KR101455116B1 - 차량용 레이더에 사용되는 전자파 흡수체 및 이의 제조방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량에 전방 충돌방지(FCW), 차선 이탈방지(LDW), 비상 제동시스템(AEBS) 등을 목적으로 한 24 GHz용 차량용 레이더에서 사용될 수 있는 높은 주파수 영역대의 전자기파를 효율적으로 흡수할 수 있는 얇고 유연한(flexible) 전자파 흡수체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히, 바인더에 탄소계열의 물질을 포함하는 전자파 흡수물질을 구성함으로써, 높은 주파수 영역대에서 높은 전자기파 흡수율을 얻을 수 있고, 또한 유연성을 갖는 박형의 시트(sheet)형상의 흡수체로 가공할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

차량용 레이더에 사용되는 전자파 흡수체 및 이의 제조방법.{Electromagnetic Wave Absorber For Car Radar and Fabrication Method of The Same.}

본 발명은 차량에 전방 충돌방지(FCW), 차선 이탈방지(LDW), 비상 제동시스템(AEBS) 등을 목적으로 한 24 GHz용 차량용 레이더에서 사용될 수 있는 높은 주파수 영역대의 전자기파를 효율적으로 흡수할 수 있는 얇고 유연한(flexible) 전자파 흡수체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근의 자동차 공학기술과 IT 기술의 발전은 자동차에 편의성과 안정성 등을 계속해서 높은 수준으로 끌어올리고 있다. 소위 '스마트 카(smart car)', '인텔리전트 카(intelligent car)'라고 불리우는 차들이 등장하고, 이는 전방 충돌방지(Forward Collision Warning), 차선 이탈방지(Lane Ddeparture Warning), 비상 제동시스템(Advancd Emergency Braking System), 적응 순항 제어(Adaptive Cruise Control) 기능 등을 장착하고 있다.

이러한 기능들은 모두 다른 차량과의 거리나 전방이나 후방의 장애물 들을 인식할 수 있는 센서를 필요로 하며, 일반적으로 레이더, 초음파, 라이더(lidar), 비데오 카메라 등이 차량에 장착되어 이루어진다.

다른 센싱 방식과 비교해 레이더는 더 정확한 거리와 속도의 측정, 눈이나 비가 오는 환경에서도 신뢰성 있는 시그널을 제공한다는 장점이 있다. 특히, 차량용 24GHz 레이더는 생산 단가가 낮고 근거리(20m이하)에서 탐지각이 상대적으로 넓다는 장점을 가지고 있어서, 차량용 감지 센서에 널리 사용되고 있다.

이러한 레이더에는 전자기파의 간섭과 반사파에 의한 오작동을 막기 위해 전자기파 흡수체가 필요한데, 본 발명은 높은 주파수 영역대의 전자기파를 효율적으로 흡수할 수 있는 얇고 유연한 전파 흡수체에 관한 것이다.

등록특허공보 10-0230825호는 전자기기에서 발생하는 전기파를 흡수하기 위한 조성물 및 이의 제조방법 등이 게시되어 있다. 산화철, 산화니켈, 산화아연, 산화구리로 구성된 분말 원료와 물, 분산제, 가소제, 윤활제로 구성된 조성물을 전자기파를 방출하는 기기의 케이스에 간편하게 도포하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 이는 기존의 전자기기의 외면에 도포하는 것으로 그 흡수성이 뛰어나지 않고, 차량용 레이더의 고주파 영역에서는 흡수특성이 그리 크지 않다는 단점이 있다.

최근 트럭 등 대형 차량에 전방 충돌방지(FCW), 차선 이탈방지(LDW), 비상 제동시스템(AEBS) 등을 목적으로 한 다수의 감지 센서 장착이 선진국을 중심으로 의무화 되어 가고 있으며, 이에 따라 차량용 레이더의 수요가 증가하고 있다. 특히, 차량용 24GHz 레이더는 77GHz 레이더에 비하여 생산 단가가 낮고 근거리(20m이하)에서 탐지각이 상대적으로 넓다는 장점을 가지고 있어서, 차량용 감지 센서에 널리 사용되고 있다.

다만, 이러한 차량용 24GHz 레이더는 sidelobe등의 불요방사, 바닥, 맨홀 뚜껑 등의 장애물에 의한 반사파로 인해 오작동을 일으킬 소지가 있으며, 이러한 반사파로 인하여 레이더의 효율 저하 및 수명 단축의 문제가 발생할 수 있고, 다른 전자 장비와 상호 교란 현상을 발생시킬 수 있다.

이전에는 금속 및 금속 산화물 등의 자성 재료를 이용한 시트 형태의 전자파 흡수체, 카본, 세라믹 분말 등의 유전 재료를 이용한 발포 고무 수지(foam) 형태의 전자파 흡수체 등을 10GHz 이상의 고주파용 전자파 흡수 소재로 사용해 왔으나, 이러한 제품들의 경우 전자파 흡수 성능이 요구되어지는 특성에 미치지 못하거나, 두께가 지나치게 두껍고 유연성(flexibility)이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.

이에 따라 10GHz에서 mm wave(30-100GHz) 영역에 이르는 높은 주파수 영역대의 전자기파를 효율적으로 흡수할 수 있는 얇고 유연한(flexible) 전자파 흡수 소재의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 바인더와 탄소계열의 물질을 포함한 전자파 흡수체 및 이의 제조방법을 제공한다.

상기 바인더, 특히 실리콘 고무 계열의 모재는 전체 전자파 흡수체에 유연성을 부여하며, 얇은 형상으로의 제조가 용이하게 한다. 또한 높은 자기 손실(magnetic loss), 유전 손실(dielectric loss), 도전성 손실(Ohmic loss) 중 하나 이상을 가진 소재가 전파 흡수체용 소재로 선택되는데, 일반적으로 mm 파장대에서는 유전 물질이나 전기 전도성 물질이 사용되며, 자성 재료는 사용되지 못하는 것으로 인식되었다. 이는 자성 물질의 경우에는 자성 공진(magnetic resonance) 때문에 주파수가 높아질수록 자성물질의 투자율(permeability)이 크게 감소한다. 따라서 1GHz 이하의 주파수 영역으로 사용영역이 제한되어 왔다.

최근에는 탄소계열의 물질에 대한 전자기파 흡수 소재로의 응용 가능성이 관심이 되어 왔는데, 본 발명에서는 특히 흑연(graphite) 분말, CMC(Carbon Micro-Coil), 그래핀(grahene), 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube), 탄소 섬유(carbon fiber) 등을 바인더에 함께 혼합함으로써, 특히 24GHz의 높은 주파수 영역대에서의 전자기파 흡수가 가능토록 하였다. 또한 이를 가공성이 좋은 실리콘 고무 등의 바인더와 함께 혼합하여 가공함으로써, 박형의 시트 형상의 흡수체로 제조가 가능하게 하고, 유연한 특성을 갖도록 하여 차량용 레이더에 응용이 적합하도록 하였다.

본 발명인 차량용 레이더에 사용되는 전자파 흡수체의 경우에 바인더, 특히 실리콘 고무 계열의 모재에 탄소계열의 물질을 포함하는 구조로 인해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫번째로 기존에는 사용 불가하였던 높은 주파수 영역대에서, 바인더에 흑연 분말과 CMC를 혼합해서 분산시킴으로서 24GHz의 높은 주파수대에서 높은 전자기파 흡수 성능을 얻을 수 있다.

두번째로 흡수체의 조성 중 대부분을 차지하는 바인더로써 염소화폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌디메틸, 실리콘 고무, 아크릴 수지, 아미드계 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 에틸렌-프로필렌 고무, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리우레탄 수지, 니트릴-부타디엔계 고무 물질 등을 사용함으로써, 전자파 흡수체에 유연성을 부여할 수 있다.

세번째로 상기 바인더 물질과 상기 탄소계열의 물질, 특히 흑연 분말과 CMC를 혼합해서 분산시킨 혼합물을 가공함으로써, 전자파 흡수체의 가공이 용이해지고, 특히 두께가 얇은 박형의 시트 형상으로의 가공이 가능하다.

결론적으로 본 발명은 바인더에 흑연 분말과 CMC를 포함하는 전자파 흡수물질을 구성함으로써, 높은 주파수 영역대에서 높은 전자기파 흡수율을 얻을 수 있고, 또한 유연성을 갖는 박형의 시트(sheet)형상의 흡수체로 가공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 바인더와 탄소계열 물질 및 CMC(Carbon Micro-Coil)를 포함하여 이루어진 전자파 흡수체의 사시도이다.
도 2는 바인더와 CMC(Carbon Micro-Coil)로 이루어진 전자기파 흡수체의 SEM(Scanning Electron Microscpy) 촬영 이미지이다.
도 3은 전자기파 흡수체의 제조방법이다.
도 4는 흑연 분말과 실리콘 고무 바인더로 이루어진 전자기파 흡수체의 중량비율 변화에 따른 흡수특성의 변화이다.
도 5는 흑연 분말을 실리콘 고무 바인더에 분산 혼합하여 제조한 흡수체의 두께 변화에 따른 흡수특성의 변화이다.
도 6은 CMC(Carbon Micro-Coil)와 실리콘 고무 바인더로 이루어진 흡수체와 흑연 분말과 실리콘 고무 바인더로 이루어진 흡수체의 전자기파 흡수특성의 비교 결과이다.
도 7은 흑연분말, CMC(Carbon Micro-Coil), 및 흑연분말과 CMC를 함께 실리콘 고무 바인더에 혼합하여 제작한 전자기파 흡수체의 주파수에 따른 유전상수 값의 변화이다.
도 8은 흑연분말, CMC(Carbon Micro-Coil), 및 흑연분말과 CMC를 함께 실리콘 고무 바인더에 혼합하여 제작한 전자기파 흡수체의 주파수에 따른 유전손실계수 값의 변화이다.

도 1은 바인더(200)와 탄소계열 물질(300) 및 CMC(Carbon Micro-Coil,310)를 포함하여 이루어진 전자기파 흡수체(100)를 도시한 것으로, 상기 바인더(200)는 염소화폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌디메틸, 실리콘 고무, 아크릴 수지, 아미드계 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 에틸렌-프로필렌 고무, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리우레탄 수지, 니트릴-부타디엔계 고무 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있으며, 특히 유연함과 가공성이 좋은 실리콘 고무 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

바인더(200)로 적합한 상기 실리콘 고무는 고온 경화형 1액형 실리콘 고무, 고온 경화형 2액형 실리콘 고무, 상온 경화형 1액형 실리콘 고무, 상온 경화형 2액형 실리콘 고무, 자외선 경화형 실리콘 고무 중의 적어도 어느 하나가 포함되어 사용할 수 있다.

또한, 탄소계열 물질(300)은 흑연(graphite) 분말, 그래핀(grahene), 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube), 탄소 섬유(carbon fiber) 중의 적어도 어느 하나가 포함되어 사용될 수 있으며, 특히 흑연 분말을 포함하여 사용하는 경우에 높은 전자기파 흡수율을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 이때, 상기 전자기파 흡수체(100)의 총 중량 대비 상기 흑연 분말의 중량 %는 0.5 내지 40 % 인 것이 바람직하고, 상기 전자기파 흡수체(100)의 총 중량 대비 상기 CMC(310)의 중량 %는 0.1 내지 5 %인 것이 바람직하고 상기 CMC(310)는 3차원적인 나선 형상으로 직경 3~5 μm, 길이는 0.1~1.0 mm 인 것이 바람직하나, 사용이 이로 제한되는 것이 아님은 물론이다.

도1에서 볼 수 있듯이, 상기 전자기파 흡수체는 시트(sheet) 형상으로 제조될 수 있으며, 두께 0.8~3 mm의 두께를 갖는 것이 차량용 레이더에 사용되기 적합하다. 이러한 전자기파 흡수체는 24GHZ 의 전자기파에 대해 -10dB(90%) 이상의 흡수율을 보이는 것으로 나타났다.

도 2는 바인더(200)와 CMC(Carbon Micro-Coil,310)로 이루어진 전자기파 흡수체(100)를 SEM(Scanning Electron Microscpy)으로 촬영한 이미지이다. 바인더로는 실리콘 고무를 사용하였고, 이는 도2의 검은색으로 나타나며, CMC(310)는 도 2에서 볼 수 있듯이 3차원적인 구조로 스프링과 같은 형상을 하고 있다. 본 발명에서 사용된 CMC는 나선형 구조의 지름은 3~5 μm, 길이는 0.1~1.0 mm 이며, 스프링을 이루는 탄소섬유(carbon fiber)의 직경은 1~3 μm 이나, 이에 제한받지 않음은 물론이다.

도3은 상기 전자기파 흡수체(100)를 제조하는 방법을 나타낸 것으로, 가장 먼저 상기 바인더(200)와 상기 탄소 계열의 물질(300) 및 CMC(310)을 준비하여, 상기 바인더(200) 내에 상기 탄소 계열의 물질(300) 및 CMC(310)을 첨가하고, 상기 바인더(200) 내에 분산하여 혼합시키고, 이렇게 혼합된 혼합물을 금형 또는 닥터 블레이드 공정을 이용하여 시트(sheet) 형상으로 성형한다. 상기 시트(sheet) 형상으로 성형된 혼합물에 열처리를 통하여 경화시킴으로써. 최종적으로 시트(sheet) 형상의 전자기파 흡수체(100)를 제조할 수 있다.

상기 바인더(200)는 염소화폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌디메틸, 실리콘 고무, 아크릴 수지, 아미드계 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 에틸렌-프로필렌 고무, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리우레탄 수지, 니트릴-부타디엔계 고무 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있으며, 특히 유연함과 가공성이 좋은 실리콘 고무 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 바인더(200)로 적합한 상기 실리콘 고무는 고온 경화형 1액형 실리콘 고무, 고온 경화형 2액형 실리콘 고무, 상온 경화형 1액형 실리콘 고무, 상온 경화형 2액형 실리콘 고무, 자외선 경화형 실리콘 고무 중의 적어도 어느 하나가 포함되어 사용할 수 있다. 또한, 상기 탄소계열의 물질(300)로는 흑연(graphite) 분말, 그래핀(grahene), 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube), 탄소 섬유(carbon fiber) 중의 적어도 어느 하나가 포함되어 사용될 수 있으며, 특히 흑연 분말을 사용하는 경우에 높은 전자기파 흡수율을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 또한 상기 열처리 온도는 50 내지 150℃이고, 열처리 시간은 0.5 내지 30 분으로 하는 것이 바람직하나, 이에 제한받는 것은 아니다.

흑연 분말(CSPE, Nippon Graphite)와 CMC(Carbon Micro-Coil)을 각각 준비하여, 실리콘 바인더 내에 분산할 수 있도록 기계적으로 혼합하여 주었다. 혼합 공정 후, 혼합물은 시트 형상으로 금형공정을 이용하여 성형하였으며, 이 때 시트 형상의 두께는 0.8~3 mm 의 범위에서 다르게 준비하였다. 또한 상부 사각형의 면적은 300mm×300mm로 제작하였으며, 콘벡션 오븐(Convection Oven)에서 약 130℃의 온도로 20분간 열처리하여 경화함으로써 전자기파 흡수체를 제조하였다.

이렇게 제조된 전자기파 흡수체의 특성 평가는 전자기파 투과량 측정 장치(Agilent E8364A PNA type vector network analyzer)를 이용하여 복합투자율과 복합유전투과상수를 측정하였다.

도 4는 흑연(grahpite) 분말을 실리콘 고무 바인더에 분산 혼합하여 제조한 두께 1mm 인 전자기파 흡수체의 흡수특성을 보여준다. 약 24GHz와 44GHz 의 주파수에서 큰 흡수특성을 보이며, 흑연분말의 중량 비율이 커질수록 흡수특성이 높아짐을 알 수 있다. 흑연 분말의 중량 %가 3%, 20%, 26%로 증가할수록 3%에서는 특별한 흡수 피크를 보이지 않다가, 20%에서는 최대 -7dB, 26%에서는 -10dB의 반사손실을 나타낸다. 반사손실이란 즉, 흡수체에서 전자기파가 흡수된 량을 의미한다.

도 5는 흑연(grahpite) 분말을 실리콘 고무 바인더에 분산 혼합하여 제조한 흡수체 총 중량 대비 흑연분말의 중량%가 20%인 경우의 흡수체의 두께를 1,2,3 mm로 변화시켰을 때의 전자기파 흡수특성을 보여준다. 흡수체의 두께가 증가할수록 전자기파 흡수특성이 높아짐을 알 수 있다. 이는 흡수체의 흡수두께가 증가함에 따른 당연한 결과로, 실제 차량용 레이더에서 사용될 수 있는 두께에서 최대 -22.5dB의 반사손실을 나타내며, 24GHz의 주파수에서는 3mm 두께에서 약 -15dB의 반사손실을 나타내었다.

도 6은 CMC(Carbon Micro-Coil)를 실리콘 고무 바인더에 분산 혼합하여 제조한 흡수체와 흑연(grahpite) 분말을 실리콘 고무 바인더에 분산 혼합하여 제조한 흡수체의 전자기파 흡수특성을 비교하여 나타낸 것이다. 흡수체의 두께는 모두 1mm로 동일하게 제조하였으며, S11(dB)는 반사손실을 나타내는 변수로 일반적으로 'S parameter'로 명명되어지기도 한다. 흑연 분말의 중량 %가 20%인 경우보다도 CMCCMC(Carbon Micro-Coil)의 중량 %가 3%로 훨씬 낮음에도 불구하고 반사손실은 훨씬 더 크게 일어났으며, 이로부터 CMC(Carbon Micro-Coil)의 전자기파 흡수특성이 훨씬 더 우수하다는 것을 알 수 있다.

도7, 도8은 각각 흑연분말만, CMC(Carbon Micro-Coil)만, 흑연분말과 CMC를 함께 실리콘 고무 바인더에 혼합하여 제작한 전자기파 흡수체의 주파수에 따른 유전상수와 유전손실계수 값의 변화를 나타낸 데이터이다.

특히 도 8은 유전손실계수가 흑연분말만 20 중량%로 혼합된 경우보다, 흑연분말 17 중량%에 CMC(Carbon Micro-Coil)가 3 중량% 함께 혼합된 경우에 약 2배 이상의 큰 유전 손실계수를 얻을 수 있으며, 이는 결국 전자기파 흡수 특성이 매우 크게 증가함을 의미한다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

100 : 전자기파 흡수체
200 : 바인더
300 : 탄소 계열 물질
310 : CMC(Carbon Micro-Coil)

Claims (12)

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7. 전자기파 흡수체의 제조방법에 있어서,
   (i)바인더와 흑연 분말 및 CMC를 준비하는 단계,
   (ii)상기 바인더 내에 상기 흑연 분말 및 CMC를 첨가하고, 상기 바인더 내에 분산하여 혼합시킴으로써 혼합물을 형성하는 단계,
   (iii)상기 혼합물을 금형 또는 닥터 블레이드 공정을 이용하여 시트(sheet) 형상으로 성형하는 단계,
   (iv)상기 시트(sheet) 형상으로 성형된 혼합물에 열처리함으로써 시트(sheet) 형상의 전자기파 흡수체를 제조하는 단계,
   를 포함하며,
   상기 바인더는 염소화폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌디메틸, 실리콘 고무, 아크릴 수지, 아미드계 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 에틸렌-프로필렌 고무, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리우레탄 수지, 니트릴-부타디엔계 고무 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하고,
   상기 혼합물의 총중량 대비 상기 흑연의 첨가비는 17 중량% 이며, 상기 혼합물의 총중량 대비 상기 CMC의 첨가비는 3 중량% 이고,
   상기 CMC 는 3차원적인 나선 형상으로 직경 3~5 μm, 길이는 0.1~1.0 mm 이며,
   상기 CMC에서 스프링을 이루는 탄소섬유(carbon fiber)의 직경은 1~3 μm 이고,
   상기 (iv)단계의 상기 열처리 온도는 50 내지 150℃이고, 열처리 시간은 0.5 내지 30 분인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 제조방법.
   
   
   
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