KR101528667B1

KR101528667B1 - 전자파 흡수체

Info

Publication number: KR101528667B1
Application number: KR1020130080311A
Authority: KR
Inventors: 케이타 히로세; 타카시 오노
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-06-15
Also published as: JP5583718B2; US9276326B2; EP2685801A2; CN103539401A; US20140132439A1; KR20140007769A; CN103539401B; EP2685801A3; JP2014017424A

Abstract

전자파 흡수체는 시멘트 및 탄소나노튜브를 포함하고, 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 복소 비유전율의 절대값이 2.0 ~ 10.0의 범위이고, 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 손실 계수의 최소값이 0.35 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

전자파 흡수체{ELECTROMAGNETIC WAVE ABSORBER}

본 발명은 전자파 흡수체에 관한 것으로, 특히 마이크로파 및 밀리미터파용 무향실(anechoic chamber)에 사용되는 전자파 흡수체에 관한 것이다.

전자기기나 통신기기와 같은 많은 전자파 발생원을 갖는 환경에서는, 다양한 주파수의 전자파가 방출된다. 이러한 기기에서 방출되는 전자파는 주변 장치에 오작동을 일으킬 수 있거나, 그 기기 자체가 임의의 관련 없는 전자파에 의해 오작동을 일으킬 수 있다고 지적되었다. 따라서, 이러한 타입의 기기는 설계 및 개발 단계에서부터 전자파 적합성(electromagnetic compatibility, 이하 "EMC"라고 함)을 갖도록 요구된다.

유비쿼터스 시대의 도래에 따라, 마이크로파 및 밀리미터파를 사용하는 전자기기 및 통신기기가 증가하고, 저 주파수 대역의 사용에서 고 주파수 대역의 사용으로 이행이 진행되고 있다. 고 주파수 대역을 사용하는 기기의 예로는 4세대 휴대전화(5~6GHz), 초고속 무선 LAN(60GHz) 및 차량용 밀리미터파 레이더(77GHz)를 포함한다. 또한, 마이크로파 및 밀리미터파의 사용은 항공 우주 프로젝트에서 마이크로파 에너지 전송 시험이나 군사 관련 애플리케이션에서 사용되는 대전력 방출 레이더 시스템을 포함하는 넓은 분야에서 증가하기 시작하고 있다.

종래 전자파 장해(electromagnetic interference, EMI)에 관한 규격에서 대부분의 설정 주파수는 1GHz 이하였으나, 전자기기 및 통신기기에서 고 주파수를 사용하는 경향에 따라, 주파수가 최근 약 18GHz 정도까지 연장되고 있다. 본격적인 유비쿼터스 사회의 도래 이전에, 더 높은 주파수 대역에서의 EMI 측정을 수행하는 것이 제조업자들에게 의무 지워질 것이라고 예상된다.

무향실의 안정성의 관점에서, 최근 전자파 흡수체(이하에서, "전파 흡수체" 또는 단순히 "흡수체"라고 함)는 불연성을 갖도록 요구되어 왔다. 특히, 상술한 마이크로파 에너지 전송 시험이나 대전력 방출 레이더 시스템 시험과 같이 대전력을 방출하는 무향실에서, 전파 흡수체가 방사(radiation)에 의해 발열하고, 손상을 받고, 그 흡수 성능이 저하될 가능성이 있다. 또한, 흡수체가 점화하거나, 피시험 장치가 발열, 발화하여 흡수체에 불이 붙는 것을 야기할 수 있다는 점이 지적되고 있다.

이러한 배경으로부터, 일반적인 전자 부품에서 특별한 대전력 시스템에 이르기까지 마이크로파 및 밀리미터파 제품의 넓은 대역의 EMC 평가를 허용하는 마이크로파 및 밀리미터파용 안전한 무향실이 요구되고 있다. 따라서, 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 우수한 방사 흡수 성능을 나타내고 대전력 방출 시험을 견디는 전파 흡수 재료가 요구되고 있다. 전파 흡수 재료에 대해 지금까지 복수의 제안이 있었다.

예를 들어, 일본특허 제4697829호는 매트릭스 중에 강자성 재료로 피복되지 않은 탄소나노튜브가 주어진 방향으로 정렬되고 그 매트릭스로 구성된 재료로 성형된 탄소나노튜브 합성물을 제안한다. 탄소나노튜브가 임의로 분포하는 탄소나노튜브 합성물 재료와 비교할 때, 제안된 재료는 더 작은 양의 탄소나노튜브로 높은 전기 도전도를 갖고 전파 흡수에 있어 이방성을 나타내어, 전파 흡수에 유용하다고 기재되어 있다. 그러나, 일본특허 제4697829호에 기재된 구조로는 마이크로파 및 밀리미터파의 넓은 주파수 대역에서 우수한 전파 흡수 특성을 얻기가 어렵다. 일본특허 제4697829호에 따르면, 고려된 매트릭스 재료는 열가소성 수지, 경화 수지, 고무 및 열가소성 엘라스토머와 같은 유기 재료이다. 이러한 매트릭스 재료로는 대전력 방출 시험을 견디는 전파 흡수체를 제공하는 것을 실현할 수 없다.

일본공개특허공보 제2005-231931호는 미리 결정된 평균 두께와 주 평면에서 미리 결정된 최소 두께를 갖는 편상(flaky) 산화철 입자를 수화 고정가능한 무기 재료(inorganic water settable material)와 혼합하고, 이 혼합물을 성형하여 얻어지는 시멘트 기반 전파 흡수체를 개시한다. 이 전파 흡수체는 기가 헤르츠(GHz) 단위의 고 주파수 대역에서 안정적인 흡수 특성을 나타내고 큰 유전 상수와 고 유전 손실을 갖는 가볍고 얇은 디자인으로 설계될 수 있다고 설명되었다. 또한, 이 전파 흡수체는 불연성을 갖고 자외선에 의한 노화가 없으며 장시간 실외 사용도 견딜 수 있다고 설명되었다.

무기 재료로 주로 구성된 일본공개특허공보 제2005-231931호의 전파 흡수체 구조는 불연성이고 내전력 성능이 우수하기 때문에, 대전력 방출 시험에 사용하기에 적합하다. 그러나, 주요 성분으로 자성 재료를 사용하기 때문에, 전파를 흡수하기 위한 전파 흡수체의 주파수 대역은 수십 기가 헤르츠로 제한된다. 즉, 전파 흡수체는 1 ~ 110 GHz의 넓은 마이크로파 및 밀리미터파 대역에 걸쳐 우수한 전파 흡수 성능을 얻을 수 없다.

따라서, 지금까지는, 광범위한 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 우수한 전자파 방사 흡수 특성을 갖고, 불연성과 높은 내전력성을 갖는 전파 흡수체를 얻을 수 없었다.

일본특허 제4697829호 일본공개특허공보 제2005-231931호

이러한 상황을 고려하여, 본 발명의 목적은 넓은 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 우수한 전파 흡수 특성과, 불연성 및 내전력성을 갖는 전파 흡수체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자들은 우수한 전파 흡수 특성을 나타내는 1 내지 110GHz의 주파수 대역에서 복소 비유전율(complex relative permittivity)의 제어된 절대값 [(ε'² + ε"²)^0.5] 및 제어된 손실 계수(dissipation factor)(tan δ)를 갖는 전파 흡수체를 발견했다. 본 발명인 이러한 발견에 기초하여 이루어진 것이다. 본 발명은 시멘트와 탄소나노튜브를 포함하는 전파 흡수체로, 1 내지 110GHz 주파수 대역에서 복소 비유전율의 절대값 [(ε'² + ε"²)^0.5]이 2.0 내지 10.0 범위이고, 상기 주파수 대역에서 손실 계수((tan δ)가 0.4 이상이고, 상기 탄소나노튜브의 함유율이 전자파 흡수체 전체의 질량에 대해 2 ~ 10 질량%인 전파 흡수체를 제공한다.

본 발명의 전파 흡수체는 시멘트 재료의 공극의 물 중에 존재하는 이온에 의한 이온 전도와 전파 흡수 재료인 복수의 탄소나노튜브에 의해 형성된 전기 도전 경로에 기초하여, 작은 양의 탄소로 우수한 전기 도전 특성을 나타낸다. 전파 흡수체의 시멘트 메트릭스에는, 전기적으로 상호 절연되고 각각 복수의 탄소나노튜브로 형성된 전기 도전 경로가 형성되어, 저항 손실 및 유전 손실에 의한 우수한 유전 특성을 나타내는 저항/커패시터(콘덴서) 혼합 구조가 제공된다. 전파 흡수체의 전파 흡수 특성과 관련하여, 수 GHz ~ 수십 GHz의 주파수 대역에서 유전 특성이 지배적인 반면, 수십 GHz ~ 수백 GHz의 주파수 대역에서는 전기 도전 특성이 지배적이다. 본 발명에서, 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 전파 흡수체의 복소 비유전율의 절대값 및 손실 계수는 상술한 각 범위가 되도록 조정되어, 전기 도전 특성 및 유전 특성을 제어한다. 그 결과, 특히 1 ~ 110GHz의 넓은 주파수 대역에서 우수한 전파 흡수 특성이 얻어진다.

도 1은 본 발명에 따른 전파 흡수체의 실시예를 나타내는 것으로, 도 1(A)는 상면도, 도 1(B)는 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 전파 흡수체의 다른 실시예를 나타내는 것으로, 도 2(A)는 상면도, 도 2(B)는 사시도를 나타낸다.

본 발명의 전파 흡수체는 탄소나노튜브와 시멘트를 주성분으로 하여 구성된다.

일반적으로, 시멘트는 물과 수화 반응을 통해 하드 메스(hard mass)로 된다. 하드 메스의 공극은 Na⁺, K⁺, Ca² ⁺ 및 OH^- 등의 이온을 포함하는 자유수(free water)를 함유한다. 이러한 이온의 존재는 전기 도전성을 발현시킨다. 탄소나노튜브가 고 체적 밀도를 갖는 전기 도전성의 섬유 재료이기 때문에, 매트릭스에서 서로 쉽게 접속하여 전기 도전 경로를 형성한다. 이러한 이유로, 본 발명의 전파 흡수체는 탄소나노튜브의 감소된 양으로도 우수한 전기 도전 특성을 나타낸다.

탄소나노튜브의 양을 감소시킬 수 있기 때문에, 복수의 탄소나노튜브의 접속에 의해 형성되는 전기 도전 경로들이 본 발명의 전파 흡수체에서 시멘트 메트릭스에 의해 서로 전기적으로 절연된다. 이 구성은 전기 에너지를 저장하는 저항 및 커패시터(컨덴서)로 구성된 혼합 구조를 제공한다. 이러한 혼합 구조는 저항 손실 및 유전 손실이 발현되어, 우수한 유전 특성이 얻어진다. 탄소나노튜브는 그 자체가 높은 에스펙트비(aspect ratio)를 갖으므로, 도전 경로를 형성하는 접속된 나노튜브들은 훨씬 더 높은 에스펙트비를 갖는다. 그 결과, 각 커패시터는 우수한 유전 특성을 발현할 수 있는 증가된 양의 전기 에너지를 저장할 수 있다.

전파 흡수체의 전자파 흡수 특성과 관련하여, 수 GHz 내지 수십 GHz의 주파수 대역에서는 유전 특성이 지배적인 반면, 수십 GHz 내지 수백 GHz의 주파수 대역에서는 전기 도전 특성이 지배적이다. 시멘트와 탄소나노튜브를 함유하는 본 발명의 전파 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 2.0 ~ 10.0 범위의 복소 비유전율의 절대값 [(ε'² + ε"²)^0.5]과 0.35 또는 그 이상의 손실 계수((tan δ)의 최소값을 갖는 것을 특징으로 한다. 상술한 구조에 따르면, 본 발명의 전파 흡수체는 시멘트/탄소나노튜브 복합체의 저항 손실 및 유전 손실에서 얻은 유전 특성에 기초하여 수 GHz 내지 수십 GHz의 주파수 대역에서 우수한 전파 흡수 특성을 나타낸다. 한편, 수십 GHz 내지 수백 GHz의 주파수 대역에서, 전파 흡수체는 시멘트 메트릭스의 공극 내의 물에 존재하는 이온에 의한 이온 전도와 탄소나노튜브로 형성된 전기 도전 경로에 의해 발현된 전기 도전 특성에 기초하여 우수한 전파 흡수 특성을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 전파 흡수체는 1 ~ 110GHz에 이르는 넓은 주파수 대역에서 우수한 전파 흡수 특성을 보여준다.

복소 비유전율의 절대값이 2.0 이하이면, 전자파가 전파 흡수체를 투과하여 흡수되기 어려워지고, 바람직한 주파수 대역에서 충분한 전파 흡수 성능을 제공하지 못하는 결과를 가져온다. 또한, 복소 비유전율의 절대값이 10.0 이상이면, 흡수체가 방사파를 강하게 반사하여, 바람직한 주파수 대역에서 충분한 전파 흡수 성능을 나타내지 못하는 결과를 가져온다. 복소 비유전율의 절대값이 2.0 ~ 10.0의 범위에 있는 경우라도, 손실 계수의 최소값이 0.35 이하이면, 흡수체는 방사 에너지를 열 에너지로 전환하기 위한 전자파 방사를 흡수하는 기능을 충분히 발휘하지 못한다.

탄소나노튜브는 6개의 탄소로 이루어진 육각링의 네트워크(그래핀 시트(graphene sheet)라고 함)가 단일벽 원통형상 또는 동심의 다층벽 원통형상으로 둘러싸여져 형성된다. 일반적으로 탄소나노튜브는, 수 ~ 수십 nm의 직경, 수 μm의 길이에서 높은 에스펙트비를 갖는다고 알려져 있다. 탄소나노튜브는 높은 체적 밀도를 갖고 단섬유 형태에서 다른 카본 재료들에 비해 높은 열 도전성 및 전기 도전성을 갖는다. 더 좋은 전기 도전 특성 및 유전 특성을 얻기 위해, 전기 에너지의 많은 양을 저장할 수 있는 커패시터를 제공하기 위한 전기 도전 경로를 형성하도록 탄소나노튜브가 준비되는 것이 바람직하다. 더 구체적으로, 각 탄소나노튜브가 1 ~ 20μm의 길이를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 1μm 이하의 길이를 갖는 나노튜브는 전기적 경로를 형성하기 위해 서로 접속되기가 어렵고, 적은 양의 나노튜브로 충분한 전기적 도전 특성을 얻어지지 않는 경향이 있다. 20μm를 초과하는 길이를 갖는 나노튜브는 서로 얽히게 되어 분산성이 감소하기 쉽고, 적은 양의 나노튜브로 충분한 전기적 도전 특성을 발현하지 않는 경향이 있다. 종래의 카본 재료인 흑연과 카본 블랙은 그 미립자 형태로 인해 전기적 도전 경로를 형성하기 어렵고, 낮은 에스펙트비를 갖으므로 커패시터로서 전기적 에너지를 저장하기 위한 용량이 작다.

흡수체의 전체 질량에 대한 탄소나노튜브의 함유량은 2 ~ 10 질량%인 것이 바람직하다. 이 함유량에서, 전기적 도전 특성이 지배적인 수십 GHz 내지 수백 GHz의 주파수 대역에서 더 향상된 전파 흡수 성능을 나타내기 위한 전기적 경로가 나노튜브들에 더 쉽게 형성된다. 더욱이, 탄소나노튜브의 이 함유량에서, 탄소나노튜브는 서로 적절한 길이로 접속하여 증가된 에스펙트비를 갖는 전기적 도전 경로를 제공한다. 그 결과, 유전 특성이 지배적인 수 GHz 내지 수십 GHz의 주파수 대역에서 커패시터로서의 기능이 향성되고 전파 흡수 성능도 더욱 향상된다.

탄소나노튜브의 함유량이 1 질량% 미만인 경우, 탄소나노튜브에 의한 전기적 도전 경로는 충분한 전기적 도전 특성을 충분히 나타낼 만큼 형성되지 않아, 전파 흡수체는 전기적 도전 특성이 지배적인 수십 GHz 내지 수백 GHz의 주파수 대역에서 만족스러운 전파 흡수 성능을 제공할 수 없다. 또한, 시멘트 메트릭스에 분산된 탄소나노튜브의 접속은 충분한 유전 특성을 나타내기에 너무 적어지기 쉬워, 흡수체는 또한 유전 특성이 지배적인 수 GHz 내지 수십 GHz의 주파수 대역에서 만족스러운 전파 흡수 성능을 얻을 수 없다.

한편, 탄소나노튜브의 함유량이 10 질량% 이상인 경우, 전기적 도전 경로가 흡수체의 거의 대부분에 걸쳐 형성되어, 흡수체에 저항 및 커패시터를 제공하지 못하는 결과를 가져온다. 그 결과, 유전 특성이 지배적인 수 GHz 내지 수십 GHz의 주파수 대역에서 만족스러운 전파 흡수 성능이 얻어지지 않을 수 있다. 게다가, 전파 흡수체는 표면에 높은 카본 농도를 가질 수 있어, 전자파가 흡수되지 않고 반사되도록 하는 경향으로 전파 흡수 성능의 감소를 가져올 수 있다. 추가적으로, 필요 이상의 많은 양의 탄소나노튜브의 사용은 비경제적이다.

본 발명에서 사용될 수 있는 탄소나노튜브는 중공(hollow) 또는 중실(solid)일 것이다. 중공 탄소나노튜브는 단층의 탄소나노튜브(SWNTs) 및 다층의 탄소나노튜브(MWNTs)를 포함한다. 본 발명에서 사용될 수 있는 상업적으로 이용가능한 탄소나노튜브는 Showa Denko K. K.의 VGCF 및 VGCF-H와, CNano Technology, Ltd.의 Flo Tube 9000을 포함한다.

매트릭스로서 시멘트를 함유하는 본 발명의 전파 흡수체는 불연성, 내전력성이 있고 전자기장 내성 시험에 견딜 수 있다. 시멘트는 물과의 수화 반응를 통해 경화되기 때문에, 알루미나와 지르코니아 같은 세라믹 재료에 요구되는 1000℃ 이상의 소결(sintering) 없이 성형품이 얻어진다. 따라서, 수축에 기인한 치수 변화와 탄소나노튜브의 연소와 같이 소결과 관련된 문제점이 발생하지 않는다.

본 발명의 전파 흡수체의 매트릭스로 사용되는 시멘트는 특별히 제한되지는 않으나, 수경성(hydraulic) 시멘트 또는 기경성(air-hardening) 시멘트일 수 있다. 수경성 시멘트의 예로 포틀랜드 시멘트(즉, 보통, 조강, 저열 포틀랜드 시멘트), 혼합 시멘트(즉, 포틀랜드 고로 시멘트 또는 포틀랜드 플라이애시 시멘트), 및 알루미나 시멘트의 다양한 종류가 포함된다. 기경성 시멘트의 예로 석고 마그네시아 시멘트, 석회 및 마그네시아질 석회가 포함된다. 이 시멘트들 중 어느 것도 물과 수화 반응에 의해 경화하고, 경화체의 공극에는 Na^+, K⁺, Ca² ⁺ 및 OH^-와 같은 이온을 함유하는 잔류수가 존재한다. 이 이온들은 전기를 운반하는 역할을 하며, 경화된 시멘트 자체가 도전성을 갖는다. 따라서, 시멘트의 비를 증가시키기 위해 첨가되는 탄소나노튜브의 양이 감소할 수 있어, 전파 흡수체의 강도가 향상된다. 수경성 시멘트 및 기경성 시멘트 중 어느 것을 사용해도 무방하나, 실외에서 사용하는 것을 고려하면 습기에 강한 수경성 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다. 자갈, 유리 섬유 등이 매트릭스 강도를 증가시키기 위해 시멘트에 첨가될 수 있다.

본 발명의 전파 흡수체를 제조하는 방법에는 특별히 제한은 없다. 일반적으로 전파 흡수체는, 탄소나노튜브, 및 물과 같은 분산매를 시멘트 원료에 혼합하고, 이어서 슬러리를 마련하기 위해 교반하고, 시멘트 슬러리를 몰드에 붇고, 시멘트를 경화시키기 위한 시멘트의 경화 조건에 따라 온도와 습도를 조절하여 미리 결정된 시간 동안 시멘트를 경화시킨 후, 몰드로부터 경화체를 제거한다.

본 발명의 전파 흡수체의 형태는 특별히 제한되지는 않으나, 전자파 수신 측의 단부에서 타방의 단부를 향해 단위 체적 당 흡수체의 체적비가 증가하는 형태인 것이 바람직하다. 이러한 형태의 예로는 쐐기형, 피라미드형 및 원뿔형이 있다.도 1에 도시된 바와 같이 쐐기형 및 직각 피라미드가 바람직하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전파 흡수체는 판 형상부(1)와 판 형상부(1) 상에 격자로 배열(도 1의 실시예에서 방향마다 두 개씩)된 복수의 직각 피라미드부(2)로 구성될 수 있다. 따라서, 흡수체는 좋은 등방성을 갖도록 구성되고 원하는 넓은 주파수 대역에서 만족스러운 전파 흡수 특성을 나타낸다. 도 1의 기하학적 구조를 갖는 흡수체는 통상 앵커 파스너(anchor fastener)가 고정될 중심에서 인접하는 피라미드부(2)와 편평부(4) 사이에 일정 간격(갭, 3)을 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전파 흡수체는 인접한 피라미드의 직사각형 베이스의 짧은 측과 일 피라미트의 직사각형 베이스의 긴 측에 교호로 배열된 길쭉한 직사각형 피라미드(또는 길쭉한 직사각형 베이스를 갖는 쐐기 형상) 부분(5)으로 구성된 기하학적 구조를 갖는다. 이 배열에 따르면, 직사각형 피라미드 부분(5)은 앵커 패스너가 고정될 편평한 사각부(4)를 제공하는 한편, 베이스들 사이에 간극이 없이 배열된다. 이 기하학적 구조에 따르면, 피라미드부 사이의 편평한 간극 상의 전자기 방사의 반사가 최소화되기 때문에, 더 작은 크기의 전파 흡수체를 제공하고 넓은 주파수 대역에서 전자파를 효과적으로 흡수할 수 있다. 게다가, 도 2에 도시된 직사각형 피라미드 부분의 경우에, 베이스에 대한 경사각이 인접면들 사이에 다르기 때문에, 흡수체는 전자파의 경사 입사에 대해 우수한 흡수 성능을 나타낸다.

실시예

이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 더 자세히 설명하나, 이하의 설명은 예시적이며 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 다른 기재가 없는 한, 모든 '%'와 '부'는 '질량%/질량부'이다.

실시예1

표 1에 도시된 바와 같이, 100질량부의 포틀랜드 시멘트에 30질량부의 물과 2 질량부(얻어진 전파 흡수체의 전체 질량에 대해 2.0%)의 5μm의 길이를 갖는 탄소나노튜브를 첨가하고, 이어서 분산제와 함께 반죽(kneading)하여 슬러리를 준비한다. 슬러리를 몰드에 붇고 실온에서 경화(hardening)시켜, 180mm의 높이를 갖는 베이스의 각 측면이 50mm를 갖는 4개의 사각 피라미드들(방향마다 2개)이 100mm × 100mm × 15mm (두께)를 갖는 플레이트 상에 격자로 배열된, 도 1에 도시된 형태를 갖는 성형 블록(전파 흡수체)를 형성한다. 총 36개의 전파 흡수체가 이러한 방식으로 만들어져 600mm × 600mm가 되도록 격자로 배치된다. 이 흡수체의 어레이의 전자기 방사 흡수 성능은 이하에 설명하는 방법으로 측정되었다. 그 결과, 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 흡수체의 복소 비유전율의 절대값은 3.0 ~ 4.0이었고, 동일한 주파수 대역에서 흡수체의 손실 계수(tan δ)의 최소값은 0.5였다(표 2 참조). 복소 비유전율의 절대값 및 손실 계수(tan δ)는, 동축 도파관 방법(1 ~ 18GHz의 주파수 대역에 대해), 직사각형 도파관 방법(18 ~ 40GHz의 주파수 대역에 대해), 자유 공간 방법(40 ~ 110GHz의 주파수 대역에 대해)에 의한 S 파라미터 측정으로 결정되었다.

실시예2

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 흡수체의 전체 질량에 대한 탄소나노튜브 함량이 2%에서 10%로 증가한 점을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 7.0 ~ 10.0의 복소 비유전율의 절대값 및 0.75의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

실시예3

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브의 길이가 5μm에서 1μm로 변경된 것을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 2.0 ~ 3.5의 복소 비유전율의 절대값 및 0.4의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

실시예4

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브의 길이가 5μm에서 20μm로 변경된 것을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 2.0 ~ 3.5의 복소 비유전율의 절대값 및 0.45의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

실시예5

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 매트릭스 재료로서 포트랜드 시멘트를 알루미나 시멘트로 대체한 점을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 3.0 ~ 4.0의 복소 비유전율의 절대값 및 0.5의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

실시예6

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 매트릭스 재료로서 포트랜드 시멘트를 석고 마그네시아 시멘트로 대체한 점을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 3.0 ~ 4.0의 복소 비유전율의 절대값 및 0.5의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

비교예1

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 흡수 재료로서 탄소나노튜브를 흑연으로 대체한 점을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 2.0 ~ 3.0의 복소 비유전율의 절대값 및 0.1의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

비교예2

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 흡수체의 전체 질량에 대한 탄소나노튜브 함량이 2%에서 0.5%로 변한 점을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 1.0 ~ 3.0의 복소 비유전율의 절대값 및 0.2의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

비교예3

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 흡수체의 전체 질량에 대한 탄소나노튜브 함량이 2%에서 20%로 변한 점을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 3.0 ~ 18.0의 복소 비유전율의 절대값 및 0.45의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

비교예4

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브의 길이가 5μm에서 0.5μm로 변경된 것을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 2.0 ~ 4.0의 복소 비유전율의 절대값 및 0.15의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

비교예5

전파 흡수체는, 표 1에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브의 길이가 5μm에서 25μm로 변경된 것을 제외하고, 실시예1과 동일한 방식으로 제작 및 평가되었다. 그 결과, 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 2.0 ~ 4.0의 복소 비유전율의 절대값 및 0.2의 손실 계수의 최소값을 가졌다(표 2 참조).

전자파 방사 흡수 특성의 평가:

실시예1 내지 실시예6, 비교예1 내지 비교예5에서 얻어진 전파 흡수체의 전자파 방사 흡수 특성의 평가에서, 혼 안테나(horn antenna)에서 방출된 전자파 방사는 흡수체에 대해 수직이 되도록 유전체 렌즈에 의해 곧은 평면파로 변환된다. 평가 결과는 표 2에 도시되어 있다. 측정 주파수 대역은 1 ~ 110GHz로 했다.

표 2의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 흡수 재료로서 흑연을 사용한 비교예1의 흡수체는 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 복소 비유전율의 절대값은 2.0 ~ 3.0이었으나, 손실 계수의 최소값은 동일한 주파수 대역에서 0.1로, 충분한 방사 흡수 성능을 제공할 수 없다. 이는 입자상의 카본 재료인 흑연은, 흑연끼리 전기적 도전 경로를 형성하기 어렵고, 2%의 함유율로는 충분한 전기적 도전 특성을 제공하기 어렵기 때문이며, 흑연/시멘트 혼합체에서는 커패시터 기능에 의한 유전율 손실의 효과가 얻어지지 않기 때문이다.

이에 반해, 흡수 재료로서 탄소나노튜브를 사용한 실시예1의 흡수체는 1 ~ 110GHz 주파수 대역에서 복소 비유전율의 절대값이 3.0 ~ 4.0이고, 손실 계수의 최소값은 0.5로 증가하였으며, 1 ~ 110GHz의 전체 측정 주파수 대역에 걸쳐 25dB 이상의 우수한 방사 흡수 성능이 얻어진다는 것이 증명되었다. 탄소나노튜브의 함유량이 실시예1보다 증가된 실시예2에서는, 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 복소 비유전율의 절대값이 7.0 ~ 10.0으로, 손실 계수의 최소값이 0.75로 각각 증가하였고, 1 ~ 110GHz의 전체 주파수 대역에 걸쳐 실시예1의 흡수체보다 더 우수한 방사 흡수 성능을 나타내었다. 탄소나노튜브의 함유량이 실시예1보다 감소한 비교예2에서는, 복소 비유전율의 절대값이 1.0 ~ 3.0이었고, 손실 계수의 최소값이 0.2로 감소했으며, 1 ~ 110GHz의 전체 주파수 대역에 걸쳐 방사 흡수 성능이 실시예1에 비해 감소했다(특히, 5GHz 이하의 주파수 대역에서의 방사 흡수 성능은 20dB 이하였다). 이는 탄소나노튜브 함유량이 너무 적어, 전기적 도전 경로의 형성과 커패시터 기능의 형성이 불충분했기 때문이라고 볼 수 있다.

탄소나노튜브의 함유량이 실시예2보다 더 증가한 비교예3에서는, 손실 계수의 최소값은 0.45였으나, 복소 비유전율의 절대값이 3 ~ 18로, 본 발명에서 규정한 범위를 초과하였다. 비교예3의 흡수체는 5GHz 이상의 주파수 대역에서는 우수한 방사 흡수 특성을 나타냈으나, 1 ~ 3GHz의 주파수 대역에서는 충분한 방사 흡수 성능을 가지지 못했다. 이러한 결과는, 많은 양이 추가된 탄소나노튜브가 흡수체 전반에 전기적 도전 경로를 형성하여, 전기적 도전 특성이 지배적인 고 주파수 대역에서는 우수한 방사 흡수 특성이 얻어진 한편, 흡수체에 저항 및 커패시터를 형성하는 것을 실패했기 때문에, 유전 특성이 지배적인 저 주파수 대역에서는 방사 흡수 특성이 얻어지지 못한 것이 원인이 된다.

실시예3 및 실시예4의 흡수체는 각각 실시예1에 사용된 흡수체에 비해 줄어든 길이의 탄소나노튜브와 증가된 길이의 탄소나노튜브를 함유하고 있으며, 양자는 모두 목적으로 하는 전체 주파수 대역에서 우수한 방사 흡수 성능을 갖는 것이 확인되었다. 실시예3 및 실시예4에서, 1 ~ 110GHz 주파수 대역에서 복소 비유전율의 절대값 [(ε'² + ε"²)^0.5]은 2.0 ~ 10.0이었고, 동일한 주파수 대역에서 손실 계수(tan δ)의 최소값은 0.35 이상이었다. 탄소나노튜브의 길이가 각각 더 줄어들고 증가한 비교예4 및 비교예5에서는, 상기 주파수 대역에서 손실 계수(tan δ)의 최소값이 0.35 이하로, 본 발명이 규정한 범위 밖이었고, 흡수체는 3GHz 이하의 주파수 대역에서 충분한 방사 흡수 특성을 제공하는 데 실패했다.

또한, 매트릭스 재료로서 포틀랜드 시멘트를 각각 알루미나 시멘트 및 석고 마그네시아 시멘트로 대체한 실시예5 및 실시예6의 흡수체도 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 본 발명의 규정 범위에 속하는 복소 비유전율의 절대값과 손실 계수(tan δ)의 최소값을 갖고, 실시예1의 흡수체와 유사하게 우수한 방사 흡수 성능을 나타냈다.

따라서 이러한 결과로부터, 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 2.0 ~ 10.0 범위의 복소 비유전율의 절대값 [(ε'² + ε"²)^0.5]과 0.35 이상의 손실 계수(tan δ)의 최소값을 갖으며, 시멘트와 탄소나노튜브로 이루어진 전파 흡수체는 1 ~ 110GHz의 넓은 주파수 대역에서 우수한 방사 흡수 특성이 나타난다는 것을 확인할 수 있다.

Claims

시멘트 및 탄소나노튜브를 포함하고, 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 복소 비유전율의 절대값이 2.0 ~ 10.0의 범위이고, 1 ~ 110GHz의 주파수 대역에서 손실 계수가 0.4 이상이고, 상기 탄소나노튜브의 함유율이 전자파 흡수체 전체의 질량에 대해 2 ~ 10 질량%인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체.
삭제
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 길이가 1 ~ 20μm인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
바닥면이 장방형인 쐐기형상의 성형체 복수개를, 상기 성형체의 장변과 단변을 교대로 인접시켜 배치한 구성인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체.