및 유전율의 특성을 가지며, 1GHz의 고주파 대역에서도 우수한 전자파 흡수능을 나타내는 전자파 흡수시트 및 이의 제조방법을 얻을 수 있다.

Description

도전체 물질을 첨가한 전자파 흡수시트 및 이의 제조방법{Electromagnetic wave absorption sheet mixed with conductive materials and manufacturing method thereof}

본 발명은 도전체 물질을 첨가한 전자파 흡수시트 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Fe계 나노 결정립 연자성 분말 및 탄소계 도전체 분말을 함유하는 고주파 대역에서 우수한 특성을 나타내는 전자파 흡수시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 산업의 발달로 디지털 전자기기의 사용이 증대되고 있고, 디지털 전자기기는 전자장치의 회로 신호처리속도의 고속화, 고주파화, 고기능화되고 있으며, 제품 크기도 소형화, 경량화, 박형화에 대한 요구가 더욱 가속화되고 있다. 이들 요구에 부응하기 위하여 회로가 다층화, 고밀화됨에 따라, 심각한 전자파로 인한 문제가 새로운 관심의 대상으로 등장하게 되었다.

특히, 소형화, 경량화, 박형화로 휴대용 전자기기가 증가함에 따라 전자파가 인체에 노출되는 양도 증가하였다. 이러한 전자파가 인체에 노출되었을 때 나타나는 인체 유해성에 대한 연구결과가 발표됨에 따라 선진국에서는 전자파에 대한 악영향을 규제하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

전자파에 대한 많은 문제가 제기되면서 국내에서는 한국공업규격(KS)에 의거하여 전자파를 발생하는 제품 자체에서 그 한계를 정하여 제품을 생산하도록 규정하고 있으며, 선진국에서는 전자파 발생을 제한하는 규제(EMI, electromagnetic interface)뿐만 아니라 외부로부터 전자파를 받아들여도 오동작을 일으키지 않도록 하는 전자파 내성(EMS, electormagnetic susceptability)까지도 제품의 규격에 포함시킬 것을 검토하고 있다.

이에 맞는 전자파 간섭과 악영향을 억제하기 위한 대책의 일례로 전자파를 흡수하는 고성능 시트 개발이 활발하게 추진되고 있으며, 일부는 이미 실용화되고 있다.

그러나 현재 실용화된 전자파 흡수시트는 주로 페라이트 분말을 사용하며 금속 분말을 첨가하여 제작되거나, 다층형 구조로 제작된다. 하지만 페라이트 분말 만으로 제조한 전자파 흡수체는 높은 투자율은 갖지만, 고주파 1GHz대역에서는 페라이트 분말만으론 우수한 특성을 나타내지 못하거나, 또한 이러한 점을 보안하기 위해 다층형 전자파 흡수시트로 제조하였을 때는 전자파 흡수시트의 두께가 1mm 이상으로 두꺼워 진다는 단점이 있다. 또한 유전체를 사용하여 전자파 흡수시트를 제작하는 경우 고주파 대역에서는 특성이 우수하나 정합 조건에 맞추기 위해 시트가 두꺼워진다는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해 최근에 고성능의 전자파 흡수시트 개발측면에서 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 사용하여 전자파 흡수 시트를 제작하는 연구가 추진되어 오고 있다.

그러나, Fe계 나노 결정립 연자성 분말은 전기저항이 크고, 높은 투자율을 가지며 포화자화가 커서 고집적 정밀기기에서 얇은 두께로 우수한 전자파 흡수특성을 보이나 유전율이 낮게 나타난다는 문제점이 있다. 또한 Fe계 나노 결정립 연자성 분말은 1GHz 미만에서는 우수한 전자파 흡수능을 나타내지만, 1GHz 이상의 고주파 대역에서는 우수한 전자파 흡수능을 나타내지 못하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자는 유전율과 투자율 개선은 물론, 1GHz 이상의 고주파 대역에서도 우수한 전자파 흡수능을 갖는 전자파 흡수시트 및 이의 제조방법을 개발하였다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 사용하고도, 우수한 유전율을 가지며, 고주파 대역에서도 우수한 전자파 흡수능을 갖는 전자파 흡수시트 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 목적은 유전율 및 투자율 특성이 향상됨에 따라 전자파 흡수능이 개선된 전자파 흡수시트 및 이의 제조방법을 달성하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, Fe계 나노 결정립 연자성 분말 및 탄소계 도전체 분말을 함유하는 전자파 흡수 시트에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 탄소계 도전체 분말은 숯 분말 또는 탄소 나노 튜브이다.

또한, 바람직하게는, 상기 숯 분말은 백탄분말이고, 상기 백탄의 분말의 입자 크기가 1 내지 500 ㎛이며, 상기 Fe계 나노 결정립 연자성 분말은 분말의 총 중량을 기준으로 50 내지 99.9 중량%의 함량으로 포함되고, 상기 숯 분말은 분말의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 50 중량%의 함량으로 포함된다.

또한, 바람직하게는, 상기 Fe계 나노 결정립 연자성 분말은 분말의 총 중량을 기준으로 95 내지 99.8 중량%의 함량으로 포함되고, 상기 탄소 나노 튜브는 분말의 총중량을 기준으로 0.2 내지 5 중량%의 함량으로 포함된다.

또한, 바람직하게는, 상기 탄소 나노 튜브는 다층형 (multi-walled)이고, 내부 직경이 3 내지 50 ㎚이며 길이가 1 내지 200 ㎛인 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말 및 탄소계 도전체 분말을 함유하는 전자파 흡수 시트 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 전자파 흡수 시트 조성물을 시트폼으로 주조하는 단계를 포함하는 전자파 흡수 시트의 제조 방법에 의해 달성된다.

또한, 바람직하게는, 상기 전자파 흡수 시트 조성물은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 분말의 총 중량을 기준으로 50 내지 99.9 중량%의 함량으로 함유하고, 상기 숯 분말을 분말의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 50 중량%의 함량으로 함유하며, 상기 숯 분말은 백탄의 분말이고, 크기가 1 내지 500 ㎛인 것이다.

또한, 바람직하게는, 상기 전자파 흡수 시트 조성물은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 분말의 총중량을 기준으로 95 내지 99.8 중량%의 함량으로 함유하고, 상기 탄소 나노 튜브를 분말의 총중량을 기준으로 0.2 내지 5 중량%의 함량으로 함유하는 것이다.

또한, 바람직하게는, 상기 탄소 나노 튜브는 다층형 (multi-walled)이고, 내부 직경이 3 내지 50 ㎚이며 길이가 10 내지 200 ㎛이며, 1시간 이내로 볼밀링 공정을 거친 후에 상기 전자파 흡수 시트 조성물 중에 함유되는 것이다.

또한, 바람직하게는, 상기 전자파 흡수 시트 조성물은 분말의 총중량을 기준으로 바인더 10 내지 50 중량%, 경화제 0.1 내지 5 중량% 및 시너 1 내지 50 중량%를 더 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 사용하여 큰 전기저항과, 높은 투자율 및 우수한 전자파 흡수 특성을 가지며, 탄소계 도전체로서, 숯 분말 또는 탄소나노튜브를 사용하여 유전특성 및 전자파 흡수특성을 현저히 향상시킬 수 있다.

또한, 탄소계 도전체로서 탄소나노튜브를 첨가하기 이전에, 볼밀링 기를 사용하여 탄소나노튜브를 자르는 단계를 거친 후, 혼합함으로써 첨가되는 탄소나노튜브의 체적을 감소시켜 생산성과 제조공정의 효율을 향상시키고, 밀도, 강도 및 연신율 등의 기계적 특성을 높일 수 있어서 우수한 전자파 흡수시트를 간단하게 제조할 수 있다.

또한, Fe계 나노 결정립 연자성 분말에 숯 분말 또는 탄소나노튜브의 탄소계 도전체를 첨가함으로써 제조된 전자파 흡수시트는 숯 분말 또는 탄소 나노튜브를 첨가하지 않은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말로 제조된 전자파 흡수시트에 비해 전자파 흡수능이 주파수 1GHz 대역에서 60% 이상 증가됨을 알 수 있었다.

따라서, 높은 투자율 및 유전율의 특성을 갖는 본 발명의 전자파 흡수시트 및 흡수시트의 제조방법은 고주파 및 광대역 주파수를 사용하는 부품 등 다양한 전자기기에도 적용될 수 있을 것이라 예상된다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서, 숯 분말 첨가에 따른 주파수 대역별 에너지 손실(Power loss)값을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서, 숯 분말 첨가에 따른 주파수 대역별 유전율 값을 나타낸 도면으로서, 도 2a는 실수 유전율 값이고, 도 2b는 허수 유전율 값이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 있어서, 내부직경 크기가 다른 탄소나노튜브 첨가에 따른 주파수 대역별 에너지 손실 값을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 있어서, 내부직경 크기가 다른 탄소나노튜브 첨가에 따른 주파수 대역별 유전율 값을 나타낸 도면으로서, 도 4a는 실수 유전율 값이고, 도 4b는 허수 유전율 값이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 있어서, 볼밀링 함에 따라 탄소나노튜브의 부피변화를 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 있어서, 탄소나노튜브를 첨가하기 이전에, 볼밀링 함에 따른 탄소 나노튜브 첨가에 따른 주파수 대역별 에너지 손실 값을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 있어서, 탄소나노튜브를 첨가하기 이전에, 볼밀링 함에 따른 탄소나노튜브 첨가에 따른 주파수 대역별 유전율 값을 나타낸 도면으로서, 도 7a는 실수 유전율 값이고, 도 7b는 허수 유전율 값이다.

본 발명의 제 1구성은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말 및 탄소계 도전체 분말을 함유하는 전자파 흡수시트이고, 본 발명의 제 2구성은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말에 도전체 분말을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 시트폼으로 주조하는 단계를 포함하는 전자파 흡수시트 제조방법이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 전자파 흡수시트는 Fe계 나노 결정립 연자성 분말 및 탄소계 도전체 분말을 함유하며, 10 MHz 내지 10 GHz 주파수 범위 내에서 사용가능하다.

본 발명에 사용되는 Fe계 나노 결정립 연자성 분말은 비정질 합금으로서, 바람직하게는 Fe-Si-B-Nb-Cu계 합금이다. 더욱 상세하게는 Fe-Si-B와 소량의 Nb-Cu를 혼합하여 초당 약 백만℃의 냉각속도로 금속을 신속히 냉각하여 얻어낸 FINEMET(일본, HITACHI 사 제품)을 사용한다. 이 합금을 350℃~500℃의 온도에서 45분~90분 동안 예비 열처리하여 분말을 1차 파쇄한다. 그리고 이 파쇄된 조대한 분말을 미세화기 위하여 2차 파쇄하고, 파쇄된 분말의 입자크기가 270mesh 이하가 되도록 체가름한다. 이로써, 본 발명에서는 결정립 연자성 분말 중 나노크기의 결정립을 갖는 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 사용한다.

또한, 본 발명에 있어서, 도전체 분말로서, 탄소계 도전체를 사용하는 이유는 일반 금속류의 도전체 분말은 탄소계 도전체에 비해 전도도가 떨어지며, 또한, 표면적을 크게 하기가 어려워 전자파 흡수시트의 유전특성 향상에 도움이 되지 못했다. 따라서, 탄소계 도전체를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 숯 분말 또는 탄소나노튜브를 사용한다.

도전체 분말이 숯 분말일 경우, 숯 분말은 백탄의 분말이고, 상기 숯 분말의 입자크기가 1㎛ 내지 500㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1㎛ 내지 20㎛이다. 숯 분말은 전자파 흡수능을 향상시킬 수 있으며, 그 중에서도 백탄은 검탄이나 기타의 숯 보다도 높은 온도에서 탄화시켜 탄화도가 높으며, 기공도와 표면적이 높아 반응에 유리하며, 높은 유전 손실 효과를 유발시킬 수 있는 효과가 있다.

이러한 숯 분말을 본 발명의 탄소계 도전체 분말로서 사용할 경우, 분말 전체(Fe계 나노 결정립 연자성 분말 + 숯 분말)의 중량을 기준으로 0.1 내지 50 중량%, 바람직하게는 10 내지 30 중량%의 함량으로 포함된다.

본 발명에서 도전체 분말이 탄소나노튜브일 경우, 탄소나노튜브는 내부직경이 3nm 내지 50nm 이고, 길이는 1㎛ 내지 200㎛인 다층형 탄소나노튜브가 적합하다. 상기 탄소나노튜브는 분말 전체(Fe계 나노 결정립 연자성 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 0.2 내지 5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%이다.

한편, 본 발명의 전자파 흡수시트의 제조방법은 다음과 같다.

먼저, Fe계 나노 결정립 연자성 분말 및 탄소계 도전체 분말을 함유하는 전자파 흡수시트 조성물을 제조한다. 그 다음 전자파 흡수시트 조성물을 시트폼으로 주조한다. 이에 의해 상기 전자파 흡수시트는 10 MHz 내지 10 GHz 주파수 범위 내에서 사용가능하다.

여기에서, 탄소계 도전체 분말은 숯 분말 또는 탄소나노튜브이다.

본 발명의 전자파 흡수시트의 제조방법에서, 탄소계 도전체 분말이 숯 분말일 경우, 숯 분말은 백탄의 분말이고, 상기 백탄의 분말의 입자크기는 1 내지 500㎛이다. 또한, 탄소나노튜브일 경우에는 다층형 탄소나노튜브이고, 내부직경이 3 내지 50㎛이며, 길이가 10 내지 200㎛이다.

상기 탄소나노튜브는 볼밀링기나 기타 절단기를 사용하여 1 내지 10㎛의 길이로 잘라서 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 볼밀링 공정은 1시간 이내로 하는 것이 제조 후의 강도와 연신율 등 기계적 성질이 향상되고, 공정의 효율성 면에서 바람직하다. 즉, 탄소나노튜브를 잘라서 사용함으로써 탄소나노튜브의 첨가되는 부피가 감소하게 되어 전자파 흡수체 시트의 제조공정이 향상된다. 숯 분말도 볼밀링기를 사용하여 더욱 미세하게 분말화할 수 있다. 숯 분말 및 탄소나노튜브를 볼밀링기 등으로 처리하여 Fe계 나노 결정립 연자성 분말에 혼합함으로써, 도전체를 Fe계 나노 결정립 연자성 분말 내에 균일하게 분산시킬 수 있으므로, 전자파 흡수시트의 기계적 특성이 더욱 향상될 수 있다. 그러나, 볼밀링 시간이 길어짐에 따라 탄소나노튜브의 길이가 짧아지면 전자파 흡수능이 떨어지는 문제가 있으므로, 1시간 이내로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 Fe계 나노 결정립 연자성 분말은 비정질 합금으로서, 바람직하게는 Fe-Si-B-Nb-Cu계 합금이다. 더욱 상세하게는 Fe-Si-B와 소량의 Nb-Cu를 혼합하여 초당 약 백만℃의 냉각속도로 금속을 신속히 냉각하여 얻어낸 FINEMET(일본, HITACHI 사 제품)을 사용한다. 이 합금을 350℃~500℃의 온도에서 45분~90분 동안 예비 열처리하여 분말을 1차 파쇄한다.

이 파쇄된 조대한 분말을 미세화기 위하여 2차 파쇄하고, 파쇄된 분말의 입자크기가 270mesh 이하가 되도록 체가름한다. 이로써, 본 발명에서는 결정립 연자성 분말 중 나노크기의 결정립을 갖는 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 사용한다.

상기와 같은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말에 숯 분말 또는 탄소나노튜브의 탄소계 도전체 분말을 혼합한다. 여기에서, 숯 분말의 경우 분말 전체(Fe계 나노 결정립 연자성 분말 + 숯 분말)의 중량에 대하여 0.1 내지 50 중량%와, Fe계 나노 결정립 연자성 분말의 50 내지 99.9 중량%와 혼합하는 것이 바람직하다.

탄소나노튜브의 경우에는 분말 전체(Fe계 나노 결정립 연자성 분말 + 숯 분말)의 중량에 대하여 0.2 내지 5 중량%와, Fe계 나노 결정립 연자성 분말의 95 내지 99.8 중량%와 혼합하는 것이 바람직하다.

그 다음 혼합된 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 시트폼으로 주조한다. 시트폼으로 주조하기 전에, 혼합된 Fe계 나노 결정립 연자성 분말의 전체 중량에 대하여 바인더 10 내지 50 중량%, 경화제 0.1 내지 5 중량%, 및 시너 1 내지 50 중량%를 더 혼합하여 분말 슬러리를 제조할 수 있다.

여기에서, 바인더는 혼합된 분말에 성형성을 높이고, 분말 사이의 절연을 향상시킬 수 있으며, 또한 도전체를 코팅시켜 계면분극을 일으켜 전자파 흡수체 시트의 유전율을 향상시킨다. 본 발명의 바인더는, 폴리올과 이소시아네이트의 부가반응으로 제조된 폴리우레탄 바인더를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 경화제는 전자파 흡수시트의 경도를 조절하는데 유용하며, 시너는 분말 슬러리를 제조할 때, 이 분말 슬러리를 부드럽게 하는데 도움을 주며, 톨루엔 등의 솔벤트가 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 전자파 흡수시트 제조방법은 혼합된 Fe계 분말을 시트폼으로 주조하는 단계 이후에, 상기 주조된 시트폼을 80 내지 150℃의 온도에서 증발 건조시키는 단계와, 건조된 전자파 흡수시트를 50 내지 100℃의 온도로 예열된 롤링기를 사용하여 전자파 흡수시트의 두께 및 밀도를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 방법을 수행하면, 분말과 도전체 간의 밀집도가 향상되고 유전율 및 투자율 특성에 따른 전자파 흡수능이 향상된 유전특성이 우수한 전자파 흡수시트를 제조할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

(실시예 1)

본 실시예 1에서는 멜트스피너를 이용한 급속 냉각 응고법으로 제조된 리본 형태의 Fe₇₃-Si₁₆-B₇-Nb₃-Cu₁(at%) 비정질 합금 (FINEMET; 일본, HITACHI 사 제품)을 이용하였다. 이 비정질 합금을 400℃에서 1시간 동안 예비 열처리한 후, 제트 분쇄기(Jet Milling)를 사용하여 비정질 합금을 분말 형태로 1차 파쇄하였다. 이 파쇄된 조대한 분말을 미세화하기 위하여 어트리션 분쇄기(Attrition Milling)를 사용하여 미세하게 2차 파쇄하였다. 이 파쇄된 분말을 체가름을 하여 270mesh 이하의 분말, 즉 나노 결정립 분말을 본 실시예 1에 이용하였다.

270mesh 이하의 분말을 사용함으로써, 전자파 흡수시트 제작에 성형성을 높여주고, 균일성을 향상시켜주는 등의 특성을 갖는다. 튜브 퍼니스 내를 고순도 질소 분위기로 하고, 열처리 온도 540℃에서 1시간 동안 열처리하여 비정질 Fe계 분말을 결정화시켜 Fe계 나노 결정립 분말을 얻었다. 이때의 결정화는 비정질 구조를 결정 구조로 바꾸면서 연자성의 특성을 강화시켜주기 위한 것이다.

전자파 흡수시트의 유전율을 향상시키기 위하여, 위에서 얻은 Fe계 나노 결정립 분말 60g과, 숯 분말은 크기는 1㎛~20㎛인 백탄을 사용하였고 첨가량은 분말 전체(Fe계 분말 + 숯 분말)의 중량을 기준으로 10~50 중량%의 함량으로 첨가하였다. 그리고 분말 전체(Fe계 분말 + 숯 분말)를 스틸(Steel) 볼과 함께 Jar에 넣고 120rpm 1시간동안 볼밀링(Ball Milling)하였다.

한편, 상기의 혼합된 분말(30g)에 성형성을 높이고 분말 사이의 절연을 위하여 바인더(11.1g)를 첨가하였고, 시트의 경도를 조정하기 위하여 경화제(0.7g)를 첨가하였으며, 분말 슬러리를 부드럽게 하기 위하여 시너(15g)를 무게 비율로 첨가하였고, 임펠러를 이용하여 회전속도 120rpm으로 2분간 혼합하였다.

이 분말 슬러리는 주물(casting)을 이용하여 1.0㎜ 두께의 시트형태로 제작한 후, 제작된 시트는 100℃에서 2시간 동안 증발, 건조과정을 거치고 한번 더 상온 25℃에서 24시간 동안 증발, 건조과정을 거쳤다.

상기의 건조된 시트는 70℃ 예열된 롤링기를 사용하여 압연(Rolling)과정을 거쳐 흡수 시트의 두께를 평균 0.5㎜로 만들었다.

(실시예 2)

본 실시예 2에서는 실시예 1과 동일한 Fe계 나노 결정립 분말을 이용하였다.

본 실시예 2에서는, 전자파 흡수시트의 유전율을 향상시키기 위하여, 실시예 1에서 얻은 Fe계 나노 결정립 분말 60g과, 탄소나노튜브로는 내부 직경 3㎚~20㎚이고 길이 10㎛~20㎛인 다층형 탄소나노튜브를 사용하였고 첨가량은 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 1 중량%의 함량으로 첨가하였다. 그리고 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)를 스틸(Steel) 볼과 함께 Jar에 넣고 120rpm 30분 동안 볼밀링(Ball Milling)하였다.

상기의 혼합된 분말(30g)에 성형성을 높이고 분말 사이의 절연을 위하여 바인더(11.1g)를 첨가하였고, 시트의 경도를 조정하기 위하여 경화제(0.7g)를 첨가하였으며, 분말 슬러리를 부드럽게 하기 위하여 시너(10g)를 무게 비율로 첨가하였고, 임펠러를 이용하여 회전속도 120rpm으로 2분간 혼합하였다.

(실시예 3)

본 실시예 3에서는 실시예 1, 2와 동일한 Fe계 나노 결정립 분말을 이용하였다.

본 실시예 3에서는, 전자파 흡수시트의 유전율을 향상시키고 흡수공정의 효율을 향상시키기 위하여, 내부직경 10㎚~20㎚이고 길이 100㎛~200㎛인 다층형 탄소나노튜브를 볼밀링 기를 사용하여 1시간에서 10시간 동안 볼밀링하여 탄소나노튜브의 크기를 변화시켰다.

실시예 1, 2에서 사용한 조건과 동일한 Fe계 나노 결정립 분말 60g과 위에서 얻은 탄소나노튜브의 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 1 중량%의 함량으로 스틸(Steel) 볼과 함께 Jar에 넣고 120rpm 30분 동안 볼밀링(Ball Milling)하였다.

상기의 혼합된 분말(30g)에 성형성을 높이고 분말 사이의 절연을 위하여 바인더(11.1g)를 첨가하였고, 시트의 경도를 조정하기 위하여 경화제(0.7g)를 첨가하였으며, 분말 슬러리를 부드럽게 하기 위하여 시너(7g)를 첨가하였고, 무게 비율로 임펠러를 이용하여 회전속도 120rpm으로 2분간 혼합하였다.

(실시예 1- 3 및 비교예 평가)

상술한 바와 같이 제조된 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로서, 숯 분말 및 탄소나노튜브를 첨가하지않고, Fe계 나노 결정립 분말시트를 동일한 방법으로 제작하였다. 그 후, Network Analyzer(Agilent사 제품 N5230A)의 2-port coaxial 방법을 이용하여, 10㎒에서부터 10㎓까지에서의 각각의 시트들의 투자율과 유전율을 측정하였으며, 10㎒에서부터 10㎓까지에서의 전자파 흡수능은 2-port Microstrip line 방법을 이용하여 측정하였으며, 최종적으로 재료별 특성을 비교하였다. 그 비교결과는 도 1 내지 7에 나타난 바와 같다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서, 전자파 흡수능을 나타내는 그래프로서, 다량의 숯 분말 첨가에 따른 주파수 대역별 에너지 손실(Power loss)값을 나타낸 도면이다. 도 1에 따르면, 300㎒에서 숯 분말의 첨가없이 Fe계 나노 결정립 분말시트는 흡수능이 5%인 반면, 백탄 숯 분말을 분말 전체(Fe계 분말 + 숯 분말)의 중량을 기준으로 10 중량%의 함량으로 첨가하였을 경우, 흡수능이 15% 였고, 백탄 숯 분말을 분말 전체(Fe계 분말 + 숯 분말)의 중량을 기준으로 50 중량%로 첨가하였을 경우 흡수능이 15% 이상으로 향상되었음을 알 수 있었다.

하지만 실질적으로 1㎓ 대역에서는 흡수능이 숯 분말의 첨가량에 따라 점차적으로 감소하게 나타나므로 숯 분말을 첨가함으로써, 1㎓ 대역 이전을 사용하는 전자제품에는 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있었다.

이러한 흡수능의 향상결과는 도 2a, 2b의 숯 분말 첨가에 따른 주파수 대역별 유전율 값을 나타낸 그래프에서 살펴보면 다음과 같다. 도 2a의 유전율 실수부 그래프에 따르면, 10㎒대역에서 숯 분말을 첨가하지 않은 Fe계 나노 결정립 분말시트의 유전율 실수부는 약 53인 반면, 숯 분말을 분말 전체(Fe계 분말 + 숯 분말)의 중량을 기준으로 10 중량%의 범위로 첨가한 시트는 약 70이고, 숯 분말의 첨가량을 증가시킴에 따라 유전율이 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있었다, 특히, 분말 전체(Fe계 분말 + 숯 분말)의 중량을 기준으로 숯 분말을 50 중량%의 범위로 첨가한 시트는 약 105의 실수부 유전율을 나타냄을 알 수 있었다.

도 2b의 유전율 허수부 그래프에 따르면, 10㎒대역에서 숯 분말을 첨가하지않은 Fe계 나노 결정립 분말 시트의 유전율 허수부는 약 5인 반면, 숯 분말을 전체(Fe계 분말 + 숯 분말)의 중량을 기준으로 10 중량%의 범위로 첨가한 시트는 약 17이고, 숯 분말의 첨가량을 증가시킴에 따라 유전율 허수부가 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히 분말 전체(Fe계 분말 + 숯 분말)의 중량을 기준으로 숯 분말을 50 중량%의 범위로 증가한 시트는 약 120의 허수부 유전율을 나타냄을 알 수 있었다.

이러한 특성을 보이는 이유는 숯 분말을 첨가함에 따라, 첨가한 폴리올과 이소시아네이트의 부가반응으로 제조된 폴리우레탄 바인더가 숯 분말을 코팅시킴으로써 계면분극이 발생하여, 유전율 실수부, 허수부 모두 크게 증가한 것으로 판단된다. 또한 Fe계 나노 결정립 분말에 숯 분말의 첨가량을 증가시킴에 따라, 계면분극의 양도 증가하여 첨가량에 비례하게 유전율이 증가한 것으로 판단된다.

한편, 숯 분말을 첨가하지 않은 Fe계 나노 결정립 분말시트는 10㎓의 고주파대역으로 이동함에 따라 유전율이 급격히 감소하는 것을 알 수 있지만, 숯 분말을 첨가함으로써, 유전율의 감소를 완화시킬 수 있음을 알 수 있었다.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 있어서, 전자파 흡수능을 나타내는 그래프로서, 내부직경의 크기가 다른 탄소 나노튜브 첨가에 따른 주파수 대역별 에너지 손실(Power loss)값을 나타낸 도면이다. 도 3에 따르면, 1㎓에서 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 Fe계 나노 결정립 분말 시트는 흡수능이 28%인 반면, 내부직경이 10㎚ 내지 20㎚인 다층형 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 1 중량%의 범위로 첨가하였을 경우, 46% 이상으로 흡수능이 향상되었음을 알 수 있었다. 또한 내부 직경이 점차적으로 작아짐에 따라 전자파 흡수능이 점차적으로 증가하였다. 내부직경이 3㎚ 내지 5㎚인 다층형 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 1 중량% 첨가한 시트는 약 60%을 나타냄을 알 수 있었다. 또한 10㎓의 대역에서도 약 90% 대의 우수한 흡수능을 갖는 것을 알 수 있었다.

이러한 흡수능의 향상결과를 도 4a, 4b의 탄소나노튜브의 첨가에 따른 주파수 대역별 유전율 값을 나타낸 그래프에서 살펴보면 다음과 같다. 도 4a의 유전율 실수부 그래프에 따르면, 10㎒대역에서 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 Fe계 나노 결정립 분말 시트의 유전율 실수부는 약 45인 반면, 내부직경이 10㎚ 내지 20㎚인 다층형 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 1 중량%의 범위로 첨가한 시트는 약 122이고, 다층형 탄소나노튜브의 내부직경이 감소함에 따라 유전율이 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있었다, 내부직경이 3㎚~5㎚인 다층형 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 1 중량%의 범위로 증가한 시트는 약 220을 나타냄을 알 수 있었다.

또한, 도 4b의 유전율 허수부 그래프에 따르면, 10㎒대역에서 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 Fe계 나노 결정립 분말 시트의 유전율 허수부는 약 8인 반면, 내부직경이 10㎚ 내지 20㎚인 다층형 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 1 중량%의 범위로 첨가한 시트는 약 40이고, 다층형 탄소나노튜브의 내부직경이 감소에 따라 유전율 허수부가 점차적으로 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다, 내부직경이 3㎚ 내지 5㎚인 다층형 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 1 중량%의 범위로 증가한 시트는 약 125를 나타냄을 알 수 있었다.

이러한 특성을 보이는 이유는 탄소나노튜브를 첨가함에 따라, 첨가한 폴리올과 이소시아네이트의 부가반응으로 제조된 폴리우레탄 바인더가 탄소 나노튜브를 코팅시킴으로써 계면분극이 발생하여, 유전율 실수부, 허수부 모두 크게 증가한 것으로 판단된다. 또한 Fe계 나노 결정립 분말에 탄소나노튜브의 내부 직경 크기가 줄어듦에 따라, 표면 넓이가 넓어짐에 따라 계면분극의 양도 증가하여 첨가량에 비례하게 유전율이 증가했을 뿐만 아니라, 내부 직경의 크기가 작아짐에 따라 탄소나노튜브의 전기전도도가 증가하여 유전율이 증가한 것으로 판단된다.

또한, 숯 분말에 비하여 탄소나노튜브를 첨가하는 경우, 소량을 첨가하여도 숯 분말에 비하여 크게 흡수능 또는 유전율이 증가하는 것을 나타냄을 알 수 있었는데, 이러한 특성을 보이는 이유는 탄소나노튜브가 길이/직경 비가 커서 퍼콜레이션(Percolation) 이론에 의하여 이러한 특성을 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 실시예 3에 있어서, 볼밀링 함에 따라 탄소나노튜브의 부피변화를 관찰한 사진이다. 탄소나노튜브를 1시간 동안 볼밀링 하였을 경우, 볼밀링 하기 전에 전체 부피의 약 50%가량 감소하였다. 볼밀링의 시간의 증가함에 따라, 탄소나노튜브의 부피 또한 비례적으로 감소하는 것을 나타내었다. 이러한 결과는 동일한 질량비로 탄소나노튜브를 첨가하더라도 첨가되는 탄소나노튜브의 부피가 감소함에 따라, 분말 시트에 첨가되는 시너의 양이 줄어들어 제조과정이 간편해지고, 제조공정의 효율을 향상시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예 3에 있어서, 전자파 흡수능을 나타내는 그래프로서, 탄소나노튜브를 첨가하기 이전에, 볼밀링 함에 따른 탄소 나노튜브 첨가에 따른 주파수 대역별 에너지 손실(Power loss)값을 나타낸 도면이다. 도 6에 따르면, 1㎓에서 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 Fe계 나노 결정립 분말 시트는 흡수능이 28%인 반면, 사전에 1시간 동안 볼밀링한 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량을 기준으로 1 중량%의 범위로 첨가하였을 경우, 55% 이상으로 흡수능이 향상되었음을 알 수 있었다. 하지만 탄소나노튜브의 볼밀링 시간이 늘어날수록, 제조 후의 강도와 연신율의 기계적 성질은 향상되지만, 탄소나노튜브의 길이가 짧아지면, 흡수능이 감소하는 결과를 초래하기 때문에, 작업성과 효율성을 고려하여 1시간 이내의 볼밀링이 적합하다.

또한, 도 7의 사전에 탄소나노튜브를 볼밀링하여 첨가에 따른 주파수 대역별 유전율 값을 나타낸 그래프에서 살펴보면 다음과 같다. 도 7a의 유전율 실수부 그래프에 따르면, 10㎒대역에서 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 Fe계 나노 결정립 분말 시트의 유전율 실수부는 약 48이고, 사전에 볼밀링 하지 않은 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량 기준으로 1 중량%의 범위로 첨가한 시트는 약 205이며, 사전에 1시간 동안 볼밀링 한 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량 기준으로 1 중량%의 범위로 첨가한 시트는 약 156로 나타냄을 알 수 있었다.

또한, 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 Fe계 나노 결정립 분말을 첨가한 시트의 유전율 허수부는 약 0이고, 사전에 볼밀링 하지 않은 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량 기준으로 1 중량%의 범위로 첨가한 시트는 약 102이며, 사전에 1시간 동안 볼밀링 한 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량 기준으로 1 중량%의 범위로 첨가한 시트는 48을 나타냄을 알 수 있었다.

이러한 특성을 보이는 이유는 높은 전도도를 나타내는 탄소나노튜브를 첨가함에 따라, 첨가한 폴리올과 이소시아네이트의 부가반응으로 제조된 폴리우레탄 바인더가 탄소 나노튜브를 코팅시킴으로써 계면분극이 발생하여, 유전율 실수부, 허수부 모두 크게 증가한 것으로 판단된다. 또한 볼밀링 시간이 증가함에 따라, 탄소나노튜브의 길이가 짧아져서 길이/직경 비 값이 줄어들어 퍼콜레이션을 발생시키기가 어려워져서 전반적으로 동일 양을 첨가하여도 탄소나노튜브 첨가에 따른 도전율이 감소하여 결과적으로 유전율이 감소한 것으로 판단된다.

사전에 1시간 동안 볼밀링 한 탄소나노튜브를 분말 전체(Fe계 분말 + 탄소나노튜브)의 중량 기준으로 1 중량%의 범위로 첨가한 시트의 경우 탄소나노튜브를 첨가하였을 때의 높은 유전율을 유지한 상태에서 동일 중량의 첨가되는 부피가 50%이상으로 감소하여 제조공정이 간편화되고, 제조공정의 효율을 향상시킬 수 있었다.

Claims

Fe계 나노 결정립 연자성 분말 및 탄소계 도전체 분말을 함유하는 전자파 흡수 시트.
제 1항에 있어서, 상기 탄소계 도전체 분말은 숯 분말 또는 탄소 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 시트.
제 2항에 있어서, 상기 숯 분말은 백탄의 분말이고, 상기 백탄의 분말의 입자 크기는 1 내지 500 ㎛이며, 상기 Fe계 나노 결정립 연자성 분말은 분말의 총 중량을 기준으로 50 내지 99.9 중량%의 함량으로 포함되고, 상기 숯 분말은 분말의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 50 중량%의 함량으로 포함되는 것인 전자파 흡수 시트.
제 2항에 있어서, 상기 Fe계 나노 결정립 연자성 분말은 분말의 총 중량을 기준으로 95 내지 99.8 중량%의 함량으로 포함되고, 상기 탄소 나노 튜브는 분말의 총중량을 기준으로 0.2 내지 5 중량%의 함량으로 포함되는 것인 전자파 흡수 시트.
제 4항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 다층형 (multi-walled)이고, 내부 직경이 3 내지 50 ㎚이며 길이가 1 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 시트.
Fe계 나노 결정립 연자성 분말 및 탄소계 도전체 분말을 함유하는 전자파 흡수 시트 조성물을 제조하는 단계; 및
상기 전자파 흡수 시트 조성물을 시트폼으로 주조하는 단계를 포함하는 전자파 흡수 시트의 제조 방법.
제 6항에 있어서, 상기 탄소계 도전체 분말은 숯 분말 또는 탄소 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 시트의 제조 방법.
제 7항에 있어서, 상기 전자파 흡수 시트 조성물은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 분말의 총 중량을 기준으로 50 내지 99.9 중량%의 함량으로 함유하고, 상기 숯 분말을 분말의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 50 중량%의 함량으로 함유하며, 상기 숯 분말은 백탄의 분말이고, 크기가 1 내지 500 ㎛인 것인 전자파 흡수 시트의 제조 방법.
제 7항에 있어서, 상기 전자파 흡수 시트 조성물은 Fe계 나노 결정립 연자성 분말을 분말의 총중량을 기준으로 95 내지 99.8 중량%의 함량으로 함유하고, 상기 탄소 나노 튜브를 분말의 총중량을 기준으로 0.2 내지 5 중량%의 함량으로 함유하는 것인 전자파 흡수 시트의 제조 방법.
제 7항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 다층형 (multi-walled)이고, 내부 직경이 3 내지 50 ㎚이며 길이가 10 내지 200 ㎛이며, 1시간 이내로 볼밀링 공정을 거친 후에 상기 전자파 흡수 시트 조성물 중에 함유되는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 시트의 제조 방법
제 6항에 있어서, 상기 전자파 흡수 시트 조성물은, Fe계 나노 결정립 연자성 분말과 탄소계 도전체 분말의 총중량을 기준으로 바인더 10 내지 50 중량%, 경화제 0.1 내지 5 중량% 및 시너 1 내지 50 중량%를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 시트의 제조 방법.