KR102000446B1 - 전자파 차폐성 시멘트 조성물, 이를 이용한 전자파 차폐성 시멘트 모르타르 및 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트 - Google Patents

전자파 차폐성 시멘트 조성물, 이를 이용한 전자파 차폐성 시멘트 모르타르 및 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 탄소섬유 0.1∼2중량부와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 입자형 코크스 50∼100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물, 이를 이용한 전자파 차폐성 시멘트 모르타르 및 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 기존의 페라이트계 전자파 흡수체 보다는 경제성 및 시공성이 우수한 시멘트를 바인더로 사용하고 전도성을 가지는 폐자원을 사용함으로써 전자파 차폐능이 우수하고, 광대역에서 전자파 차폐능을 가지며, 제조 단가가 낮고, 시멘트를 바인더로 이용하기 때문에 시공성이 아주 간편할 뿐만 아니라. 복잡한 형상의 건물이나 기 시공된 건물에도 쉽게 적용할 수 있다.

Description

전자파 차폐성 시멘트 조성물, 이를 이용한 전자파 차폐성 시멘트 모르타르 및 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트{Cement composition capable of shielding electro magnetic interference, cement mortar and cement concrete using the compositioon}
본 발명은 전자파 차폐성 시멘트 조성물, 이를 이용한 전자파 차폐성 시멘트 모르타르 및 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 페라이트계 전자파 흡수체 보다는 경제성 및 시공성이 우수한 시멘트를 바인더로 사용하고 전도성을 가지는 폐자원을 사용함으로써 전자파 차폐능이 우수하고, 광대역에서 전자파 차폐능을 가지며, 제조 단가가 낮고, 시멘트를 바인더로 이용하기 때문에 시공성이 아주 간편할 뿐만 아니라. 복잡한 형상의 건물이나 기 시공된 건물에도 쉽게 적용할 수 있는 전자파 차폐성 시멘트 조성물, 이를 이용한 전자파 차폐성 시멘트 모르타르 및 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트에 관한 것이다.
정보통신 기술의 눈부신 발달에 따라 전파 이용도 및 디지탈 기기의 사용이 계속 확산되어 왔으며, 이에 따라 전자파 환경이 현저하게 약화되어 이른바 전파공해에 사회적 관심을 끌고 있다. 더욱이 다양화, 고도화되고 있는 정보화 시대에 부응하고 증가일로에 있는 전자기기의 정밀한 동작을 위하여 전파를 이용할 경우 신뢰성을 보장하기 위하여 불요 전자파의 반사방지 등과 같은 대책이 요구되고 있다.
최근 정보화 시대를 맞이하여 마이크로파를 이용한 정보 통신량이 급증하고 있으며, 반도체 기술의 현저한 진보와 실용화에 따라 고속 마이크로프로세서 및 대용량 메모리의 입수가 용이하게 되어 가전기기, 산업기기, 의료기기 분야에서 기기의 소형경량화, 다기능화, 고 신뢰성을 목적으로 디지털화가 급속히 진행되고 있을 뿐만 아니라 컴퓨터를 중심으로 하는 OA, FA기기 및 디지털, 오디오 기기, TV, VTR등의 영상기기도 본격적으로 디지털화가 되고 있으며, 이와 더불어 파생되어지는 전자파장해(EMI/EMC)에 대한 우려도 점차 높아가고 있다. 세계 각국에서는 전자파방해를 방지하기 위하여 규제를 강화하고 각종법규로 강력하게 대처할 전망이며, 선진국에서는 비관세 무역장벽의 수단으로 활용할 뿐 아니라 전자파 내성(EMS)의 유지 강화를 강제화 하여 전자파 환경보호에 적극적으로 대처하고 있다.
고층 건축물 등에 의한 전자파의 반사는 일부 가정의 텔레비젼 화면의 고스트를 불러일으키고, 교량에 의한 선박용 레이더의 반사 장해 등을 일으킨다. 그리고 휴대용 통신기기에 의하여 병원의 정밀 의료기기에 심각한 장해를 불러 일으켜, 환자의 생명을 위협하기도 한다.
이러한 장해를 방지하기 위한 유효한 대응책은 장해 발생 원인인 각종 전자파를 전자파 차폐(흡수) 기능을 갖는 페라이트 타일을 구조물의 벽면에 붙여 제거시키는 방법이 있다. 그러나, 페라이트 타일을 대량으로 제조한다는 것은 상당한 문제가 있고, 또한 규모가 큰 건축물의 표면에 부착시키는 방법은 시공성, 경제성 및 내후성 등의 문제점이 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-0305391호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존의 페라이트계 전자파 흡수체 보다는 경제성 및 시공성이 우수한 시멘트를 바인더로 사용하고 전도성을 가지는 폐자원을 사용함으로써 전자파 차폐능이 우수하고, 광대역에서 전자파 차폐능을 가지며, 제조 단가가 낮고, 시멘트를 바인더로 이용하기 때문에 시공성이 아주 간편할 뿐만 아니라. 복잡한 형상의 건물이나 기 시공된 건물에도 쉽게 적용할 수 있는 전자파 차폐성 시멘트 조성물, 이를 이용한 전자파 차폐성 시멘트 모르타르 및 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트를 제공함에 있다.
본 발명은, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 탄소섬유 0.1∼2중량부와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 입자형 코크스 50∼100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물을 제공한다.
상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유로 이루어질 수 있다.
상기 탄소섬유는 피치(Pitch)계 탄소섬유로 이루어질 수 있다.
상기 탄소섬유는 10mm보다 작은 길이를 갖는 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유는 FeCo계 자성물질로 코팅되어 있을 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 탄소섬유 100중량부에 대하여 밀링된 탄소(milled carbon) 분말 50∼200중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 인조흑연 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 폐 소성 페라이트 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 동슬래그 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 코크스는 100∼1200㎛ 크기의 입자형 코크스로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 탄소섬유 0.1∼2중량부와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 입자형 동슬래그 50∼100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물을 제공한다.
상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유로 이루어질 수 있다.
상기 탄소섬유는 피치(Pitch)계 탄소섬유로 이루어질 수 있다.
상기 탄소섬유는 10mm보다 작은 길이를 갖는 것이 바람직하다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 밀링된 탄소(milled carbon) 분말 10∼30중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 인조흑연 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 폐 소성 페라이트 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 코크스 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 코크스는 100∼1200㎛ 크기의 입자형 코크스로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 동슬래그는 100∼900㎛의 입경을 갖는 입자형 동슬래그로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 모래가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 모르타르를 제공한다.
또한, 본 발명은, 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 모래와 골재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트를 제공한다.
본 발명에 의하면, 기존의 페라이트계 전자파 흡수체 보다는 경제성 및 시공성이 우수한 시멘트를 바인더로 사용하고 전도성을 가지는 폐자원을 사용함으로써 전자파 차폐능이 우수하고, 광대역에서 전자파 차폐능을 가지며, 제조 단가가 낮고, 시멘트를 바인더로 이용하기 때문에 시공성이 아주 간편할 뿐만 아니라. 복잡한 형상의 건물이나 기 시공된 건물에도 쉽게 적용할 수 있다.
도 1은 실험에서 사용한 측정시스템을 나타낸 사진이다.
도 2는 실험에서 사용한 측정치구를 나타낸 사진이다.
도 3은 실제 시편의 모양을 나타낸 사진이다.
도 4는 전자파 차폐효율 측정 공정도를 나타낸 도면이다.
도 5는 물리적 실험 공정도를 나타낸 도면이다.
도 6은 시멘트 종류에 따른 주파수 감쇄량을 나타낸 도면이다.
도 7은 6mm의 PAN계 카본섬유를 시멘트에 대해서 0∼2.0 중량% 첨가하였을 때의 주파수 변화에 따른 감쇄량을 나타낸 도면이다.
도 8은 10mm의 PAN계 섬유를 첨가하였을 때의 전자파 감쇄량을 나타낸 도면이다.
도 9는 시료의 두께에 따른 전자파 차폐 특성을 분석하기 위하여 보통 포틀랜드 시멘트에 6mm의 PAN계 탄소섬유를 1.0 중량% 첨가하였을 때 시료의 두께를 3mm, 6mm로 변화 시켰을 때의 전자파 차폐 특성을 나타낸 도면이다.
도 10은 시료의 건조조건에 따른 전자파 차폐 특성을 분석하기 위하여 보통 포틀랜드 시멘트에 6mm의 PAN계 탄소섬유를 1.0 중량% 첨가하였을 때 시료를 대기 중에서 수화를 28일 시켰을 때의 시료와, 70℃에서 하루 동안 건조 시켰을 때의 전자파 차폐 특성을 나타낸 도면이다.
도 11은 6mm의 Pitch계 섬유를 시멘트에 대해서 0∼2.0중량% 첨가하여, 28일간 상온에서 수화 시켰을 때의 주파수 변화에 따른 감쇄량을 나타낸 도면이다.
도 12는 밀링된 탄소(milled carbon)(카본 분말)의 첨가량에 따른 감쇄량을 나타낸 도면이다.
도 13은 코크스 입자를 시멘트에 대해서 50 중량%, 100중량%, 200 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐특성을 나타낸 도면이다.
도 14는 입자형 인조흑연을 시멘트에 대해서 50 중량%, 100 중량%, 200 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐 거동을 나타낸 도면이다.
도 15는 연속식 동슬래그를 시멘트에 대해서 골재로서 50∼200 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐 특성을 나타낸 도면이다.
도 16은 비연속식 동슬래그를 시멘트에 대해서 골재로서 50∼200 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐 특성을 나타낸 도면이다.
도 17은 시멘트에 Ni-Zn계 소성 페라이트를 분쇄한 것을 100 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐 특성을 나타낸 도면이다.
도 18은 시멘트에 입자형 코크스와 PAN계 탄소섬유를 첨가하였을 때의 전자파 차폐특성을 나타낸 도면이다.
도 19는 시멘트에 동슬래그와 PAN계 탄소섬유를 첨가하였을 때의 전자파 차폐특성을 나타낸 도면이다.
도 20은 보통 포틀랜드 시멘트 100중량부에 소성페라이트 100중량부를 첨가하고 PAN계 탄소섬유를 1.0 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐특성을 나타낸 도면이다.
도 21은 시멘트와 모래 그리고 동슬래그를 1:1:1로 혼합을 하고 PAN계 탄소섬유 첨가량에 따른 전자파 차폐특성을 나타낸 도면이다.
도 22는 시멘트, 모래, 코크스를 1:1:1로 혼합하고 PAN계 탄소섬유 첨가량에 따른 전자파 특성을 ASTM 4935에 의하여 측정하여 나타낸 도면이다.
도 23은 시멘트에 코크스를 첨가 하였을때와 인조흑연을 첨가하였을 때의 비저항 값을 나타낸 도면이다.
도 24는 탄소섬유 1.0 중량%를 병용 첨가하였을 때의 비저항 값을 나타낸 도면이다.
도 25는 도 21에 나타낸 조성(시멘트 : 모래 : 동슬래그 = 1:1:1)의 조성에서 탄소섬유 첨가량에 따른 비저항 값을 나타낸 도면이다.
도 26은 시멘트: 모래 : 코크스를 1:1:1로 혼합하였을 때 탄소섬유 첨가량에 따른 비저항값을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 조성물은, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 탄소섬유 0.1∼2중량부와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 입자형 코크스 50∼100중량부를 포함한다.
상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유로 이루어질 수 있다.
상기 탄소섬유는 피치(Pitch)계 탄소섬유로 이루어질 수 있다.
상기 탄소섬유는 10mm보다 작은 길이를 갖는 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유는 FeCo계 자성물질로 코팅되어 있을 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 탄소섬유 100중량부에 대하여 밀링된 탄소(milled carbon) 분말 50∼200중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 인조흑연 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 폐 소성 페라이트 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 동슬래그 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 코크스는 100∼1200㎛ 크기의 입자형 코크스로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 조성물은, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 탄소섬유 0.1∼2중량부와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 입자형 동슬래그 50∼100중량부를 포함한다.
상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유로 이루어질 수 있다.
상기 탄소섬유는 피치(Pitch)계 탄소섬유로 이루어질 수 있다.
상기 탄소섬유는 10mm보다 작은 길이를 갖는 것이 바람직하다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 밀링된 탄소(milled carbon) 분말 10∼30중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 인조흑연 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 폐 소성 페라이트 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 코크스 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 코크스는 100∼1200㎛ 크기의 입자형 코크스로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 동슬래그는 100∼900㎛의 입경을 갖는 입자형 동슬래그로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 모르타르는, 상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 모래가 혼합되어 있는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트는, 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 모래와 골재가 혼합되어 있는 것이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 조성물을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 기존의 페라이트계 전자파 흡수체 보다는 경제성 및 시공성이 우수한 시멘트를 바인더로 사용하고 ohms 손실재료로 전도성을 가지는 폐자원을 첨가함으로서 전자파 차폐능이 우수한 시멘트 조성물이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 조성물은, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 탄소섬유 0.1∼2중량부와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 입자형 코크스 50∼100중량부를 포함한다. 상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 동슬래그 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 혼합수가 포함될 수 있으며, 상기 혼합수는 상기 시멘트, 상기 탄소섬유 및 상기 코크스의 전체 함량 100중량부에 대하여 25∼70중량부 혼합되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 조성물은, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 탄소섬유 0.1∼2중량부와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 입자형 동슬래그 50∼100중량부를 포함한다. 상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 코크스 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 혼합수가 포함될 수 있으며, 상기 혼합수는 상기 시멘트, 상기 탄소섬유 및 상기 동슬래그의 전체 함량 100중량부에 대하여 25∼70중량부 혼합되는 것이 바람직하다.
탄소섬유는 주로 탄소로 구성된 섬유이다. 상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유로 이루어질 수 있다. 상기 탄소섬유는 피치(Pitch)계 탄소섬유로 이루어질 수도 있다. 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 불연화한 뒤에 무산소상태 하에 약 1천도에서 쪄서 구어 얻는다. 피치계는 석탄을 쪄서 구어 나온 피치를 섬유해서 PAN계와 거의 같은 공정으로 얻는다. 탄소섬유는 가벼우면서도 강도나 탄력성, 내열성이 있다. 탄소섬유는 높은 전도성을 가지고 있 때문에 본 발명에서의 전도성 부가물질로 사용한다. 상기 탄소섬유는 10mm보다 작은 길이를 갖는 것이 바람직하다. 상기 탄소섬유는 FeCo계 자성물질로 코팅되어 있을 수 있다. 상기 FeCo계 자성물질을 투자율이 우수한 철(Fe)-코발트(Co) 금속 합금 등일 수 있다.
코크스(Cokes)란 역청탄을 1000∼1200℃에서 보통 16∼20시간 정도 건류하게 되면 각종 부산물이 발생하면서 최종적으로 정제된 고체상태의 숯 덩어리를 말한다. 석탄을 정제하는 과정에서 생산되는 코크스는 제철소의 코크스 공장에서 생산된다. 우리나라에서 코크스를 가장 많이 사용하는 곳은 제철소로 직접 제조하여 사용하고 있으며 여기에서 나오는 각종 부산물은 다른 화학 공장에서 다시 정제하여 콜타르와 수많은 유기물들을 생산해 내고 있다. 코크스도 어느 정도의 전도성을 가지고 있어 본 발명에서의 전도성 부가 물질로 사용한다. 시멘트와의 배합조건에 따라 우수한 전자파 흡수능을 보여 주고 있으나, 코크스 자체의 강도가 역하기 때문에 생산되는 전자파 흡수 시멘트 몰탈의 역학적 특성이 약하기 때문에 탄소섬유 같은 강도를 개선할 수 있는 물질의 첨가가 필요하게 된다. 상기 코크스는 100∼1200㎛ 크기의 입자형 코크스로 이루어지는 것이 바람직하다.
동제련 슬래그는 동정광 중의 철분과 석회석, 규석이 결합하여 생성된 물질을 용융상태에서 고수압에 의해 급냉, 수쇄하여 세립화한 것으로 순수한 동 1kg을 생산하는데 약 1.4kg의 슬래그가 발생한다. 이럼한 동제련 슬래그의 주성분은 Fe로 약 40% 정도를 함유하고 있으며 SiO2 및 미량의 Cu 등을 포함하고 있다. 상기 동슬래그는 100∼900㎛의 입경을 갖는 입자형 동슬래그로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 탄소섬유 100중량부에 대하여 밀링된 탄소(milled carbon) 분말(입자형 탄소재료) 50∼200중량부를 더 포함할 수 있다. 입자형 탄소재료만을 사용하는 경우에는 강도, 전기전도성 등에 문제가 있어 응용범위가 제한적이며, 섬유형 탄소재료(탄소섬유)만을 사용하는 경우에 혼합성능이 좋지않아 작업성에 문제가 있고, 섬유의 균일한 분산이 어려워 전기전도성을 좋게 하는데는 한계가 있다. 이를 고려하여 상기 입자형 탄소재료와 를 혼합 사용하되, 바람직하기로 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료를 0.5:1 내지 2:1의 중량비로 혼합 사용함으로써 우수한 전기전도성을 얻을 수 있어, 강도증진, 도전성재료 절감 등의 상승효과를 얻을 수 있다. 만일, 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료의 혼합비가 2:1을 초과하면 섬유형 탄소재료 첨가에 의한 상승효과가 줄어들며 0.5:1 미만이면 섬유의 양이 너무 많아져서 작업시 섬유의 분산성이 나빠 작업성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 폐 소성 페라이트 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다. 일반적인 소프트 페라이트로는 Ni-Zn 페라이트, Mn-Zn 페라이트 등이 인덕터 및 자심등의 생산에 주로 쓰인다. 이들 소성 페라이트의 폐기물들은 시멘트계 전자파 차폐용 재료로 사용한다. 폐 소성 페라이트 자체 만으로는 큰 효과가 없으나, 카본섬유와의 병용으로 특히 저주파 영역을 포함한 광범위에서 20 dB 이상의 흡수능을 보일 수 있다.
상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 상기 시멘트 100중량부에 대하여 인조흑연 10∼100중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 전자파 차폐성 시멘트 조성물은 시멘트계 바인더에 입자형 도전성 재료와 섬유형 도전성 재료의 적절한 혼합으로 전자파 차폐 특성이 우수한 효과를 보인다. 기존의 폴리머를 이용한 전자파 차폐재료나 페라이트를 이용한 재료보다는 특성이 월등히 우수하고 또한 제조 단가가 낮다는 장점이 있다. 그리고 시멘트를 바인더로 이용하기 때문에 시공성이 아주 간편할 뿐만 아니라. 복잡한 형상의 건물이나 기 시공된 건물에 쉽게 적용할 수 있어 그 활용범위는 상당히 넓다. 특히 시멘트에 코크스, 동슬래그 등의 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료(탄소섬유)가 함유됨으로써 우수한 전자파 특성을 얻을 수 있다.
수맥파 및 전자파 차단용의 바닥용 몰탈이나 벽면이나 천정에 쉽게 시공 할 수 있는 시공성이 간편하고 값싼 재료로서 그 이용이 기대된다.
가격 및 시공성 등의 문제점으로 페라이트 전자파 흡수체는 일부 특수한 용도를 제외하고는 거의 실용화되어 있지 않다. 본 발명에 의하면, 저렴한 비용으로 일반적인 시멘트 도료 및 건축 자재로서의 용도 확대가 기대되며, 일상생활에서 전자파 장애에 의한 각종 스트레스를 제거 할수 있어 쾌적한 생활을 이룰 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 모르타르는, 상기 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 모래가 혼합되어 있는 것이다. 상기 모래는 상기 전자파 차폐성 시멘트 모르타르에 전자파 차폐성 시멘트 조성물 100중량부에 대하여 150∼350 중량부 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트는, 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 모래와 골재가 혼합되어 있는 것이다. 상기 골재는 굵은 골재와 잔 골재를 포함할 수 있다. 예컨대, 잔 골재는 입경이 5mm 이하인 것이고, 굵은 골재는 입경이 5mm 보다 큰 것이다. 상기 모래는 상기 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트에 전자파 차폐성 시멘트 조성물 100중량부에 대하여 150∼350 중량부 함유되는 것이 바람직하다. 상기 골재는 상기 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트에 20∼90 중량% 함유될 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
정보통신 기술의 눈부신 발달에 따라 전파 이용도 및 디지탈 기기의 사용이 계속 확산되어 왔으며, 이에 따라 전자파 환경이 현저하게 약화되어 이른바 전파공해에 사회적 관심을 끌고 있다. 더욱이 다양화, 고도화되고 있는 정보화 시대에 부응하고 증가일로에 있는 전자기기의 정밀한 동작을 위하여 전파를 이용할 경우 신뢰성을 보장하기 위하여 불요 전자파의 반사방지 등과 같은 대책이 요구되고 있다.
최근 정보화 시대를 맞이하여 마이크로파를 이용한 정보 통신량이 급증하고 있으며, 반도체 기술의 현저한 진보와 실용화에 따라 고속 마이크로프로세서 및 대용량 메모리의 입수가 용이하게 되어 가전기기, 산업기기, 의료기기 분야에서 기기의 소형경량화, 다기능화, 고 신뢰성을 목적으로 디지털화가 급속히 진행되고 있을 뿐만 아니라 컴퓨터를 중심으로 하는 OA, FA기기 및 디지털, 오디오 기기, TV, VTR등의 영상기기도 본격적으로 디지털화가 되고 있으며, 이와 더불어 파생되어지는 전자파장해(EMI/EMC)에 대한 우려도 점차 높아가고 있다. 세계 각국에서는 전자파방해를 방지하기 위하여 규제를 강화하고 각종법규로 강력하게 대처할 전망이며, 선진국에서는 비관세 무역장벽의 수단으로 활용할 뿐 아니라 전자파 내성(EMS)의 유지 강화를 강제화 하여 전자파 환경보호에 적극적으로 대처하고 있다.
전자파 장해 대책 재료를 크게 대별하면 전자파 흡수체와 전자파 차폐제로 구분할 수 있다. 전자파 흡수체는 재료의 도전손실, 자성손실, 유전손실을 이용하여 입사하는 전파에너지를 흡수시킴으로서 최소한의 에너지만을 반사시키는 기능성 재료로서 ① 도전손실을 이용한 탄소 고무, 탄소섬유를 함유한 우레탄 재료, ② 자성손실을 이용한 페라이트 타일, 고무페라이트 재료, ③ 도전손실 재료와 자성손실 재료를 조합시킨 페라이트, 탄소계 다층형 재료 등이 있다.
일반적으로 전자파 차폐는 전기적 특성이 잘 알려진 금속재료에 의해 이루어져 왔으나, 금속재료에 비하여 값이 싸고, 가벼우며, 가공하기 쉽기 때문에 전기, 전자기기의 외장재료로서 급속히 금속재료를 대치하고 있으며 섬유강화 복합재료, 플라스틱에 도전성 표면처리를 하거나 플라스틱에 도전성 충진제를 혼합하는 방법등이 많이 이용되고 있다.
또한. 특히 중요시되고 있는 것이 유해전자파 환경에서 인체의 보호 기능의 강화이다. 그중의 하나가 일반 건축물 및 아파트등의 지하 수맥에서 발생하는 저주파의 수맥파가 인체에 심각한 영향을 불러일으킨다.
따라서, 각종 전자기기의 정밀도를 높이는 것뿐만 아니라, 유해 전자파로부터 우리의 건강을 보호하기 위해서도 광대역의 전자파 흡수체의 개발은 중요하다.
전자파 흡수체로 사용될 수 있는 재료로는 전자 에너지를 유효하게 감쇠 시킬 수 있는 전기, 자기손실이 큰 것이 요망된다. 전자에너지 손실 기구로서는 ohm손실, 유전손실, 자기손실 등이 있다.
일반적으로 전자파 흡수체로서 각광을 받고 있는 것은 자성손실재 이다. 페라이트라고 불리어지는 자성체는 고주파 영역에서 복소투자율의 완화현상을 나타내며, 특히 단위 투자율당 손실(tanδ=μ”/μ’)이 매우 커서 손실재료로서 적합하나, 복소투자율의 완화 현상이 비교적 좁은 주파수 대역에서 발생하기 때문에 광대역 흡수체로서는 적합하지 않을 뿐만 아니라 수맥파 등의 저주파를 흡수하기는 부적절한 재료이다. 또한 일반 건축물의 내, 외장용으로 사용하기에는 경제성뿐만 아니라 시공성에 적합하지 않다.
유전손실재료의 대표적인 것은 마이크로파 영역에서 복소유전율의 완화현상을 보이는 BaTiO3와 같은 강 유전체이다. 그러나, 이 경우 완화현상에 따른 단위유전율당 손실((tanδ=ε”/ε’)이 작아서 손실재료로서의 사용에 제한이 따른다.
또 다른 전자파 흡수체로 작용하는 재료로는 ohm손실재이다. 발포우레탄이나 발포스치로폴에 카본 또는 카본혼합체를 코팅시켜 제조하는 것이 있다. 그러나, 이것은 경량이며 광대역에서 전자파 흡수 특성을 발휘하는 등의 특성 장점이 있지만, 시공상의 문제, 사용범위의 제한, 그리고 두께가 두껍다는 단점이 있다. 최근에는 시멘트계를 접착재료로 사용하여 도전성 부가 물질로 카본 등을 첨가한 전자파 흡수체가 있지만, 대부분 2dB 이하의 낮은 흡수능을 가지고 있을 뿐만 아니라 카본섬유 첨가의 과다로 작업성에 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 대량으로 제조가 가능한 시멘트를 접착재료로 사용하고, 전도성 및 자성 부가 물질로 산업폐기물을 이용함으로써 대량의 제조가 가능하고, 또한 30KHz에서 3GHz 이상의 광대역에서 99% 이상의 전자파 차폐능을 갖는 전자파 차폐용 무기도료의 조성개발 및 내·외장용으로 적합한 기계적 물성을 갖는 전자파 차폐용 무기도료를 개발을 목표로 하였다.
표 1에 차폐 효과 수치 dB의 의미를 나타내었다.
dB 차 폐 율
20 99%
40 99.9%
60 99.99%
80 99.999%
100 99.9999%
전자파 차폐재료의 대부분은 페라이트에 관한 것으로, 이를 응용한 페라이트 타일 및 도료가 일부 실용화되어 있다. 시멘트/콘크리트 분야에서는 도전성 몰탈에 대한 연구는 일부 있지만, 전자파 차폐(흡수) 시멘트에 대한 연구는 거의 이루어지 않았다. 최근에 시멘트에 도전성물질을 첨가하였을 때와 골재로서 폐 소성 페라이트를 사용하였을 때의 전자파 흡수 콘크리트에 대한 연구가 시작되고 있으나, 시멘트를 이용한 전자파 흡수 도료에 대한 연구는 이루어지 않고 있다.
시멘트는 내후성, 경제성 및 시공성이 우수하기 때문에 복잡한 형상의 건물에도 시공이 가능하기 때문에 용도확대가 가능하다. 재료배합의 변수를 쉽게 조절을 할 수 있어 목적으로 하는 주파수 범위 전자파 차폐 시멘트 도료를 용이하게 제조가 가능하다. 산업페기물을 주 원료로 사용하기 때문에 경제성이 우수하다.
재료의 전자파 차폐효율(shielding efficiency : SE)은 일정한 송신전력에 대해 차폐 재료가 있을 때의 수신 전력(P’r)과 없을 때의 수신 전력(Pr)의 차를 측정한 후 아래의 수학식 1을 이용하여 계산한다.
[수학식 1]
Figure 112017130801498-pat00001
전자파 차폐효율은 아래의 수학식 2와 같은 세가지 항의 합으로 표현된다.
[수학식 2]
Figure 112017130801498-pat00002
여기서 SEA는 물질 내부 흡수에 의한 차폐효율, SER은 차폐물질 경계면에서의 반사에 의한 차폐 효율, SEM은 물질 내부의 전자기파 다중 반사에 의한 항이다. 실질적 응용에 관련된 미국 FCC(Fedral Communications Commission) 규정에 의하면 상업용의 경우 SE가 40[dB] 이상, 군사상 목적으로는 80[dB] 이상으로 규정하고 있다. 전자기파 차폐효율을 계산하거나 측정하는 경우 두 개의 영역이 존재하는데, 사용되는 측정기구의 기하학적 구조에 의해 원역장(far-field)인지 근역장(near field)인지가 결정되는데, 전자기파 발원지로부터 차폐물질까지의 거리가 λ/2π보다 큰 경우 원역장 영역으로 정의하고, 전자기학의 평면과 이론을 적용할 수 있으며, 외부 전자파에 대한 피 시험기기의 내성 평가에 있어서 구조물 재료의 원역장 차폐효과 분석에 응용된다. 반면, 전자파원과 전자파 차폐 물질과의 거리가 λ/2π보다 작다면 근역장 영역으로 정의되고, 근역장 차폐효과는 전자파원의 특성 임피던스에 따라 고 임피던스(전계)와 저 임피던스(자계) 전자파 효과로 구별된다.
재료의 전자파 차폐효과는 앞에서도 약간 언급한 것과 같이 일정한 송신전력에 대해 차폐재료가 놓여 있을 때(Pr')와 없을 때(Pr)에 의해 수신되는 수신전력 차를 측정함으로써 쉽게 결정할 수 있게 된다. 이 때의 수신 전력값의 비는 상입손실(IL)로서 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.
[수학식 3]
Figure 112017130801498-pat00003
따라서 전자파 차폐 메카니즘(흡수, 반사, 내부 다중반사)에 관계없이 단지 입사하는 전자파에 대해 투과되어 전달되는 전자파의 비로 표현됨을 알 수 있다. 측정 시스템 역시 측정치구 내에 시편이 있을 때와 없을 때에 수신되는 전력을 각각 측정하여 두 값의 차를 결정하는 과정을 포함한다.
전자파 차폐 재료의 주요 측정법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 사용되는 측정 치구에 맞게 재료를 편평하고 얇게 시편을 제작하여 측정하는 방법이며, 다른 하나는 재료를 실제로 사용되는 구조물의 형태로 제작하여 특성을 측정하는 방법이다. 여기에서 제작된 구조물을 사용하는 방법은 구조물 내부 및 외부에 안테나를 설치하고 전자파를 복사시킴에 따라 구조물의 벽면을 통해 누설되는 전자파를 안테나 또는 감지기를 이용하여 감지함으로써 측정하는 방법이다. 이러한 방법은 평가하고자 하는 재료를 사용하여 최종적으로 만들어지는 구조물을 근사적으로 묘사하기 때문에 실제 상황에 가장 근접하는 측정결과를 얻을 수 있는 장점이 있지만, 구조물을 만들 때 들어가는 각종 인입구, 구조물의 구조적 특성 등에 의해 전자파 차폐특성이 크게 영향을 받기 때문에 재료 자체의 특성을 보기에는 어려움이 있다. 또한 이러한 방법은 제품의 외장 구조물을 설계하는 단계에서 사용할 예정의 모든 재료에 대해 구조물을 만들어야 하는 어려움이 있다.
앞서 말한바와 같이 전자파 차폐효과는 사용되는 측정치구의 기하학적 구조와 시편의 위치, 즉 전자파원과 전자파 차폐 물질과의 거리에 따라 근역장 및 원역장 차폐효과로 구분되어 결정되며, 근역장 차폐효과는 다시 전자파원의 특성 임피던스에 따라 전기장 차폐효과와 자기장 차폐효과로 나눌 수 있다. 따라서 평가에 사용되는 측정치구의 기하학적 구조에 의해 결정된다.
표 2에 차폐재료에 대한 원역장 및 근역장 전자파 SE 측정 방법을 나타내었다.
종류 주파수 범위 전자계 형태 동특성 범위 재현성
연속-도체 동축선 측정법 1MHz∼1.4GHz 평면파 90∼100dB 보통
MIL-STD-285법 30MHz∼20GHz 평면파 80∼100dB 보통
플랜치형 동축선 측정법 1MHz∼1.8GHz 평면파 90∼100dB 양호
시간-영역 방법 200MHz∼3.5GHz 평면파 40∼60dB 양호
이중
TEM CELL		 1MHz∼1GHz 근역장 또는 Glazing 평면파 50∼60dB 양호
관통형
TEM CELL		 200MHz∼1GHz 근역장 90∼100dB 양호
이중-챔버법 30MHz∼1GHz 근역장 70dB 양호
다께다이연법 1MHz∼1GHz 근역장 80dB 보통
플랜치형 동축선 법에 사용되는 측정치구(Flanged circular coaxial transmission line sample holder)는 미국 국립 표준과학기술연구원(NIST)에서 개발되었으며, 원역장의 전자파 차폐효과를 측정하는 데 사용되며, ASTM :D 4935-89 의 규격에 측정기구로 채택하였다. 이 측정기구는 측정신뢰도가 높고, 비교적 시험결과의 재현성도 높다. 또한 본 실험과 같은 시멘트계 에서는 sample의 준비, 크기등을 고려하여 위의 방법을 채택하여 측정하였다.
두개의 동축플렌치 사이에 디스크형 시편을 넣고 전자파를 입사시키면 시 편을 통한 용량성 결합에 의해 TEM모드의 신호가 전파된다. 이러한 측정치구는 1983년도에 제안한 ASTM ES 7-83 규격의 연속-도체 동축전송선 측전기구의 단점을 보완한 것으로 내부도체의 외경이 3.2cm, 외부 플랜지의 외경이 13.3 cm, 내경이 7.6 cm이며, 시편의 모양이 와셔형이 아니고 디스크형으로 되어 있다. 또한 기준 시편은 양쪽의 동축 전송선이 시편을 통해 용량성 결합을 할 수 있도록 두 조각으로 되어 있으며, 내외부 동축선 사이는 비어있다.
따라서 두 조각으로 이루어진 기준시편을 측정치구 사이에 끼운 다음 기준레벨을 측정하고, 다시 디스크형의 시편을 측정치구 사이에 끼운 다음 수신되는 전력을 측정하고, 다시 디스크형의 시편을 측정치구 사이에 끼운 다음 수신되는 전력을 측정하고 나면 두 값의 차로부터 시편 재료의 전자파 차폐효율을 계산한다.
[수학식 4]
Figure 112017130801498-pat00004
RA, RB, RE, RF는 프렌지와 시편 사이의 접촉저항이고, ZA, ZB, ZE, ZF는 두 프렌지 사이의 용량성 결합이며, 프렌치와 시편사이의 용량성 결합은 ZC, ZD로 표현되며, 키르히호프법칙을 적용하여 삽입 손실을 계산하면 다음과 같다. 측정치구와 시편사이의 완전한 접촉한 이상적인 경우 모든 기생임피던스가 단락되어 삽입손실(IL)은 아래의 수학식 4와 같다.
반면에 실제 측정시 기생 임피던스가 존재하게되고 이로 인하여 측정오차가 발생하게 된다. 또한, 측정주파수의 증가에 따라 용량성 임피던스가 감소하게되고 시편의 전기전도도가 낮으면 RA, RB, 》│ZC, RE, RF 》│ZP│이 되므로 수학식 5와 같이 된다.
[수학식 5]
Figure 112017130801498-pat00005
따라서 정확한 측정을 취해서는 ZC, ZD가 삽입손실 측정에 영향을 끼치므로 시편의 표면이 절연되어 있더라도 시편과 측정치구 사이의 용량성 임피던스가 작아지도록 하는 것이 요구된다.
실제로 본 실험에서 사용한 측정시스템과 측정치구를 도 1과 도 2에 나타내었다. 그리고 실제 시편의 모양을 도 3에 나타내었다.
1. 시료
(1) 시멘트계 접착재
기본적인 시멘트계 접착재료는 주로 일반적인 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 외에 비교 검토를 위하여 초속경성 시멘트 그리고 슬래그 시멘트를 사용하였다.
(2) 전도성 부가 물질
가. 단소섬유
탄소섬유는 주로 탄소로 구성된 섬유이다. 원료는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계와 피치(Pitch)계가 태반을 점하고 있다. PAN계 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴을 불연화한 뒤에 무산소 상태하에 약 1천도에서 쪄서 구어 얻는다. 피치계는 석탄을 쪄서 구어 나온 피치를 섬유해서 PAN계와 거의 같은 공정으로 얻는다. 탄소섬유는 가벼우면서도 강도나 탄력성, 내열성이 있다. 본 실험에서 사용한 탄소섬유는 PAN계와 Pitch계 양쪽 모두 사용하였으며, 탐소섬유의 크기를 3∼10mm의 것을 사용하였다.
나. 밀링된 탄소(Milled carbon)
전도성 부가물질의 성질에 따른 특성을 알아보기 위하여 분말형 탄소(밀링된 탄소)를 시멘트에 대해서 10~30 중량부 첨가하여 특성을 분석하였다.
다. 코크스
코크스(Cokes)란 역청탄을 1000∼1200℃에서 보통 16∼20시간 정도 건류하게 되면 각종 부산물이 발생하면서 최종적으로 정제된 고체상태의 숯 덩어리를 말한다. 석탄을 정제하는 과정에서 생산되는 코크스는 제철소의 코크스 공장에서 생산된다. 우리나라에서 코크스를 가장 많이 사용하는 곳은 제철소로 직접 제조하여 사용하고 있으며 여기에서 나오는 각종 부산물은 다른 화학 공장에서 다시 정제하여 콜타르와 수많은 유기물들을 생산해 내고 있다. 코크스도 어느 정도의 전도성을 가지고 있어 본 실험에서의 전도성 부가 물질로 사용하였다.
라. 인조흑연
흑연은 그 성분이 탄소이며, 결정은 대부분이 육방정계이고 일부가 삼방정계이다. 탄소가 벤젠고리처럼 육각형으로 연결되어 있고, 이러한 육각형이 판상체를 이루면서 연속된 층을 형성한다. 탄소원자는 전자가 평면상에서는 3개가 강한 공유결합을 하고, 남는 하나의 전자가 위나 아래층과 결합되어 있다. 육각판상 한 층의 높이는 3.40Å 이고, 육각형 고리 내에 가장 인접한 탄소간의 거리는 1.42Å 이다. 판상체의 상하층간의 거리는 탄소원자 두 개의 중심거리 보다 훨씬 크다 (탄소원자의 반지름은 0.77Å, 탄소이온은 4가인 경우는 0.16Å). 이러한 이유로 육각판상에서 위쪽으로 있는 전자는 다소 자유롭게 움직일 수 있으므로, 흑연은 좋은 전기전도도를 갖는다.
인조흑연은 공극율이 높아서 내화재로는 잘 사용되지 않는다. 인조흑연의 공극율은 10∼15% 정도이고, 천연흑연은 2∼3%이다. 인조흑연은 고순도와 전기 저항성 때문에 전기로의 전극제조에 쓰인다. 인조흑연은 가성소다와 염소전지에서는 전해질 혹은 전기투석용으로 사용되며, 강철에는 톤당 5∼8kg이 사용된다. 인조흑연은 열전달이 좋고, 열충격에 강하고, 용융금속과의 비친수성 등이 있으므로, 주조, 소결, 주괴, 주철몰드 및 도가니 등에 쓰인다. 화학공정에서는 열교환기, 타워, 펌프, 배관, 압력 안전핀 등에 골고루 쓰인다. 방전등, 용접기계, 금속의 스파크 침식용 기계 등에는 작은 전극으로 사용한다. 인조흑연은 고온에서 매우 높은 강도를 갖고 초경량이므로 우주항공산업에서는 로켓트의 노즐, 첨두부, 방향조절용 추진기, 폭발관, 열보호기 등에 쓰인다. 순수한 합성흑연은 중성자를 반사하고 감속시키므로 원자로에 감속제로 쓰인다. 고순도, 윤활작용, 열전달과 전기전도도 등이 필요한 경우에는 98%C 이상의 합성흑연을 70 메쉬 이하로 파쇄한 것을 사용한다. 본 실험에서도 일정 크기도 파쇄한 입자형 인조 흑연을 시멘트에 20∼100 중량부 첨가하였을 때의 전자파 차폐 특성을 검토하였다.
마. 동슬래그
동제련에서 발생하는 동슬래그는 크게 제조 공정에 따라 연속식과 비연속식으로 나누어 지는데, 철성뷴이 대량으로 함유 되어 있기 때문에 전도성 부가 물질로서 본 실험에 사용하였으며, 시멘트에 대해서 50∼200 중량부 첨가하였다.
바. 실리콘 웨이퍼 슬러지
반도체 생산공정에서 실리콘 웨이퍼를 연마하여 사용할시 다량의 더불어 실리콘 웨이퍼 슬러지가 대량으로 발생된다. 이들의 처치 곤란한 실리콘 웨이퍼 슬러지를 전자파 차폐용 재료의 첨가재로서의 특성을 검토하였다.
사. 폐 소성 페라이트
일반적인 소프트 페라이트로는 Ni-Zn 페라이트, Mn-Zn 페라이트 등이 인덕터 및 자심 등의 생산에 주로 쓰인다. 이들은 제조과정에서 상당량이 폐기물로서 발생되는데, 이들의 폐 소성 페라이트를 입자형으로 분쇄를 하여 미립의 골재로서 사용하였을 때의 전자파 특성을 검토하였다.
2. 물리적 실험
2.1. 압축강도
건조시멘트 모르타르 규격(KS L 5220)에 따라 5×5×5×㎤의 입방체 몰드에 모르타르를 성형한 후 3, 7, 28일 동안 양생시키고 압축강도를 측정하였다.
2.2. 보수성
건조시멘트 모르타르 규격(KS L 5220)에 따라 모르타르의 플로우(flow)를 200㎜로 유지시킨 후 보수성 측정장치를 사용하여 모르타르의 수분을 뽑아낸 후 다시 플로우(flow)를 측정하여 그 비를 구하였다.
2.3. 모래의 함량
건조시멘트 모르타르 규격(KS L 5220)에 따라 150㎛체의 잔분을 모두 모래의 함량으로 계산하였다.
2.4. 전자파 차폐효율 측정
결합재와 혼합재 및 첨가제를 적절히 혼합하여 전자파 측정에 맞는 치수로 제작된 몰드에 성형하여 전자파 차폐효율을 측정하였다. 공정을 도 4에 나타내었다.
2.5. 물리적 특성
전자파 차폐효율 측정시편 제조시의 조성으로 건조시멘트 모르타르 규격(KSL5220)에 따라 강도, 보수성 및 모래의 함량, 모래의 최대크기를 측정하였다. 공정을 도 5에 나타내었다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1. 시멘트의 전자파 자폐능 측정
본 실험에서의 기초적인 데이터로서 일반 적으로 사용하는 보통 포틀랜드 시멘트와 수화반응이 빠른 초속경 시멘트 그리고 수호반응이 천전히 진행되고 슬래그를 다량으로 함유 하고 있는 슬래그 시멘트 등 3가지 종류의 시멘트에 대해서 전도성 부가 물질을 첨가하지 않은 원재료(Raw) 상태의 결과를 알아둘 필요가 있어 시멘트 종류별에 따른 전자파 흡수 특성을 분석하였다. 도 6에 이들 세종류의 시멘트에 w/c 50%에서 28일간 수화시킨 시료의 전자파 흡수 거동을 나타내었다. 수화 28일이 지난 경우의 각 시료는 대부분 상당량의 수화가 진행되어 있기 때문에 시멘트의 종류에 따른 특성 변화는 그렇게 크지 않았다. 따라서, 본 실험에서는 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트를 중심으로 연구를 하였다. 30MHz∼1.5GHz 범위에서의 전자파의 감쇄량이 2dB 이하로 시멘트 자체만으로는 전자파 차폐기능을 기대할 수는 없었다.
3.2. 탄소섬유 첨가에 따른 전자파 차폐특성
보통 포틀랜드 시멘트에 대표적인 전도성 물질인 탄소섬유(PAN계, Pitch계)를 첨가하였을 때의 전자파 흡수 특성을 분석하였다.
도 7에 6mm의 PAN계 탄소섬유를 시멘트에 대해서 0∼2.0 중량% 첨가하였을 때의 주파수 변화에 따른 감쇄량을 나타내었다. 이때 시료의 두께는 3mm로 하였다. 탄소섬유 무첨가, 즉 순수 포틀랜드 시멘트의 경우에는 앞서도 말한바와 같이 전자파의 차폐율은 거의 없는 것으로 나타났다. 보통 포틀랜드 시멘트에 탄소섬유를 0.5 중량% 첨가하였을 경우의 감쇄량은 대부분의 측정 주파수 범위(30MHz∼3GHz)에서 20dB의 감쇄량을 보여 주고 있다. 이는 전자파의 99%가 차폐되는 효과가 있음을 보여 주고 있다. 6mm의 PAN계 섬유를 1.0 중량% 첨가하였을 경우에는 측정 주파수 범위에서 25 dB이상의 감쇄량을 보여 주고 있으며, 0.5 중량% 첨가하였을 때 보다 더 우수한 전자파 차폐효과를 보여 주고 있다. 2.0 중량% 이상 첨가 하였을 때의 차폐효과는 1.0 중량% 첨가시와 큰 변화는 보이지 않았다. 오히려 탄소섬유의 증가에 의해, 혼합성과 시공성이 나빠질 우려가 있으며, 또한 탄소섬유가 시멘트의 수화 과정에 필요한 물을 많이 흡수하기 때문에 강도 및 유동성에 나쁜 영향을 미칠 것으로 생각된다.
시멘트 경화물 중 전도성 부가 물질의 특성 및 전도성 탄소섬유의 네트워킹에 의한 도전손실 등에 영향을 미칠 것으로 생각되는데, 이를 검토하기 위해, 앞서의 6mm 보다 긴 10mm의 탄소섬유를 첨가하였을 때의 전자파 차페 특성을 분석하였다. 도 8에 10mm의 PAN계 섬유를 첨가하였을 때의 전자파 감쇄량을 나타내었다. 10mm 크기의 PAN계 탄소섬유를 0.5 중량% 첨가하였을 경우의 전자파 감쇄량은 평균 15dB 정도로 6mm의 탄소섬유보다 오히려 낮은 값을 나타내었다. 이는 탄소섬유의 길이가 길어지면 탄소섬유와 시멘트 입자와의 분산이 어려워져 탄소섬유의 엉킴 현상이 일어나기 때문이라 생각된다. 10mm의 PAN계 탄소섬유를 1.0 중량% 이상 첨가하였을 경우의 측정 주파수 범위에서의 감쇄량은 30dB 정도로 우수한 전자파 차폐 효과를 보여 주고 있다. 그러나, 6mm에 비하여 시멘트와의 혼합이 어려워지며, 또한 일정 플로우(flow)값을 얻기 위해서는 w/c비가 높아지기 때문에 강도의 저하가 예상된다.
도 9에 시료의 두께에 따른 전자파 차폐 특성을 분석하기 위하여 보통 포틀랜드 시멘트에 6mm의 PAN계 탄소섬유를 1.0 중량% 첨가하였을 때 시료의 두께를 3mm, 6mm로 변화 시켰을 때의 전자파 차폐 특성을 나타내었다. 본 실험에서는 두시편의 두께가 두꺼울수록 50MHz 주변의 특성이 약간 좋으며, 2GHz 이후는 오히려 약간 떨어지는 경향이 있으나, 큰 차이를 보이지는 않았다. 따라서 이후의 실험은 시편의 두께를 3mm로 고정하여 실험하였다.
도 10에 시료의 건조조건에 따른 전자파 차폐 특성을 분석하기 위하여 보통 포틀랜드 시멘트에 6mm의 PAN계 탄소섬유를 1.0 중량% 첨가하였을 때 시료를 대기 중에서 수화를 28일 시켰을 때의 시료와, 70℃에서 하루 동안 건조 시켰을 때의 전자파 차폐 특성을 나타내었다. 본 실험에서는 건조한 시편에서는 50MHz 주변의 특성이 약간 낮아 졌으며, 반대로 1GHz 이후는 오히려 약간 좋아지는 경향이 있으나, 큰 차이를 보이지는 않았다. 따라서 이후의 실험은 시편의 두께를 대기 중에서 28일간 수화시킨 시료를 측정 시편으로 하였다.
일반적인 탄소섬유의 제조 방법에서 PAN계 이외 Pitch계의 탄소섬유가 있다. 이는 PAN계보다는 도전성이 역간 떨어지는 것이다. 도 11에 6mm의 Pitch계 섬유를 시멘트에 대해서 0∼2.0중량% 첨가하여, 28일간 상온에서 수화 시켰을 때의 주파수 변화에 따른 감쇄량을 나타내었다. Pitch계 탄소섬유를 0.5 중량% 첨가하였을 경우 본 실험의 측정 주파수 범위에서 평균 약 9dB 정도의 감쇄량을 나타내었다. Pitch계 탄소섬유를 1.0 중량% 첨가하였을 경우에는 약 14 dB(95% 흡수) 정도의 감쇄량을 보여 주고 있으며, 2.0 중량% 첨가하였을 경우, 1.0 중량% 첨가 때와 비슷한 경향을 보여주고 있다. Pitch계보다는 PAN계 탄소섬유를 사용하였을 때 더욱 좋은 전자파 차폐효과가 있음을 알 수 있었다.
3.3. 카본 분말 첨가에 따른 전자파 차폐특성
섬유형 탄소섬유가 시멘트에 첨가되었을 때의 전자파 흡수 특성을 앞에서 논의하였다. 섬유형 탄소섬유의 경우에는 섬유끼리의 네트워킹이 좋아 도전 손실로서 작용하여 좋은 특성치를 나타내었다. 특히 도 7에 나타낸바와 같이 PAN계 탄소섬유를 첨가하였을 때의 전자파 차폐 특성이 50MHz∼3GHz 범위에서 99% 이상의 차폐효과를 보여주었다. 실제로 도전성을 가지고 있는 재료로는 탄소섬유 이외에 카본블랙, 흑연(Graphite) 등 성분이나 제조방법에 따라 여러 종류가 있다. 이들은 대부분 분말의 형태이다. 따라서, 도전성 분말이 시멘트에 첨가되었을 때의 전자파 차폐 특성을 조사하는 것도 중요하다. 도 12에 도전성 분말의 일종인 밀링된 탄소(milled carbon)(카본 분말)의 첨가량에 따른 감쇄량을 나타내었다. Milled Carbon의 첨가량은 0 중량%, 10 중량%, 20 중량%, 30 중량%로 하였다. milled carbon은 325mesh를 전통하는 것을 사용하였다. 이와 같이 milled carbon은 미분이기 때문에 30 중량% 이상 첨가를 하면 시편의 강도가 떨어질 뿐만 아니라, 성형성도 아주 나쁘고, 시편 자체가 휘어지는 현상이 발생하여 상한치로 30 중량% 까지 첨가를 하였다. 도 12에서 보는 것과 같이 milled carbon 첨가량의 증가에 따라 고주파 영역에서 전자파 차폐율이 증가되고 있음을 보여 주고 있다. 10 중량% 첨가하였을 경우 1GHz 이후의 주파수 범위에서 약 10 dB의 차폐율을 보여 주고 있으며, 20% 첨가하였을 경우에는 1GHz부터 약 14dB의 감쇄율을 보이고 있다. 이는 95%의 전자파 차폐율을 보이고 있는 것이다. Milled carbon을 30 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐특성은 20 중량% 첨가하였을 때와 큰 변화는 없었다.
3.4. 입자형 코크스 첨가에 따른 전자파 차폐특성
코크스(Cokes)란 역청탄을 1000∼1200℃에서 보통 16∼20시간 정도 건류하게 되면 각종 부산물이 발생하면서 최종적으로 정제된 고체상태의 숯 덩어리를 말한다. 석탄을 정제하는 과정에서 생산되는 코크스는 제철소의 코크스 공장에서 생산된다. 이 코크스는 좋은 전기 전도성을 보유하고 있어, 본 실험에서 도전성 재료로서 사용하였다. 코크스 분말을 첨가재료 사용을 하면 도전성 물질과의 네트워킹이 좋지 않아 전자파 특성이 좋지 않은 결과를 보였기 때문에 본 실험에서는 아래 표 3에서 나타낸 것과 같은 입도 분포를 가지는 입자형 코크스를 사용하였다.
입도분포 (㎛) 150
이하		 150∼
350		 350∼
420		 420∼
500		 500∼
590		 590∼
710		 710∼
850		 850∼
1000		 1000∼
1160
잔류 (%) 0.55 2.14 1.83 2.88 5.18 15.88 19.48 20.77 31.29
도 13에 코크스 입자를 시멘트에 대해서 50 중량%, 100중량%, 200 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐특성을 나타내었다. 입자형 코크스를 50 중량% 첨가하였을 때는 50 MHz에서는 약 4dB로 낮은 감쇄량을 보이다가 주파수의 증가에 따라 감쇄량이 증가를 하다가 약 2GHz 이후부터는 감소하는 경향을 나타내고 있다. 1.8GHz 부근의 좁은 범위에서 감쇄량이 14dB 이상으로 95% 정도의 차폐율을 보이나, 그다지 차폐효과는 높지 않았다. 입자형 코크스를 시멘트에 대해서 100 중량% 첨가하였을 경우에는 본 실험에서의 측정 주파수 범위인 30 MHz∼3GHz 거의 전 범위에서 30dB 이상의 차폐효과를 나타내었다. 특히 30MHz 에서도 감쇄량이 28dB로 높은 값을 나타내고 있어 이보다 낮은 주파수 범위에서는 좋은 결과를 보여 줄 것이라 유추된다. 입자형 코크스를 시멘트에 대해서 200 중량% 첨가하였을 경우의 전자파 차폐특성은 30 MHz 부터 30dB 로 높은 차폐율을 보이고 있으며 최대 50 dB 이상으로 좋은 특성을 보여 주고 있다. 그러나 이와 같이 강도가 약한 골재 타입의 코크스 입자를 다량으로 첨가를 하면 시멘트의 접착력이 약해져, 시멘트의 강도 저하의 원인으로 작용을 하기 때문에 너무 과다한 양의 첨가는 바람직하지 않다. 따라서 차폐효과를 높이는 것도 중요하지만, 시공상 시편의 역학적 특성을 고려한다면 코크스 입자를 시멘트에 대해서 100 중량% 정도 첨가하는 것이 전자파 차폐 특성도 만족하고, 시공상 의 기계적 강도도 만족 할 수 있으리라 생각된다.
3.5. 입자형 인조흑연 첨가에 따른 전자파 차폐특성
또 다른 전도성을 가지는 입자형 재료로서 인조흑연을 사용하여 전자파 차폐 특성을 검토하였다. 마찬가지로 분말형 흑연을 사용을 하면 전자파 차폐성과 시공성 등이 나쁘기 때문에 입자형 탄소를 이용하였다. 표 4에는 본 실험에서 사용한 입자형 인조흑연의 입도 분포를 나타내었다.
입도분포(㎛) 150
이하		 150∼
350		 350∼
420		 420∼
500		 500∼
590		 590∼
710		 710∼
850		 850∼
1000		 1000∼
1160
잔류 (%) 0.37 3.14 2.83 3.88 7.58 17.63 18.58 23.45 22.54
입자형 인조흑연을 시멘트에 대해서 50 중량%, 100 중량%, 200 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐 거동을 도 14에 나타내었다. 인조흑연을 200 중량% 첨가한 경우에는 시편의 강도가 너무 약해 시편의 제조과정에서 부서져서 측정을 하지 못하였다. 인조 흑연을 50 중량% 첨가하였을 경우 저주파 영역에서는 거의 차폐효과를 보여 주고 있지 않다. 1.5 GHz 근처에서 감쇄율이 14dB로 95% 정도의 차폐율을 보이고 있으나 전체적으로는 큰 차폐효과는 없었다. 인조흑연의 함량을 100 중량% 로 증가를 시키면 차폐효과가 약간 개선이 되는데, 50 MHz 부근에서 약 10 dB 정도의 차폐효과를 나타내고 있으며, 1.5 GHz 이상에서 14dB 이상의 감쇄량을 보여주고 있어 시멘트계 전자파 차폐용 혼합재로서의 어느 정도 가능성을 보여 주었다.
3.6. 동슬래그 첨가에 따른 전자파 차폐특성
동슬래그는 일반적으로 동 제련 과정에서 동광석중 철분과 규석이 결합하여 생성된 물질로 고압수에 의해 급냉, 수세하여 세립화 한 것이다. 동슬래그는 철분이 다량으로 함유되어 있기 때문에 어느 정도의 전도성을 가진다고 추측되어 본 실험에서는 전도성 부가 물질로 일정량 첨가하여 전자파 차폐 특성을 분석 하였다. 동슬래그는 일반적으로 동 제련 방식에 따라 크게 두 가지로, 자용로 공법(비연속식)과 연속식 동제련 방법이 있다. 당연 동제련 방법에 따라 부산되는 부산말인 동슬래그의 화학조성도 달라지게 되는데, 동제련방법에 따른 동슬래그의 화학조성을 표 5에 나타내었다.
제조방법 Fe Cu SiO2 Fe3O4 CaO MgO Al2O3
자용로식(Batch Type) 47.8 0.9 28.4 13.9 1.2 1.3 2.8
연속식(Cont. Type) 38.13 0.91 33.46 4.17 4.67 0.98 4.74
본 실험에서 동슬래그는 세골재로서 사용하였으며 입도분포를 표 6에 나타내었다.
입도분포 (㎛) 150 이하 150∼350 350∼420 420∼500 500∼590 590∼710 710∼850
잔류 (%) 0.02 0.21 3.49 5.97 11.44 28.95 49.92
도 15에 연속식 동슬래그를 시멘트에 대해서 골재로서 50∼200 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐 특성을 나타내었고, 도 16에 비연속식 동슬래그를 시멘트에 대해서 골재로서 50∼200 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐 특성을 나타내었다. 연속식 동슬래그를 첨가하였을 때의 전자파 차폐 특성은 첨가량의 증가에 따라 약간의 증가는 보이나 전체적으로는 5dB 정도로 낮은 차폐 효과를 보였다. 비연속식 동슬래그를 첨가하였을 경우에도 첨가량의 증가에 따라 역간 증가를 하였으나 감쇄량은 7dB 정도로 역시 낮은 값을 나타내었다. 연속식 보다는 비연속식 동슬래그가 약간 양호한 결과를 나타내었는데 이는 동슬래그의 화학성분 중 철분의 함량의 차에 기인하는 것으로 생각된다. 따라서 동슬래그 자체만으로는 만족할 만한 결과를 얻지 못하였기 때문에 탄소섬유 등과 병용하여 사용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
3.7. 소성 페라이트 첨가에 따른 전자파 차폐특성
일반적인 전자파 흡수체는 주로 자성재료인 페라이트를 사용하여 제조를 한다. 그러나 이는 흡수 대역이 좁고 또한 가격도 비싸며 비중이 높아 경제성, 시공성이 좋지 않다. 본 실험에서는 전자파 차폐용 무기질 도료 및 바닥용 모르타르 등으로의 용도가 주목적이기 때문에 폐 소성 페라이트를 미세하게 분쇄하여, 세골재로서 이용하였다. 시멘트에 Ni-Zn계 소성 페라이트를 분쇄한 것을 100 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐 특성을 도 17에 나타내었다. 본 실험의 결과에서는 본 실험 주파수 범위에서 벗어나는 30MHz 이하에서 차폐효과의 개선이 기대되나, 전체적으로는 폐 페라이트 첨가에 따라 약간의 전자파 차폐능의 개선은 보이지만 그렇게 커 보이지 않았다. 따라서, 시멘트계 바인다를 사용하고 미립의 폐 소성 페라이트를 사용할 경우에는 다른 도전성 재료와의 복합화가 필요하리라 생각된다.
3.8. 실리콘 웨이퍼 슬러지 첨가에 따른 전자파 차폐특성
반도체 제조 공정에 필요한 단결정의 실리콘 웨이퍼는 연마 가공을 하여 사용하고 있다. 이 과정에서 연마재와 더불어 다량의 Si를 함유하는 슬러지가 발생한다. 이 실리콘 웨이퍼 슬러지의 유효이용이라는 관점에서 본 실험의 전자파 차폐용 무기도료의 첨가재로서의 타당성 여부를 실험하였다. 포틀랜드 시멘트에 미세한 분말의 실리콘 웨이퍼 슬러지를 10 중량%, 20 중량%, 30 중량% 첨가하여 실험을 하였으나, 실리콘 웨이퍼 슬러지와 시멘트와는 수화 반응이 거의 일어나지가 않아 시료가 경화하지 않았다.
4.1. 배합설계에 따른 전자파 차폐 특성
탄소섬유 단독이나 입자형 탄소재료 만으로는 목적으로 하는 물성을 얻기가 힘들다. 예를 들면 PAN계 탄소섬유만을 첨가재로 하였을 경우 전자파 차폐특성은 우수하였으나 목적으로 하는 전자파 차폐특성을 얻기 위해서는 1.0중량% 이상 첨가를 하여야만 한다. 섬유형 탄소재료는 흡수성이 있기 때문에 1.0중량% 이상 첨가를 하게 되면 시공성이 나빠질 뿐만 아니라, 원하는 유동성을 얻기 위해서는 물량이 많아지기 때문에 강도가 떨어지게 된다. 그리고 입자형 탄소 재료인 경우에는 코크스를 제외하고는 전자파 차폐특성이 크게 개선되지는 않는다. 또한 코크스를 골재로 첨가를 하게 되면 강도가 떨어지기 때문에 전자파 차폐효과의 개선이라는 측면에서뿐만 아니라 강도 개선이라는 측면에서도 섬유형 탄소재료와의 병용이 필요하게 된다. 또한, 용도에 따른 실제 응용적인 측면에서 다른 세골재와의 병용도 필요하게 된다.
도 18에 입자형 코크스에 PAN계 탄소섬유를 첨가 하였을 때의 전자파 차폐특성을 나타내었다. 코크스 입자만으로는 목적으로 하는 강도를 얻기 어렵기 때문에 강도 개선적인 측면에서도 PAN계 탄소섬유를 첨가하였다. 탄소섬유량의 증가로 약간의 전자파 차폐특성은 개선되었으나, 1.0 중량% 이상에서는 큰 효과가 없었다.
앞서 살펴본 바와 같이 도 16에는 비연속식 동슬래그의 첨가량에 따른 전자파 차폐특성을 나타내었다. 도 16에서 나타낸바와 같아 동슬래그 자체만으로는 목적으로 하는 주파수 범위에서 20dB 이상의 전자파 차폐효과를 얻을 수 없었다. 따라서 원하는 전자파 차폐특성을 부여하기 위해서 탄소섬유를 병행하여 첨가하고 그 결과를 도 19에 나타내었다. 동슬래그의 첨가량은 시멘트 100 중량부에 대해서 동슬래그도 100 중량부 첨가하였다. 탄소섬유 무첨가의 경우에는 전 주파수 범위에서 7 dB 이하의 전자파 차폐 특성을 나타내었으나 탄소섬유를 1.0 중량% 이상 첨가하였을 경우 전자파 감쇄량이 20 dB 이상으로 우수한 결과를 나타내었다. 따라서, 산업 부산물인 동슬래그의 용도 확대와 전자파차폐 특성의 기능을 부여하기 위해서는 다른 전도성을 가지는 재료와의 병용이 필요하리라 생각된다. 도 19는 탄소섬유를 1.0 중량% 첨가하였을 때의 전자파 특성을 나타낸 것이다.
도 20에는 보통 포틀랜드 시멘트 100중량부에 소성페라이트 100중량부를 첨가하고 PAN계 탄소섬유를 1.0 중량% 첨가하였을 때의 전자파 차폐특성을 나타낸 것이다. 도 17에 나타낸 것과 같이 시멘트계를 바인다로 사용할 경우 소성페라이트 자체만으로는 목적으로 하는 전자파 특성을 보여주고 있지 못하다. 따라서, 도 20에 나타낸 것과 같이 탄소섬유와의 병용을 통하여 20dB 이상의 차폐능을 얻을 수 있었다.
지금까지는 시멘트를 결합재로 사용하고 혼합재로서 전도성 물질을 첨가하였을 때의 전자파 특성을 살펴보았다. 실제 바닥용이나 벽면용 몰탈의 응용면에서 위의 조성만으로도 적용할 수 있으나, 세골재로 일반적인 모래 성분을 이용하는 경우도 있을 것이다. 따라서 전도성 물질이 아닌 세골재와의 병용에 대해서도 알아 볼 필요가 있다. 도 21에 시멘트와 모래 그리고 동슬래그를 1:1:1로 혼합을 하고 PAN계 탄소섬유 첨가량에 따른 전자파 차폐특성을 나타내었다. 시멘트, 모래, 동슬래그 만으로는 목적으로 하는 전자파 차폐특성은 얻지 못하였으며, PAN계 탄소섬유와 병용하여야만 전자파 차폐효과를 나타내었다. 첨가량이 증가함에 따라 전자파 차폐효과는 좋아졌다. 그러나 실제응용적인 면에서는 어느정도의 목적으로 하는 강도를 보여줘야 하기 때문에 탄소계 섬유의 과량 첨가는 물량의 증가를 초래하게 되어 강도면에서는 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 너무 과다한 양의 첨가는 강도서는 악영향을 미치기 때문에 탄소섬유 1.0중량% 정도의 첨가가 적절하리라 생각된다.
도 22에는 시멘트, 모래, 코크스를 1:1:1로 혼합하고 PAN계 탄소섬유 첨가량에 따른 전자파 특성을 ASTM 4935에 의하여 측정하여 그 결과를 나타내었다. 마찬가지로 시멘트, 모래, 코크스 입자 만으로는 원하는 물성이 보여주고 있지 않았으며, PAN계 탄소섬유를 첨가함으로서 전자파 차폐효과를 나타내고 있다. 첨가량이 증가함에 따라 전자파 차폐 특성이 개선됨을 알 수 있다.
4.2. 비저항 측정
전자파 차폐재료는 Ohms 손실을 이용한 재료로서 각 재료의 비저항 값이 전자파 차폐특성에 큰 영향을 미친다. 도 23에 전자파 특성이 우수 하였던 코크스를 첨가 하였을때와 인조흑연을 첨가하였을 때의 비저항 값을 나타내었다. 전자파 차폐 특성이 우수하였던 코크스를 첨가하였을 경우가 낮은 비저항 값을 나타내고 있다. 또한 도전성 물질의 첨가량이 증가할수록 비저항 값이 낮아진다.
도 24에는 탄소섬유 1.0 중량%를 병용 첨가하였을 때의 비저항 값을 나타내었다. 보통 보트랜드 시멘트보다는 동슬래그 특히 코크스를 첨가하였을 경우가 더 낮은 비저항 값을 나타내고 있음을 보여주고 있다. 이는 전자파 차폐특성의 개선과 일치함을 또한 알 수가 있다. 따라서 시멘트계를 바인더로 사용할 경우 전자파 차폐 특성을 개선하기 위해서는 도전성을 가지는 재료의 첨가가 필수적이며 본 실험에서는 PAN계 섬유를 병용하여 사용하는 것이 더욱 효과적이었다.
도 25에는 도 21에 나타낸 조성(시멘트 : 모래 : 동슬래그 = 1:1:1)의 조성에서 탄소섬유 첨가량에 따른 비저항 값을 나타내었다. 탄소섬유 첨가량이 증가할수록 저항?이 낮아지고 있음을 나타내고 있다. 1.0 중량% 이상 첨가하였을 때의 비저항 값에는 큰 편화가 없었다.
도 26에는 시멘트: 모래 : 코크스를 1:1:1로 혼합하였을 때 탄소섬유 첨가량에 따른 비저항값을 나타내었다. 동슬래그를 첨가 한 것에 비해 코크스를 첨가하였을 때의 비저항 값이 낮게 나타났으며 탄소 섬류 첨가량의 증가로 비저항 값이 약간 감소함을 보여 주고 있다.
4.3. 물리적 특성
실제적인 전자파 차폐재료의 응용면 에서는 주로 벽면용이나 바닥용 몰탈로 이용되는 경우가 많을 것이다. 이를 위해서는 전저파 차폐특성이 우수함 뿐만아니라 전자파흡수 몰탈 자체의 물리적인 특성도 중요하게 작용한다. 표 7에 w/c 비를 50%로 고정하였을 때의 전자파 차폐특성이 우수하였는 조성의 압축 강도를 나타내었다.
조성 W/C(%) 강도 (kgf/㎠)
3일 7일 28일
Sand 100% 50 494 552 650
Cokes 100% 50% 281 342 365
Cokes 100%+PAN계 0.5% 50% 290 356 385
Cokes100%+PAN계 1.0% 50% 315 368 395
Cokes100%+PAN계 2.0% 50% 230 270 290
Cu-Slag100%+PAN계 1.0% 50% 335 375 405
전조성에서 바닥용 몰탈의 KS기준을 초과하였다. 탄소섬유를 첨가함에 따라 강도는 약간 증가를 하게 되나 탄소섬유의 함량이 높아짐에 따라 작업성이 나빠져서 첨가량이 2.0 중량%에서는 오히려 강도가 줄어드는 경향을 보였다. 따라서 전자파 차폐 특성뿐만 아니라 물리적인 성질을 고려한다면 탄소계 섬유를 2.0 중량%이상 첨가하는 것은 바람직하지 않다고 생각된다.
본 실험의 도전성 복합물에 전기전도성을 부여하기 위해 도전성 골재는 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료의 혼합물을 사용하였다. 입자형 탄소재료만을 사용하는 경우에는 강도, 전기전도성 등에 문제가 있어 응용범위가 제한적이었으며, 섬유형 탄소재료만을 사용하는 기술의 경우에 혼합성능이 좋지 않아 작업성에 문제가 있고, 섬유의 균일한 분산이 어려워 전기전도성을 좋게 하는데는 한계가 있는 것과는 달리 본 실험에서는 상기 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료를 혼합 사용하되, 바람직하기로 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료를 0.5에서 2.0 중량비로 혼합 사용함으로써 낮은 도전성 골재 비율로도 우수한 전기전도성을 얻을 수 있어, 강도증진, 도전성재료 절감 등의 상승효과를 얻을 수 있다. 만일, 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료의 혼합비가 0.5 중량비 미만이면 섬유형 탄소재료 첨가에 의한 상승효과가 줄어들며 2.0 중량비를 초과하면 섬유의 양이 너무 많아져서 작업시 섬유의 분산성이 나빠 작업성이 떨어지는 문제가 있다.
그러므로 PAN계 탄소섬유의 양을 1∼2중량%로 하고, 입자형 탄소소재는 그 비중에 따라 50∼100중량부로 하였을 때 전자파 차폐성능이 우수하였으며, 이는 전자파 차폐 시멘트의 최적 배합비로 판단되어진다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (15)

  1. 시멘트;
    상기 시멘트 100중량부에 대하여 탄소섬유 0.1∼2중량부;
    상기 탄소섬유 100중량부에 대하여 밀링된 탄소(milled carbon) 분말 50∼200중량부;
    상기 시멘트 100중량부에 대하여 인조흑연 10∼100중량부;
    상기 시멘트 100중량부에 대하여 실리콘 웨이퍼 슬러지 10∼30중량부; 및
    상기 시멘트 100중량부에 대하여 입자형 코크스 50∼100중량부를 포함하며,
    상기 탄소섬유는 FeCo계 자성물질로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  2. 시멘트;
    상기 시멘트 100중량부에 대하여 탄소섬유 0.1∼2중량부;
    상기 탄소섬유 100중량부에 대하여 밀링된 탄소(milled carbon) 분말 50∼200중량부;
    상기 시멘트 100중량부에 대하여 인조흑연 10∼100중량부;
    상기 시멘트 100중량부에 대하여 실리콘 웨이퍼 슬러지 10∼30중량부; 및
    상기 시멘트 100중량부에 대하여 입자형 동슬래그 50∼100중량부를 포함하며,
    상기 탄소섬유는 FeCo계 자성물질로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소섬유는 피치(Pitch)계 탄소섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소섬유는 10mm보다 작은 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 폐 소성 페라이트 10∼100중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 동슬래그 10∼100중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 코크스는 100∼1200㎛ 크기의 입자형 코크스로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  12. 제2항에 있어서, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 코크스 10∼100중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  13. 제2항에 있어서, 상기 동슬래그는 100∼900㎛의 입경을 갖는 입자형 동슬래그로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 조성물.
  14. 제1항 또는 제2항에 기재된 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 모래가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 모르타르.
  15. 제1항 또는 제2항에 기재된 전자파 차폐성 시멘트 조성물에 모래와 골재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성 시멘트 콘크리트.
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