KR101771891B1 - 전자기장 흡수 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기(EM)장 흡수 조성물, 특히 상업용 레이더의 주파수에서 흡수도를 제공할 수 있는 전자기장 흡수 조성물의 분야에 관한 것이다. 당해 조성물은, 특히 육상 및 해양 환경에서 사용하기 위한 윈드 터빈용 레이더 흡수 피복물로서의 특정 용도를 발견한다. 또한, 상기 조성물을 포함하는 피복된 표면들, EM 방사선을 흡수시키는 방법, 및 상기 조성물 중의 피복된 표면이 EM 방사선을 흡수할 수 있도록 상기 조성물을 사용하는 방법도 제공된다. 평균 최장 치수가 50 내지 1000㎛ 범위이고 두께가 1 내지 15㎛ 범위이며 비전도성 결합제 중에 0.5 내지 20용적%(건조) 범위로 존재하는 신장 탄소 요소들을 포함하는 전자기 방사선 흡수 조성물이 제공된다.

Description

전자기장 흡수 조성물 {Electromagnetic field absorbing composition}

본 발명은 전자기(EM)장 흡수 조성물, 특히 상업용 레이더의 주파수에서 흡수도를 제공할 수 있는 전자기장 흡수 조성물의 분야에 관한 것이다. 당해 조성물은, 특히 육상 및 해양 환경에서 사용하기 위한 윈드 터빈용 레이더 흡수(radar absorbing) 피복물로서의 특정 용도를 발견한다. 또한, 상기 조성물을 포함하는 피복된 표면들, EM 방사선을 흡수시키는 방법, 및 상기 조성물 중의 피복된 표면이 EM 방사선을 흡수할 수 있도록 상기 조성물을 사용하는 방법도 제공된다.

윈드 터빈은 레이더 시스템을 방해하여 기타 물체들의 탐지에서 오차를 발생시킨다. 레이더 시스템은 전자기 에너지의 펄스를 발사함으로써 작동하고, 펄스는 관리자가 탐지하려는 물체들(예를 들면, 항공기의 위치)로부터 반사되어 되돌아온다. 관리자는 클러터(clutter), 즉 원치않는 반향, 예를 들면 윈드 터빈 및 건축물로부터의 반사파 뿐만 아니라 기타의 배경 잡음으로부터 물체들을 구별해야만 한다. 따라서, 윈드 터빈 타워들로부터 반사되는 에너지를 감소시키는 경우, 이들이 레이더 시스템에 미치는 악영향이 감소될 수 있고, 이들의 용도가 증가하게 될 수 있다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 평균 최장 치수가 20 내지 1000㎛ 범위이고 두께가 1 내지 15㎛ 범위인 신장 탄소 요소(elongate carbon element)들을 포함하는 탄소 충전재를 포함하는 전자기 방사선 흡수 조성물이 제공되며, 여기서 상기 탄소 충전재의 총 함량은 비전도성 결합제 중에 1 내지 20용적%(건조) 범위로 존재함을 특징으로 한다.

본 발명의 흡수제는 통상적으로 대역폭이 1GHz 미만인 협대역 흡수제이기 때문에, 광대역 레이더 흡수를 필요로 하는 군사 분야의 용도에는 특히 적합하지 않다. 따라서, 신장 탄소 요소들과 같은 유전성 충전재들은 본 발명에 따른 조성물 중에 제공되는 경우 광대역 레이더 흡수 분야에 적합하지 않다.

본 명세서에서 용적 백분율은 최종 건조 조성물의 용적 백분율이다(즉, 용매가 존재하지 않는다). 그러나, 상기 조성물을 피복물의 형태로, 즉 하나 이상의 층으로 침착시키거나 도포하는 것을 용이하게 하기 위해 용매가 존재할 수 있다. 상기 조성물이 입사 방사선의 주파수에서 흡수하는 데 필요한 최종 건조 피복물 두께로 도포될 수 있도록 충분한 용매를 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 조성물은 도포되기 전에 액체 제형을 포함할 수 있으며, 도포된 후 바람직하게는 건조 피복물 형태로 존재할 것이다.

바람직하게는, 상기 신장 탄소 요소들은 1 내지 15용적%(건조), 더욱 바람직하게는 2 내지 10용적%(건조) 범위로 존재한다. 탄소 충전재의 총 함량은 상기 조성물 중 탄소 충전재의 총 용적%를 의미한다. 요구된 범위를 벗어나는 양의 탄소 충전재를 첨가하는 경우 오히려 미립자들의 중첩과 반사를 초래할 수 있다.

상기 신장 탄소 요소들은 50 내지 750㎛ 범위, 바람직하게는 50 내지 500㎛ 범위, 더욱 바람직하게는 100 내지 300㎛ 범위, 특히 더 바람직하게는 100 내지 150㎛ 범위의 평균 최장 치수를 갖는다(정규 분포라고 가정한다). 가공 방법들이 기타의 요소 크기 분포들을 발생시키는 경우, 신장 탄소 요소들의 25중량% 이하가 500㎛를 초과해야 한다. 50 내지 300㎛ 범위를 갖고 0.5 내지 20% 범위로 존재하는 상기 신장 탄소 요소들은 입사 방사선을 반사시키기 보다는 방사선을 흡수할 것임이 성공적으로 입증되었다.

상기 신장된 탄소 요소들은 바람직하게는 1 내지 15㎛ 범위의 평균 두께, 더욱 바람직하게는 1 내지 10㎛, 또는 심지어 5 내지 10㎛ 범위의 평균 두께를 갖는다. 바람직한 배열에서, 상기 신장 탄소 요소들은 평균 두께 대 평균 최장 치수 비율이 1:10 내지 1:25이다. 아래에 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 구형 입자들과, 연속 섬유를 초핑(chopping)하여 통상적으로 4㎜ 내지 6㎜(4000 내지 6000㎛) 부분의 섬유를 생성함으로써 제조되는 것들과 같은 초핑된 탄소 섬유들은 통상적으로 반사성 조성물을 제공하기 때문에, 구형 및 초핑된 탄소 타입은 둘 다 바람직하지 않다.

상기 신장 탄소 요소들은 임의의 단면 형상을 가질 수 있으며, 바람직하게는 신장 탄소 요소는 탄소 섬유이다. 탄소 섬유는 통상적으로는 원하는 길이로 기계 가공되는 실질적으로 원통형인 연속 섬유로부터 제조된다. 바람직하게는, 상기 신장 탄소 요소는 원하는 길이로 기계 가공된 탄소 섬유이다. 본 발명에 따른 바람직한 범위의 신장 탄소 요소를 제조하는 데 통상적으로 사용되는 기계 가공 방법은 밀링(milling)이다.

본 발명에 따른 건조된 조성물의 피복물은 윈드 터빈, 특히 해양 환경에 위치하는 윈드 터빈을 위한 협대역 레이더 흡수 피복물을 제공하는 데 특히 적합하다. 당해 조성물은, 예를 들면 윈드 터빈과 같은 표면에 선택된 두께로 도포되는 경우 레이더 반사를 감소시킬 수 있다. 이들 반사의 감소는 인접한 항공 교통 관제(ATC), 방공(ADR), 기상학(MR) 및 선박 항해 레이더(MNR)의 조작에 대한 구조물의 영향을 감소시킨다. 본 발명에 따른 조성물은 공지된 지역적 출처로부터의 공지된 레이더 주파수를 흡수하기 위한 특정 용도를 발견함으로써, 윈드 팜(wind farm)과 같은 재생 에너지 시스템들을 기존의 레이더 시설들 인근에 더욱 용이하게 설치할 수 있도록 한다.

통상의 레이더 흡수 재료들은 강자성 재료들을 함유하는 제형들을 포함하고 있어서, 이들은 사용기간 동안 부식에 매우 취약하다. 따라서, 본 발명의 이점은 신장 탄소 요소들이 공기 및 습기와 반응할 수 없기 때문에 상기 흡수 조성물이 부식되지 않는다는 것이다. 녹의 형성은 염수의 존재하에 가속되는 것으로 잘 알려져 있으며, 따라서, 본 발명에 따른 조성물은 해안 환경에 특히 유용하다.

전자기 흡수 조성물들은 조성물 내의 전자기적 활성 재료들에 의존하여 충돌하는 전자기장과 상호작용한다. 전자기적 활성 재료들의 가공은 복잡하며, 이들이 입사 전자기장과 관계된 시간 변동성 전기 및 자기장 성분들과 상호작용할 수 있도록 상기 재료들 내의 전기 및 자기 성분들에 대한 제어를 필요로 한다. 본 발명에 따른 조성물은 재료 내의 자기 성분의 어떠한 제어도 필요로 하지 않는다.

레이더 흡수 재료(RAM: Radar Absorbing Material)들의 전자기적 요건들은 잘 정립되어 있다. 제1 요건은 전면 반사를 최소화함으로써 구조물에 도입되는 전자기 방사선을 극대화하는 것이다. 이는, 완전 임피던스 정합 조건(perfect impedance match condition)으로부터 유도되는 바와 같이, 복소 유전율 ε 및 복소 투자율 μ의 실수 성분들과 및 허수 성분들이 각기 동일한 경우에 달성된다. 제2 요건은 일단 방사선이 재료에 도입되면 신호가 충분히 감쇠되는 것이다. 이 조건은 높은 값의 허수 유전율 및 투자율에 대해 충족되는데, 정의에 의하면 이들은 각각 유전 손실 및 자기 손실에 기여도를 제공한다. 본 발명은 신장 탄소 요소의 평균 최장 치수(즉, 길이)와 상기 조성물 내의 이의 함유율의 좁은 선택에 의한 유전 손실의 이용 및 제어에 관한 것이다.

건조 조성물의 피복물 두께는 바람직하게는 입사 방사선의 공진 주파수의 파장의 λ/3 내지 λ/5 범위, 더욱 바람직하게는 입사 방사선의 공진 주파수의 파장의 사분의 일(λ/4) 영역에서 선택될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 하나 이상의 건조 피복물을 포함하는 레이더 주파수 흡수 표면, 구조물 또는 몸체 또는 이들의 부분들이 제공된다. 바람직한 배열에서, 상기 피복물의 두께는 흡수하고자 하는 입사 방사선의 공진 주파수의 파장의 사분의 일(λ/4)이다.

더욱 정확하게는, 하기 수학식 I의 상관관계가 관찰된다.

수학식 I

상기 수학식 I에서,

λ는 건조 조성물의 피복물 중의 파장에 해당하고,

λ₀는 자유 공간 파장이며,

ε 및 μ는 본 발명에 따른 건조 조성물의 피복물의 유전율 및 투자율이다.

탄소 섬유는 어떠한 자기 특성도 갖지 않기 때문에, 명목상 탄소 섬유에 대한 투자율은 대략 1(자유 공간)이다.

본 발명에 따른 건조 조성물의 피복물의 고유 유전 특성들은 복소 유전 상수 또는 유효 유전율에 의해 설명될 수 있다.

ε(ω) = ε'(ω)- i.ε"(ω)

상기 식에서,

ε' 및 ε"는 각각 유전율 ε의 실수 성분 및 허수 성분이고,

i는

이다.

용어 ε'는 에너지 저장과 관련이 있고, ε"는 재료 내에서의 에너지 손실 또는 소멸과 관련이 있다. EM 방사선 또는 마이크로파 방사선을 흡수하는 능력은 수득되는 유전율의 최적의 실수 및 허수 성분들에 좌우된다.

본 발명에 따른 건조 조성물의 피복물의 유전 특성들은 상기 피복물 내에 형성된 미세구조물에 따라 달라진다. 구형 탄소 입자들은 복합 구조물 내에 분리된 클러스터들을 형성하는 경향이 있는데, 이는 전자기파의 흡수에 불충분한 비교적 낮은 전도성 및 유전 손실(ε")을 초래한다. 평균 길이가 4㎜를 초과하는 초핑된 탄소 섬유의 사용은 전기적으로 연결된 네트워크를 유도하기 위해 비교적 낮은 부하량(<1용적%)을 필요로 하며, 흡수보다는 반사를 수반한다. 따라서, 구형 입자들과 평균 길이 4㎜ 초과의 탄소 섬유들은 둘 다 효과적인 흡수 조성물을 제공하는 데 적합하지 않다.

본 발명에 따른 조성물의 건조 피복물의 필요한 두께는 앞서 언급한 바와 같이 입사 방사선의 주파수/파장에 따라 선택된다. 두께를 신중하게 제어하기 위해, 상기 조성물의 피복물은 제어된 조건하에 선택된 두께로 제조되는 아플리케 필름

형태로 캐스트(cast)될 수 있다. 또는, 당해 조성물은, 예를 들면 분무, 롤러링 또는 브러싱과 같은 공지된 방법들에 의해 기존의 구조물, 예를 들면 윈드 터빈에 직접 도포될 수 있다. 바람직한 배열에서, 상기 도포는 각각의 연속 층이 선행되는 층에 실질적으로 직각으로 도포되도록 수행된다. 이는, 상기 제형이 제조되거나 혼합되는 동안에 신장 탄소 요소들이 어느 정도 정렬을 받게 되면, 직각 방향으로 도포되는 후속 도포물이 입사 방사선의 모든 편극 배향에서 흡수를 최대화할 것이라는 이점을 제공한다.

추가의 배열에서, 탄소 충전재의 총 함량(용적%)은 각각의 연속 도포 층에서 상이할 수 있으며, 이 또한 앞서 정의된 바와 같이 직각 방향으로 도포될 수 있다.

다수의 구조물들 및 특히 윈드 터빈 타워들은 다량의 금속을 함유하거나 거의 전적으로 금속으로 구성되어 있기 때문에, 레이더의 방해를 초래한다. 상기 구조물의 표면이 금속인 경우, 상기 금속 구조물은 반사성 배면판(backplane)을 제공하도록 작용하기 때문에, 본 발명에 따른 조성물을 금속 표면에 직접 도포할 수 있다.

상기 표면, 구조물 또는 몸체가 실질적으로 금속으로 구성되지 않은 경우, 바람직하게는 상기 표면, 구조물 또는 몸체와, 적어도 하나의 본 발명에 따른 건조 피복물 사이에 전자기 반사성 배면판이 제공된다. 따라서, 구조물, 예를 들면 윈드 터빈 타워의 외부 표면이 실질적으로 금속으로 제조되지 않고, 인근의 레이더의 방해가 존재하는 경우에는, 상기 타워의 표면 위에, 즉, 구조물의 표면과 본 발명에 따른 조성물 사이에 EM 반사성 배면판, 예를 들면 EM 반사성 피복물, 금속 호일 또는 전자기(EM) 차폐용 페인트를 직접 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 EM 차폐용 페인트의 한 예는 본 출원인의 PCT 출원 GB 제2009/000226호이다.

상기 비전도성 결합제는 임의의 시판 결합제로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 이는 아크릴레이트 결합제(예를 들면, 메틸 메타크릴레이트 MMA), 아크릴 결합제, 에폭시 결합제, 우레탄 및 에폭시에 의해 개질된 아크릴 결합제, 폴리우레탄 결합제, 개질된 알키드일 수 있는 알키드계 결합제, 또는 플루오로중합체계 결합제들, 바람직하게는 2성분 폴리우레탄 결합제로부터 선택될 수 있다.

명백하게, 통상의 페인트 제형들에 일상적으로 사용되는 결합제, 증점제 및 분산제는 휘발성이 아니며, 따라서 통상적으로는 경화, 즉, 건조 공정 동안 소실되지 않을 것이다. 결합제와 달리, 침착 또는 도포를 보조하기 위해 첨가되는 용매는 건조 공정 동안 증발될 수 있다.

도포 동안 유동을 개선시키고 상이한 표면들에 대한 상기 조성물의 접착성을 개선시키기 위해, 다수의 증점제 및 용매, 예를 들면 페인트 제형에 일상적으로 사용되는 것들과 같은 증점제 및 용매가 조성물에 첨가될 수 있다.

다수의 구조물들은 보기좋은 시각적 외관을 제공하기 위해 페인팅된다. 본 발명에 따른 조성물은 적합한 장식용 페인트로 오버 페인팅(over painting)될 수 있다. 상기 조성물의 최상단 층이 선행되는 층보다 더 낮은 탄소 용적%를 갖는, 바람직하게는, 예를 들면 시판의 비-EM 흡수 페인트와 같이 최상단 층이 실질적으로 탄소를 갖지 않는 경우에 특정한 이점이 발견된다. 비-EM 페인트는 더 낮은 유전율을 가질 것이며, 따라서 자유 공간에 대해 더 우수한 임피던스 정합을 제공한다. 이는 전면에서의 방사선의 반사를 감소시킴으로써 흡수층으로 더 많이 투과되어 흡수될 수 있도록 한다.

또 다른 배열에서, 본 발명에 따른 조성물은 페인트 안료를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 건조 용적의 2 내지 20용적% 범위, 바람직하게는 건조 용적의 5 내지 10용적% 범위로 존재한다. 상기 안료는 상기 조성물의 흡수 특성을 감소시키지 않고도 상기 조성물에 색을 제공하기에 충분한 양으로 존재할 것이다.

상기 페인트 안료는 바람직하게는 150 내지 500㎚ 범위의 평균 입도 직경, 더욱 바람직하게는 200 내지 250㎚ 범위의 평균 입도 직경을 갖는다. 상기 페인트 안료는 바람직하게는 1700을 초과하는 색조 감소력(tint reducing power), 바람직하게는 1900을 초과하는 색조 감소력을 가질 것이다. 상기 페인트 안료는 임의의 불투명한 페인트 안료일 수 있으며, 더욱 바람직하게 페인트 안료는 TiO₂이다. 상기 페인트 안료는 광택 효과를 제공하고, 본 발명에 따른 조성물 위에 장식용 컬러 페인트를 오버 페인팅할 필요를 줄여줄 수 있다. 1700 이상의 색조 감소력, <18%의 표면 처리 및 230㎚의 결정 크기를 갖는 TiO₂ 등급을 사용하는 것이 바람직하며, 알루미나-지르코니아 표면 처리(< 7%)를 갖고, 1900의 상대적 색조 감소력, 2.7의 굴절 지수 및 220㎚의 평균 결정 크기를 갖는 고 불투명성 TiO₂ 안료가 바람직하게 사용된다. 이들 고 불투명성 등급의 TiO₂는 개선된 분산 특성을 나타낸다.

상이한 유색 페인트들을 제공하기 위해, 추가의 안료 및/또는 염료를 상기 조성물에 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 백색이 아니거나 유색인 하나 이상의 추가의 안료들이 상기 조성물에 첨가될 수 있으며, 이러한 추가의 안료로는, 예를 들면, 금속 산화물, 프탈로시아닌 또는 아조 안료 등과 같은 무기 또는 유기 안료들이 포함될 수 있다.

표면, 몸체 또는 구조물 상의 건조 조성물의 피복 정도는 상기 표면, 몸체 또는 구조물의 반사 성질의 정도에 따라 달라질 것이다. 상기 표면, 몸체 또는 구조물 전체가 조성물로 피복되는 경우에 더 큰 흡수율이 달성될 것이라는 사실은 당업자에게 자명할 것이다.

따라서, 표면, 구조물 또는 몸체 또는 이들의 부분들에 대해, 선택된 주파수의 전자기 방사선의 흡수를 제공하는 방법이 추가로 제공되며, 상기 방법은, 선택된 주파수를 결정하는 단계, 상기 표면, 구조물 또는 몸체 또는 이들의 부분들의 제1 면 및 임의로 제2 면에, 본 발명의 조성물의 하나 이상의 피복물을 상기 주파수를 선택적으로 흡수하는 두께로 도포하거나, 상기 주파수를 선택적으로 흡수하는 두께를 갖는 아플리케 필름으로 도포하는 단계를 포함한다.

상기 흡수는 인근 레이더 출처의 선택된 주파수에서만 일어나야 할 것이다. 통상의 레이더 시스템들은 광대역보다는 매우 정밀한 주파수에서 조작된다. 상기 주파수는 통상적으로 0.1 내지 20GHz 범위 내에 존재한다.

따라서, 선택된 주파수의 전자기 방사선을 흡수할 수 있는 피복물을 제공하기 위해, 표면, 구조물 또는 몸체 또는 이들의 부분들에 본 발명에 따른 조성물이 선택된 두께로 도포되는 본 발명에 따른 조성물의 용도가 제공된다.

본 발명의 양태들을 첨부된 도면들을 참조로 하기 실시예를 통해 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 3가지 상이한 종횡비의 탄소 요소들에 대한 유전율의 실수 성분 및 유전율의 허수 성분(유전 손실)의 그래프를 각각 도시한 것이다.

도 2a 내지 2e는 다양한 충전 용적 백분율로 폴리우레탄(PU)에 분산된 밀링된 탄소 섬유들의 유전율의 그래프들을 도시한 것이다.

도 3은 0.5용적%로 PU에 분산된 밀링된 탄소 섬유들로 구성된 시료를 통한 반사 및 투과의 그래프를 도시한 것이다.

도 4는 20용적%로 PU에 분산된 밀링된 탄소 섬유들로 구성된 시료를 통한 반사 및 투과의 그래프를 도시한 것이다.

도 5는 3GHz 흡수제의 반사율의 그래프를 도시한 것이다.

도 6은 9.4GHz 흡수제의 반사율의 그래프를 도시한 것이다.

도 1a 및 1b로 돌아가서, 도 1a는 (i) 왁스 중 20용적%의 구형 입자들(라인 1a), (ii) PU 중의 6용적%의 본 발명에 따른 탄소 섬유들(라인 2a) 및 (iii) PU 중의 1용적%의 초핑된 섬유들(라인 3a)에 대한 유전율의 실수 성분의 그래프를 도시한 것이다. 상기 구형 입자들을 위한 불활성 결합제로서 PU 대신 사용된 왁스는 투자율/유전율을 변경시키지 않으며, 따라서 흡수제로서의 제형 효율성을 변화시키지 않는다.

도 1b는 (i) 왁스 중 20용적%의 구형 입자들(라인 1b), (ii) PU 중의 6용적%의 본 발명에 따른 탄소 섬유들(라인 2b) 및 (iii) PU 중의 1용적%의 초핑된 섬유들(라인 3b)에 대한 유전율의 허수 성분(유전 손실)의 그래프를 도시한 것이다. 결과는 하기 실험 1에서 논의된다.

도 2a 내지 2e는 각각 0.5용적%, 2용적%, 3용적%, 5용적% 및 6용적%의 상이한 함유율로 PU에 분산된 밀링된 탄소 섬유들의 유전율의 그래프들을 특정 범위의 주파수에 걸쳐 도시한 것이다. 그래프 2a 내지 2e는 탄소 섬유의 용적%가 증가함에 따라 유전율의 실수 ε'(상단 라인) 성분과 허수 ε"(하단 라인) 성분이 둘 다 증가하는 것을 보여준다.

그러나, 도 2a와 같이 낮은 함유율에서는, 부하량이 0.5용적%로 감소될 때 불충분한 손실 수준(허수 유전율)을 나타내는 것을 보여준다. 이는, 층 내에서의 에너지 소멸을 위한 효과적 메커니즘이 존재하지 않는다는 것을 의미하며, 따라서 낮은 용적%는 레이더 흡수 재료의 제조를 위해 효과적이지 못한 것으로 간주될 수 있다.

도 3은 0.5용적%로 PU에 분산된 밀링된 탄소 섬유들로 구성된 시료(시료 XC4343)를 통한 반사(라인 5) 및 투과(라인 4) 그래프를 도시한 것이다. 도 3은, 상기 시료가 매우 낮은 수준의 탄소 섬유로 부하될 때(심지어 매우 바람직한 길이 범위에서도), 상기 조성물은 낮은 반사율(라인 5)을 갖고, 즉 흡수의 부족으로 인해 입사 방사선에 매우 투명하다는 것을 보여준다.

도 4는 20용적%로 PU에 분산된 밀링된 탄소 섬유들로 구성된 시료(시료 XC4344)를 통한 반사(라인 15) 및 투과(라인 14) 그래프를 도시한 것이다. 20용적% 부하량은 거의 금속과 유사한 성능을 나타내어, 단지 낮은 흡수 수준을 갖는 반사성 재료를 유도하는 것을 볼 수 있다(라인 15로 표시된 바와 같은 높은 반사율 값). 용적 백분율이 20용적%를 넘어 증가함에 따라, 상기 조성물은 완전 반사체 쪽으로 바뀔 것이며, 따라서 흡수도를 거의 또는 전혀 제공하지 않을 것이다.

도 5는 3GHz에서 특정하게 흡수하도록 선택된 두께로 제형화 및 침착된 조성물의 반사율 그래프를 도시한 것이다. 상기 조성물(시료 XC4332)은 5.5용적%로 PU에 분산된 밀링된 탄소 섬유들을 포함한다. 상기 조성물은 상기 시험 표면 상에 4㎜(λ/4)의 두께로 침착되었다. 이 그래프는 99%를 초과하는 양호한 흡수율을 나타내며(표 5 참조), 3GHz 영역에서 최대 흡수율이 일어난다.

도 6은 9.4GHz에서 특정하게 흡수하도록 제형화된 조성물의 반사율 그래프를 도시한 것이다. 상기 조성물(시료 XC4288)은 5.0용적%로 PU에 분산된 밀링된 탄소 섬유들을 포함한다. 상기 조성물은 시험 표면 상에 1.5㎜(λ/4)의 두께로 침착되었다. 이 그래프는 99.9%를 초과하는 양호한 흡수율을 나타내며(표 5 참조), 9.4GHz 영역에서 최대 흡수율이 일어난다.

실험 1

각각 상이한 형상의 탄소 입자들을 함유하는 3가지의 조성물을 하기 표 1에 따라 제조하였다.

상기 제형들의 결과가 도 1a 및 1b의 그래프에 나타나 있다. 상기 그래프들은, 종횡비가 증가함에 따라(즉, 구형→밀링된→초핑 섬유 길이), 개선된 연결성으로 인해, 유전 손실 탄젠트(허수 성분 대 실수 성분의 비, ε"/ε')가 증가하고, 흡수도를 달성하는 데 필요한 부하량이 감소되는 것을 보여준다.

효과적인 흡수제를 제조하기 위해서는 유전율의 실수 성분과 허수 성분의 적절한 값들이 필요한데, 예를 들면, 낮은 허수 유전율 값을 갖는 재료들은 낮은 전도 손실을 제공하고, 이로 인해 효율적인 흡수를 위한 메커니즘을 갖지 않는다. 이는 도 1a 및 1b에서 각각 라인 1a 및 1b로 표시된 구형 탄소 입자들의 결과에 의해 나타난다.

반대로, 높은 값의 유전율 실수 성분을 갖는 재료들은 공기에 대해 높은 임피던스를 제공한다. 재료 표면에서의 임피던스 부정합은 전자기 방사선을 반사시키게 된다. 역시, 도 1a 및 1b에서 각각 라인 3a 및 3b로 표시된 초핑된 탄소 섬유들에 대한 결과와 유사한, 높은 손실 탄젠트(ε"/ε' >1 )를 갖는 재료들도 마이크로파 흡수에 이상적으로는 적합하지 않다.

반면, 본 발명에 따른 치수(길이)와 함유율 범위로 제공된 신장 탄소 요소들은 도 1a 및 1b에서 각각 라인 2a 및 2b로 표시된 바와 같이 유전율의 실수 성분과 허수 성분 간의 최적의 균형을 제공한다.

바람직한 범위로 제공된 신장 요소들을 포함하는 본 발명에 따른 조성물의 흡수는 도 5 및 6에 주어진 마이크로파 흡수 결과에 의해 입증된다. 본 발명에 따른 조성물 중의 상기 신장 요소들의 특성은, 좁은 범위의 섬유 길이를 이들의 함유율(용적%)과 조합하여 선택함으로써, 인가되는 전자기장에 대해 수득되는 이들의 커플링(coupling)을 최적화한 데에 기인할 수 있다. 커플링은 섬유 크기가 증가할수록 커지며, 유전율 변화를 유도한다. 그러나, 도 1a 및 1b에서 각각 라인 3a 및 3b로 표시된 초핑된 섬유들에서 나타난 바와 같이, 4㎜ 내지 6㎜에 달하는 길이에서는 일차적 상호작용 방식이 반사 방식일 것이다.

실험 2

시료 XC4332의 제조

평균 길이가 100 내지 150㎛이고 직경이 7㎛인 밀링된 탄소 섬유들로 조성물을 제조하였다. 상기 섬유들은 기본 폴리우레탄 결합제 재료 중 5.5용적%로 혼입되었다.

상기 재료는 "준-프리폴리머(quasi-prepolymer)" 경로를 사용하여 제조된다. B 부분은 2질량부의 Isonate M143 및 1질량부의 PTMEG로 이루어진다. 나머지 PTMEG(폴리테트라메틸렌 글리콜 1000)는 혼합을 돕기 위해 A 부분에 첨가된다.

제형 XC4332

A 부분 중량(g)

PTMEG 1000 192.53

트리메틸올 프로판 5.34

Silcolapse 430 / BYK 085 0.30

밀링된 탄소 섬유 40.10

B 부분

PTMEG 1000 54.55

디페닐메탄 디이소시아네이트(Isonate M143®) 109.09

A 부분과 B 부분을 100:56의 중량비로 혼합한다.

A 부분의 블렌딩

저전단 블렌더(예를 들면, 몰테니(Molteni) 플레너터리 믹서)를 사용하여 블렌딩을 수행한다. A 부분의 블렌딩을 보조하기 위해 TMP를 소량의 PTMEG에 미리 용해시킬 수 있다.

상기 혼합물을 완전히 탈기될 때까지 5mbar 이상의 진공하에 둔다. 혼합 시간은 장치의 유형과 재료의 양에 따라 달라지지만, 고체 응집물을 갖지 않는 균일하게 분산된 생성물을 달성하기에 충분해야 한다. 혼합 공정이 재료의 최종 밀도에 현저한 영향을 미치지 않도록 주의를 기울여야 한다.

B 부분의 블렌딩

건조 PTMEG를 60℃로 가열하고, 사용 직전 5mbar의 감압하에 2시간 동안 탈기시킨다. 이후, 교반하에 Isonate®에 PTMEG를 첨가하고, 혼합물을 5mbar의 감압하에 4시간 동안 60℃로 가열한다.

조성물을 두께 4㎜의 아플리케 필름(300×300㎜ 패널)으로서 침착시켰다.

실험 3

하기 표 4 및 5에 나타난 바와 같이, 측정은 집속된 호른 시스템 배열(focussed horn system arrangement)을 사용하여 수행되었다. 상기 조성물은 캐스트에 의해, 즉, 목적하는 두께의 아플리케 필름을 형성함으로써 제조되었지만, 대안적으로는 상기 정의된 바와 같은 분무 페인팅 기술 또는 트롤링(trawling)을 사용하여 도포될 수도 있다. 아플리케 시험 시료의 재료들은 상이한 두께들에서 300㎜×300㎜의 치수로 제조되었다.

상기 장치는 파형의 마이크로파 호른에 연결된 안리츠(Anritsu) 37397C 벡터 네트워크 분석기로 구성되었다. 상기 호른은 시험 시료들이 위치되어 있는 중간면으로 거울을 통해 집속되었다. 상기 집속된 호른 설정을 사용하여 시험 시료들로부터의 투과 및 반사와 관련된 파라미터인 복소 산란 S를 측정하고, 이로부터 니콜슨 및 로스 방법(Nicholson and Ross method)을 사용하여 유전율 ε을 수득하였다[참조: Pitman K C, Lindley M W, Simkin D and Cooper J F 1991 Radar absorbers: better by design IEE Proc .-F 138 223].

각각 도 5 및 6에서의 것들과 같은 반사율 측정을 위해, 시험 시료들에 금속 배면판을 도포하고 유사한 측정 체계를 수행하여 시험 시료들로부터 흡수도(즉, 감소된 반사율)를 측정하였다.

신장 탄소 요소들은 상기 실험 2에서 정의된 것과 동일한 밀링된 탄소 섬유들이었다. 하기 조성물들은 밀링된 섬유들의 함유율(용적%)을 달리 하여 실험 2의 것들과 유사한 방식으로 제조되었다.

상기 표 4 및 표 5에서의 결과는 상기 신장 탄소 요소들의 함유율을 좁은 범위, 즉 0.5용적% 초과 및 20용적% 이하로 선택함으로써 흡수제에 대한 최적의 결과가 달성된다는 것을 보여준다. 20dB의 반사율은 입사 신호의 99%가 흡수되는 것과 일치한다.

도 5와 6 및 표 5에서의 흡수도(%) 값들은 본 발명에 따른 범위로 주어진 평균 길이 및 함유율(용적%)을 갖는 밀링된 탄소 섬유들은 효과적인 흡수제를 제공한다는 것을 나타낸다.

3GHz 및 9.4GHz의 흡수제를 제공하기 위해 필요한 두께로 제공된 상기 조성물들은 선택된 좁은 주파수의 흡수제들에 대한 예에 지나지 않으며, 따라서 본 발명에 따른 조성물은 이들 주파수들에 제한되지 않는다. 당해 조성물은 대안적인 주파수들에서 최적의 성능을 제공하기 위해 다른 두께들로 침착될 수 있다.

Claims (18)

1. 평균 최장 치수가 100 내지 150㎛ 범위이고 두께가 1 내지 15㎛ 범위인 신장 탄소 요소(elongate carbon element)들을 포함하는 탄소 충전재를 포함하는 전자기 방사선 흡수 조성물로서,
   상기 탄소 충전재의 총 함량이 비전도성 결합제 중에 1 내지 20용적%(건조) 범위로 존재함을 특징으로 하는, 전자기 방사선 흡수 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 신장 탄소 요소들이 2 내지 10용적%(건조) 범위로 존재하는, 전자기 방사선 흡수 조성물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 신장 탄소 요소들이 원하는 길이로 기계가공된 탄소 섬유들인, 전자기 방사선 흡수 조성물.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 신장 탄소 요소들이 원통형이고 5 내지 10㎛ 범위의 직경을 갖는, 전자기 방사선 흡수 조성물.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 신장 탄소 요소들이 평균 두께 대 평균 최장 치수 비가 1:10 내지 1:25인, 전자기 방사선 흡수 조성물.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결합제가 아크릴레이트, 에폭시 결합제, 아크릴, 우레탄 및 에폭시에 의해 개질된 아크릴, 폴리우레탄, 알키드계 결합제 또는 플루오로중합체로부터 선택되는, 전자기 방사선 흡수 조성물.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조성물이 액체 제형이며 임의로 용매를 포함하는, 전자기 방사선 흡수 조성물.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조성물이 건조된 피복물의 형태인, 전자기 방사선 흡수 조성물.
9. 제8항에 있어서, 상기 건조된 피복물이 적어도 하나 이상의 하위-층(sub-layer)들을 포함하고, 상기 하위-층들 각각은 선행되는 층에 대해 직각 방향으로 별도로 도포되는, 전자기 방사선 흡수 조성물.
10. 제1항에 따른 조성물의 적어도 하나의 건조된 피복물을 포함하는, 레이더 흡수(radar absorbing) 표면.
11. 제10항에 있어서, 상기 피복물의 두께가, 흡수하고자 하는 입사 방사선의 공진 주파수의 파장의 사분의 일(λ/4)인, 레이더 흡수 표면.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 전자기 반사성 배면판(backplane)이 상기 레이더 흡수 표면과 상기 제1항에 따른 조성물의 적어도 하나의 건조된 피복물 사이에 제공되는, 레이더 흡수 표면.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조성물이, 선택된 주파수의 전자기 방사선을 흡수할 수 있는 피복물을 제공하도록 하기 위해 표면, 구조물 또는 몸체 또는 이들의 부분들에 선택된 두께로 도포되는, 전자기 방사선 흡수 조성물.
14. 표면, 구조물 또는 몸체 또는 이들의 부분들에 대해 선택된 주파수의 전자기 방사선의 흡수를 제공하는 방법으로서,
    상기 방법이, 선택된 주파수를 결정하는 단계, 상기 표면, 구조물 또는 몸체 또는 이들의 부분들의 제1 면 및 임의로 제2 면에, 제1항 또는 제2항에 따른 조성물의 적어도 하나의 피복물을 상기 주파수를 선택적으로 흡수하는 두께로 도포하거나, 상기 주파수를 선택적으로 흡수하는 두께를 갖는 제1항 또는 제2항에 따른 조성물을 포함하는 아플리케 필름을 도포하는 단계를 포함하는, 표면, 구조물 또는 몸체 또는 이들의 부분들에 대해 선택된 주파수의 전자기 방사선의 흡수를 제공하는 방법.
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