KR102388653B1 - 분말형 카본섬유를 이용한 emp 차폐용 시멘트 조성물 - Google Patents

Abstract

EMP 차폐용 시멘트 조성물이 개시된다. 본 발명의 분말형 카본섬유를 이용한 EMP 차폐용 시멘트 조성물은, 전자기 펄스의 차폐가 요구되는 시설물이나 구조물의 시공에 사용되는 시멘트 조성물에 있어서, 시멘트 및 카본섬유를 포함하고, 상기 카본섬유는 상기 시멘트의 전체 중량에 대하여 1~15중량%로 혼입된다.

Description

분말형 카본섬유를 이용한 EMP 차폐용 시멘트 조성물{CEMENT COMPOSITION FOR SHIELDING ELECTRO MAGNETIC PULSE USING POWDER TYPE CARBON FIBER}

본 발명은 전자기 펄스 혹은 전자기파(EMP: Electro Magnetic Pulse)를 차폐하는 성능을 발현하는 시멘트 조성물에 관한 것으로, 전자기 펄스 혹은 전자기파 공격에 의해 전력망, 통신망, 전자장비 등 국가기반 시설물들이 마비되는 것을 대비하고자, 전자기 펄스의 차폐가 요구되는 시설물들의 시공에 사용되는 EMP 차폐용 시멘트 조성물에 관한 것이다.

일반적인 핵무기는 공중에서 폭발하며 피해요인으로는 열, 폭풍, 방사능이지만, 최근에는 변형된 핵무기로서 고고도 전자기 펄스(HEMP: High-altitude Electromagnetic Pulse)를 발생시켜서 전자기기를 무력화시키는 것을 목표로 개발되고 있는데, 이는 EMP(Electro Magnetic Pulse) 공격을 통한 전력망, 통신망, 전자장비 등의 국가기반 시설들의 마비를 시킬 목적으로 예측되고 있다.

이에 대비하고자 국가중요 시설물은 EMP 차폐실을 구축하고 있거나 구축 중에 있다. 기존의 차폐실은 구조물 내부에 밀폐된 도체의 격실로 구성하고 있으며, 이 중 차폐판의 경우 도전성이 우수한 금속판(예컨대, 아연 도금판, 구리판 등)을 사용하여 가공 후 조립이나 용접을 통해 결합하고 있다. 그러나 이와 같은 방법은 시공 비용이 높아 경제성이 낮으며 가공의 어려움과 용접 및 볼트 체결 부위에서 EMP의 유입가능성 문제점을 가지고 있다. 따라서 이를 해결하기 위한 추가 연구가 필요한 실정이나 차폐공법이나 차폐재 개발을 위한 연구는 아직까지 부족한 실정이다.

한편, 건설현장에서 가장 많이 사용되는 재료 중 시멘트에 EMP 차폐 성능을 부여하고자 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)에 금속재료를 혼입하는 방법이 최근 제안되고있으나, 금속재료의 경우 비중이 높거나 부식이 위험이 있어 시멘트 혼입재료로 사용하기에는 부적합하다.

이에, 본 발명은 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)에 혼입되는 바람직한 시멘트 혼입재료를 선정하고 그 바람직한 혼입량을 결정하여 이를 통해 EMP 차폐 시설물이나 구조물의 시공시 구조체 자체로서 우수한 EMP 차폐 성능을 발현시킬 수 있는 EMP 차폐용 시멘트 조성물을 제안하고자 한다.

관련 선행기술문헌으로는 등록특허공보 제10-2217333호(발명의 명칭: 전자파 차폐용 콘크리트 조성물, 공고일자: 2021년 02월 18일), 등록특허공보 제10-2246779호(발명의 명칭: 도전성 탄소를 포함하여 전자파 차폐효과를 구현함과 동시에 우수한 압축강도를 갖는 초고성능 콘크리트 조성물 및 그 제조방법, 공고일자: 2021년 05월 03일) 등이 있다.

본 발명의 목적은, EMP 차폐 시설물이나 구조물의 시공시 구조체 자체로서 우수한 EMP 차폐 성능을 발현시키면서도 요구되는 시멘트의 물리적 성능을 확보할 수 있는 EMP 차폐용 시멘트 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 전자기 펄스의 차폐가 요구되는 시설물이나 구조물의 시공에 사용되는 시멘트 조성물에 있어서, 시멘트 및 카본섬유를 포함하고, 상기 카본섬유는 상기 시멘트의 전체 중량에 대하여 1~15중량%로 혼입되는 것을 특징으로 하는 분말형 카본섬유를 이용한 EMP 차폐용 시멘트 조성물에 의해 달성된다.

여기서, 상기 카본섬유는 분말형 카본섬유로 제공되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 분말형 카본섬유는 90~110㎛ 범위의 평균섬유길이를 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 분말형 카본섬유는 카본 함유량(Carbon Content) 90% 이상, 섬유 직경(Filament Diameter) 7㎛, 부피 밀도(Bulk Density) 0.22~0.28ｇ/㎖, 인장 강도(Tensile Strength) 3,150Mpa, 영률(Youngs Modulus) 210GPa, 파단시 연신율(Elongation At Break) 1.1~1.4% 일 수 있다.

바람직하게, 상기 카본섬유는 상기 시멘트의 전체 중량에 대하여 4~6중량%로 혼입될 수 있다.

바람직하게, 상기 EMP 차폐용 시멘트 조성물은 플라스틱 분쇄물을 더 포함하고, 상기 플라스틱 분쇄물은 폐 발포폴리에틸렌 자재를 직경 0.1~5mm로 분쇄하여 제조된 분쇄물로 제공되되, 시멘트의 전체 중량에 대해 0.1~5중량%로 혼입될 수 있다.

바람직하게, 상기 EMP 차폐용 시멘트 조성물은 천연 제올라이트 혼화재를 더 포함하고, 상기 천연 제올라이트 혼화재는 발수유효성분이 함침된 천연 제올라이트 분말로 제공되되, 상기 시멘트 100중량%에 대하여 1~5중량%로 혼입될 수 있다.

본 발명은, 전자기 펄스의 차폐가 요구되는 시설물이나 구조물의 시공에 사용되는 EMP 차폐용 시멘트 조성물에 있어서 시멘트 혼입재료로 분말형 카본섬유를 선정하고 그 바람직한 혼입량을 제시함으로써, 시설물이나 구조물의 시공에 있어서 요구되는 시멘트의 물리적 성능을 확보하면서도 우수한 EMP 차폐 성능을 발현시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 분말형 카본섬유를 촬영한 사진으로, 도 1a는 육안 형태의 사진이고, 도 1b는 SEM 분석장비를 통하여 100배 확대한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예에 따른 실험체에 대한 유동성 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예에 따른 실험체에 대한 압축강도 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 수화물 조직간 MCF의 분포를 확인하기 위하여 SEM 분석장비로 본 발명의 실시예 2에 따른 실험체와 비교예에 따른 실험체의 형상을 보여주는 확대 사진이다.
도 5는 0.75GHz∼2.0GHz 주파수 영역범위에서 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예에 따른 주파수 영역별 차폐성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예에 대해 0.75GHz~2.0GHz의 주파수 영역범위에서의 평균 차폐율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2와 비교예에 따른 실험체에 대해 두께별 EMP 차폐 성능을 나타낸 그래프이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

본 발명은 전자기 펄스(EMP: Electro Magnetic Pulse)의 차폐가 요구되는 시설물의 시공에 사용되는 시멘트 조성물에 관한 것으로, 시멘트 및 카본섬유를 포함하되, 카본섬유는 시멘트의 전체 중량(100중량%)에 대하여 1~15중량%로 혼입된다.

그리고, 본 발명의 EMP 차폐용 시멘트 조성물에 있어서, 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC: Ordinary Portland Cement)로 제공되고, 카본섬유는 분말형 카본섬유로 제공된다.

참고로, '분말형 카본섬유'는 밀드 카본섬유((MCF: Milled Carbon Fiber) 또는 저직경 카본섬유라고도 하며, 통상 특수재질의 플라스틱이나 고강도의 플라스틱 제조에 사용되는 재료로서 탄소계열의 재료이다.

본 발명의 EMP 차폐용 시멘트 조성물에 있어서, 분말형 카본섬유는 90~110㎛ 범위의 평균섬유길이를 갖는 분말형 카본섬유를 사용하는 것이 바람직하며(가장 바람직하게는 100㎛의 평균섬유길이), 더 나아가 분말형 카본섬유는 카본 함유량(Carbon Content) 90% 이상, 섬유 직경(Filament Diameter) 7㎛, 부피 밀도(Bulk Density) 0.22~0.28ｇ/㎖, 인장 강도(Tensile Strength) 3,150Mpa, 영률(Youngs Modulus) 210GPa, 파단시 연신율(Elongation At Break) 1.1~1.4% 인 분말형 카본섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

위와 같은 특성을 갖는 본 발명의 분말형 카본섬유는 시설물이나 구조물의 시공에 있어서 요구되는 시멘트의 물리적 성능을 확보하면서도 우수한 EMP 차폐 성능을 발현시키기 위해, 시멘트의 전체 중량(100중량%)에 대하여 1~15중량%로 바람직하며, 더 바람직하게는 시멘트의 전체 중량(100중량%)에 대하여 4~6중량%로 혼입되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 EMP 차폐용 시멘트 조성물은 플라스틱 분쇄물을 더 포함할 수 있는데, 이때 플라스틱 분쇄물은 폐 발포폴리에틸렌 자재를 직경 0.1~5mm로 분쇄하여 제조된 분쇄물로 제공되되, 시멘트의 전체 중량(100중량%)에 대해 0.1~5중량%로 혼입되는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 EMP 차폐용 시멘트 조성물에서 플라스틱 분쇄물은 발포폴리에틸렌 재질로 이루어지며, 구체적으로 보온재, 완충재 등으로 사용되었던 폐 발포폴리에틸렌 자재를 재활용하는 방식으로 폐 발포폴리에틸렌 자재를 직경 0.1~5mm로 분쇄하여 제조된 분쇄물로 제공되는 것이다. 이러한 폐 발포폴리에틸렌 분쇄물은 비표면적이 높은 열가소성 물질로서 콘크리트의 수화열을 흡수하여 수화열을 저감시키는 효과가 뛰어나 이를 통해 콘크리트의 수축에 의한 균열을 방지함으로써, 시설물이나 구조물의 시공에 있어서 요구되는 압축강도를 지속적으로 확보하는데 기여할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 EMP 차폐용 시멘트 조성물은 천연 제올라이트 혼화재를 더 포함할 수 있는데, 이때 천연 제올라이트 혼화재는 발수유효성분이 함침된 천연 제올라이트 분말로 제공되되, 시멘트의 전체 중량(100중량%)에 대하여 1~5중량%로 혼입되는 것이 바람직하다.

구체적으로, 천연 제올라이트 분말은 실란-실록산계 수성 발수제로부터 발수유효성분이 함침될 수 있다. 더 구체적으로, 천연 제올라이트 혼화재는 천연 제올라이트 분말을 실란-실록산계 수성 발수제에 침지시킨 후, 실란-실록산계 수성 발수제의 수분이 증발하고 실란-실록산계 수성 발수제의 발수유효성분이 천연 제올라이트 분말에 충분히 침투되도록 미리 정해진 시간 동안 건조시키는 건조 공정, 및 건조 공정을 통해 얻은 천연 제올라이트 분말을 체에 걸러내는 미분말화 공정에 의해 제조될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 EMP 차폐용 시멘트 조성물에서 천연 제올라이트 혼화재는 발수 성능을 발현시키기 위한 구성 성분으로, 시멘트 혹은 콘크리트 시설물이나 구조물 내에 수분이 EMP 차폐 성능에 많은 영향을 주는 것으로 알려져 있는 바, 최대한 수분의 영향을 줄기기 위해 발수 성능을 발현시킬 수 있는 천연 제올라이트 혼화재를 시멘트에 혼입하여 사용하는 것이다. 특히, 발수유효성분이 함침된 천연 제올라이트 분말로 제공되는 본 발명의 천연 제올라이트 혼화재는 통상적인 발수제와 다르게 시멘트나 콘크리트 내부에서의 고른 분산력을 통해 충분한 발수 성능을 확보하면서도 요구되는 압축강도 등의 물리적 특성을 충족시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들과 그 실험 결과를 설명함으로써, 본 발명의 구성 및 작용효과를 더 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며, 이하에서 개시되는 실시예들에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

1. 실험 개요 및 방법

<실험 개요>

EMP 차폐는 일반적으로 반사손실, 투과손실, 다중반사 손실의 세 가지 원리에 의해 이루어진다. 첫 번째로 재료의 표면 공기층에서 전파가 통과하는 차폐재의 임피던스 차이에 의하여 발생하는 반사손실이며, 두 번째는 주로 탄소계 또는 자성계 재료를 대상으로 전자파가 차폐재를 통과하면서 저항성 손실에 의해 열로 변환되어 손실되는 흡수손실이 있다. 세 번째는 차폐재 내부로의 재반사와 EMP 산란 등에 의해 투과하지 못하고 전도성 재료를 타고 다른 방향으로 발생하는 다중반사 손실이 있다. 이 세 가지 손실 중 가장 효과 적인 것은 세 번째 다중반사 손실이며 이는 재료내 전도성 물질의 함량이 증가 할수록 EMP 차폐 효과는 증가한다. 또한 EMP 차폐에서 사용하는 ‘dB’의 단위를 사용하며 차폐성능을 나타내는 지표로 사용된다. 따라서 본 실험에서는 콘크리트 재료 중 가장 기본적이고 흔히 사용되는 시멘트를 대상으로 EMP 차폐 효과를 부여 하고자 카본계열의 섬유인 분말형 카본섬유를 사용하여 EMP 차폐 성능을 평가하고자 한다.

위 [표 1]은 본 실험의 실험 인자 및 수준을 나타낸 표이다. 실험체 제작은 시멘트의 고유한 성능을 평가하고자 시멘트 페이스트로 제작하였다. 또한 분말형 카본섬유 및 EMP 차폐 성능을 평가하고자 분말형 카본섬유의 혼입량은 시멘트 전체 사용량 대비 1중량%, 5중량%, 10중량% 및 20중량%를 추가 혼입하여 사용하였으며, 최적의 분말형 카본섬유의 혼입량을 찾고자 하였다. 또한 최적의 분말형 카본섬유의 혼입량을 두께 100mm에서 EMP 차폐 성능을 1차적으로 평가 검토한 후, 최적의 혼입량 가지는 배합을 대상으로 두께별 EMP 차폐 성능을 확인하고자 하였으며 이때 두께는 100mm, 200mm 및 300mm를 기준으로 Dual shielded room에서 차폐 성능 평가를 실시하였다.

위 [표 2]는 본 실험에 사용된 비교예 및 실시예 1 내지 5에 따른 시멘트 페이스트 배합표를 나타낸다.

본 실험에 있어서 실시예 1 내지 5는 시멘트에 본 발명의 분말형 카본섬유를 혼입하여 제작한 실험체들로서, 시멘트 전체 중량에 대하여 실시예 1(MCF-1)은 분말형 카본섬유가 1중량%로 혼입되고, 실시예 2(MCF-5)는 분말형 카본섬유가 5중량%로 혼입되며, 실시예 3(MCF-10)은 분말형 카본섬유가 10중량%로 혼입되고, 실시예 4(MCF-15)는 분말형 카본섬유가 15중량%로 혼입되며, 실시예 5(MCF-20)는 분말형 카본섬유가 20중량%로 혼입된다. 그리고, 비교예(Plain)는 분말형 카본섬유가 혼입되지 않은 순수한 시멘트 페이스트로 제작된 실험체이다.

<사용 재료 및 실험체 제작>

본 실험에서 시멘트는 KS L 5201에 적합한 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 분말형 카본섬유는 평균섬유길이 100㎛를 자 미세한 입자형태의 카본섬유를 사용하였다. 이는 통상적으로 카본섬유를 최대로 분쇄 할 수 있는 크기가 100㎛이며, 시멘트와 분체 혼합을 하였을 시 혼합 성능이 가장 우수하기 때문에 100㎛의 평균섬유길이를 갖는 분말형 카본섬유를 사용한 것이다.

위 [표 3]은 본 실험에 사용된 분말형 카본섬유의 특성을 나타낸다. [표 3]을 참조하면, 본 실험에 사용된 분말형 카본섬유는 카본 함유량(Carbon Content) 90% 이상, 섬유 직경(Filament Diameter) 7㎛, 부피 밀도(Bulk Density) 0.22~0.28ｇ/㎖, 인장 강도(Tensile Strength) 3,150Mpa, 영률(Youngs Modulus) 210GPa, 파단시 연신율(Elongation At Break) 1.1~1.4% 인 분말형 카본섬유이다.

도 1은 본 실험에 사용된 분말형 카본섬유를 촬영한 사진 도면으로, 도 1a는 육안 형태의 사진이고, 도 1b는 SEM 분석장비를 통하여 100배 확대한 사진이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실험에 사용된 분말형 카본섬유 평균섬유길이가 100㎛이므로 육안으로는 일반적인 분말 형태로 보이나, SEM 분석장비로 확대하였을 경우에는 섬유 형태가 관찰되었다.

한편, 실험체 제작에 사용된 몰드는 두께별 차폐율 측정을 위해 300mm×300mm×(100~300mm)의 주물형 몰드를 사용하여 시멘트 페이스트로 제작하였다. 구체적으로, 물/시멘트비(W/C) 40%의 시멘트를 페이스트를 콘크리트 믹서로 혼합 후 주물형 몰드형 타설하였으며, 타설 2시간 후 소정의 가열온도 곡선에 따라 7일간 증기양생을 실시하였다. 증기양생 이후는 60℃의 건조기에서 2주간 건조를 실시하였다. 증기양생과 건조를 실시한 이유는 실험체내 수분은 EMP 차폐 성능에 많은 영향을 미치기 때문에 최대한 수분에 의한 영향을 배제하기 위한 것이다.

EMP 차폐 측정은 미군 시방서 MIL-STD-188-125-1의 실험방법을 준용하여 실시하였다. EMP 차폐 측정시 안테나는 주파수에 따라 교체해서 사용해야 하는데, 이는 안테나마다 측정 범위 주파수가 있기 때문이다. 주로 3가지의 안테나를 사용하는데, LOOP 안테나의 경우 10kHz∼20MHz까지 측정하며, Bi-Conical 안테나의 측정 범위는 20MHz∼300MHz이고, Log Periodic 안테나는 300MHz∼2GHz까지 측정할 수 있다.

2. 시험 결과 및 고찰

<시멘트 페이스트의 물리적 성능 평가 결과>

도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예에 따른 실험체에 대한 유동성(Flow) 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 유동성 측정 실험은 KS L 5111에 따라서 실시하였다. 유동성 측정 결과, 도 2에 도시된 바와 같이 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량이 10중량%까지(실시예 1, 실시예2 및 실시예 3)는 유동성의 변화가 크게 나타나지 않았으나, 분말형 카본섬유(MCF)가 15중량% 이상으로 혼입되는 경우(실시예 4 및 실시예 5의 경우)에서는 급격한 유동성 감소가 나타났다. 이는 분말형 카본섬유(MCF)의 크기(평균섬유길이)가 100㎛이하로서 미세한 입자로 되어 있으며 미세한 입자의 분말형 카본섬유(MCF)가 배합수와 흡착으로 인해 유동성이 저하되는 것으로 판단된다.

도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예에 따른 실험체에 대한 압축강도 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 압축강도 측정 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 분말형 카본섬유(MCF)가 혼입됨에 따라 강도발현은 높게 나타났다. 이는 미세한 분말형 카본섬유(MCF)가 시멘트 페이스트의 수화물 간의 조직을 연결하여 더욱 견고하게 유지하기 때문인 것으로 사료된다. 다만 5중량%를 초과하는 분말형 카본섬유(MCF)를 사용한 실시예 3(MCF-10), 실시예 4(MCF-15) 및 실시예 5(MCF-20)는 비교예(Plain) 보다는 높지만 실시예 2(MCF-5) 보다는 낮은 압축강도를 나타났다. 즉 압축강도 측면에서는 분말형 카본섬유(MCF)를 5중량%로 혼입한 실시예 2(MCF-5)의 실험체가 가장 높은 압축강도를 발현하였다.

도 4는 수화물 조직간 MCF의 분포를 확인하기 위하여 SEM 분석장비로 본 발명의 실시예 2(MCF-5)에 따른 실험체와 비교예(Plain)에 따른 실험체의 형상을 보여주는 확대 사진이다.

도 4를 참조하면, 비교예(Plain)의 실험체에서는 분말형 카본섬유(MCF)가 발견되지 않았으나, 실시예 2(MCF-5)의 실험체에서는 분말형 카본섬유가 시멘트 페이스트의 조직을 연결하듯 수화물 사이에 배치하고 있는 모습을 나타났다. 따라서 시멘트 수화물 조직간 혼입된 분말형 카본섬유(MCF)의 영향으로 압축강도가 증가하였음을 확인할 수 있었으며, 인장강도 또한 증가 할 것으로 사료된다.

<EMP 차폐 성능 평가 결과>

도 5는 미군 시방서 MIL-STD-188-125-1의 실험 방법을 준용하여 0.75GHz∼2.0GHz의 주파수 영역범위에서 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량에 따른 주파수 영역별 차폐성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5를 참조하면, EMP 차폐 성능 실험 결과 비교예(Plain)의 실험체는 평균 20dB 이하의 차폐 성능을 나타냈는데, 이는 실질적으로 EMP 차폐 성능이 없는 것으로 볼 수 있다. 그리고 분말형 카본섬유(MCF)가 1중량%로 혼입된 본 발명의 실시예 1의 실험체는 비교예(Plain)보다는 약간 높은 차폐 성능을 나타냈지만 기술적으로 의미있는 차폐 성능은 아니라고 보아야 할 것이다. 그러나 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량이 5중량% 이상인 본 발명의 실시예 2(MCF-5), 실시예 3(MCF-10), 실시예 4(MCF-15) 및 실시예 5(MCF-20)의 경우, 측정 주파수 범위에서 50dB이상의 차폐 성능을 나타냈으며, 특히 실시예 2(MCF-5)의 실험체가 주파수 1.3GHz에서 70dB의 범위로 가장 높은 차폐율을 나타났다. 비교예(Plain)와 대비하여 본 발명의 실시예 2(MCF-5), 실시예 3(MCF-10), 실시예 4(MCF-15) 및 실시예 5(MCF-20)의 EMP 차폐 효과는 약 30dB 이상의 차폐 성능 차이가 발생하는 것으로 나타났다.

도 6은 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량에 따른 0.75GHz~2.0GHz의 주파수 영역범위에서의 평균 차폐율을 나타낸 그래프이다.

도 6을 참조하면, 평균 차폐율 분석결과 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량이 1중량%인 실시예 1(MCF-1)을 제외하고, 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량이 5~20중량%인 실시예 2 내지 5까지의 차폐율은 주파수별 차폐 효과 차이는 크게 발생하지 않았다. 즉, 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량에 따른 EMP 차폐 성능을 평가한 결과, 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량이 증가할 수록 제조 단가가 상승하는 점을 감안할 때, 분말형 카본섬유(MCF)의 적정 사용량 혹은 적정 혼입량은 실시예 2(MCF-5)를 기준으로 할 때 4~6중량%가 최적의 범위라고 판단된다.

도 7은 본 발명의 실시예 2(MCF-5)와 비교예(Plain)에 따른 실험체에 대해 두께별 EMP 차폐 성능을 나타낸 그래프이다.

도 7을 참조하면, 비교예(Plain)의 실험체는 두께와 상관없이 차폐 효과가 낮게 나타났다. 이로서 분말형 카본섬유 등의 차폐 재료가 혼입되지 않은 시멘트는 두께가 증가하더라도 차폐 성능에 영향을 못 미치는 것으로 판단된다. 그러나 본 발명의 실시예 2(MCF-5)의 실험체는 두께 100mm에서는 40~60dB의 차폐율을 나타내었고, 두께 200mm에서는 50~75dB, 300mm는 65~85dB의 차폐율이 나타났는데, 즉 두께가 증가할 수록 차폐율은 증가하는 것으로 확인되었다. 이는 두께가 증가됨에 따라 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량이 증가한 것과, 두께 증가에 따라 EMP 스펙트럼이 투과 되는 시간과 범위가 증가한 것에 의해 차폐율 또한 증가하는 것으로 판단된다.

또한, EMP 스펙트럼을 수평(실험체 명 뒤 H로 표기), 수직(실험체 명 뒤 V로 표기)으로 발생시켜 EMP의 침투 방향성에 대하여 차폐 성능을 분석한 결과, 도 7에 도시된 바와 같이 MCF-5-100mm, MCF-5-300mm, Plain의 실험체는 EMP 스펙트럼의 방향에 따른 차폐 경향성은 나타나지 않았다. 그러나 MCF-5-300mm의 실험체는 수평의 스펙트럼이 차폐 효과가 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 시편의 균질성이나 EMP차폐 스펙트럼을 발생시키는 안테나의 방향에 따른 실험적 오차라 판단된다.

3. 결 론

1) 분말형 카본섬유(MCF)를 혼입한 시멘트의 유동성 실험 결과 분말형 카본섬유(MCF)이 15중량% 이상이 혼입된 경우 유동성 감소가 나타났다. 이는분말형 카본섬유(MCF)와 배합수의 흡착으로 인해 유동성이 저하되는 것으로 판단된다.

2) 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량이 증가함에 따라 압축강도는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 미세한 분말형 카본섬유(MCF)가 시멘트 페이스트의 수화물 간의 조직을 연결하여 더욱 견고하게 유지하기 때문인 것으로 사료된다. 그러나 분말형 카본섬유(MCF)의 혼입량이 약 5중량%를 초과하는 경우 압축강도는 감소하는 경향이 있으므로 분말형 카본섬유(MCF)의 최적의 혼입량은 4~6중량%인 것으로 판단된다.

3) 분말형 카본섬유(MCF)가 혼입된 본 발명의 실시예 2(MCF-5), 실시예 3(MCF-10), 실시예 4(MCF-15) 및 실시예 5(MCF-20)는 측정 주파수 범위에서 50dB이상의 차폐 성능을 나타냈으며 실시예 2(MCF-5)의 실험체가 가장 높은 차폐율을 나타냈다.

4) 두께별 EMP 차폐 성능을 분석한 결과 비교예(Plain)의 경우 두께가 증가함에도 EMP 차폐율 증가 현상은 뚜렷하게 나타나지 않았으나, 분말형 카본섬유(MCF)가 혼입된 실험체는 두께가 증가함에 따라 차폐율도 증가하는 것으로 나타났다.

발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (7)

1. 전자기 펄스의 차폐가 요구되는 시설물이나 구조물의 시공에 사용되는 시멘트 조성물에 있어서,
   시멘트 및 카본섬유를 포함하고,
   상기 카본섬유는 상기 시멘트의 전체 중량에 대하여 1~15중량%로 혼입되며,
   상기 카본섬유는 분말형 카본섬유로 제공되고,
   상기 분말형 카본섬유는 90~110㎛ 범위의 평균섬유길이를 가지며,
   상기 분말형 카본섬유는 카본 함유량(Carbon Content) 90% 이상, 섬유 직경(Filament Diameter) 7㎛, 부피 밀도(Bulk Density) 0.22~0.28ｇ/㎖, 인장 강도(Tensile Strength) 3,150Mpa, 영률(Youngs Modulus) 210GPa, 파단시 연신율(Elongation At Break) 1.1~1.4% 인 것을 특징으로 하는 분말형 카본섬유를 이용한 EMP 차폐용 시멘트 조성물.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 카본섬유는 상기 시멘트의 전체 중량에 대하여 4~6중량%로 혼입되는 것을 특징으로 하는 분말형 카본섬유를 이용한 EMP 차폐용 시멘트 조성물.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 EMP 차폐용 시멘트 조성물은 플라스틱 분쇄물을 더 포함하고,
   상기 플라스틱 분쇄물은 폐 발포폴리에틸렌 자재를 직경 0.1~5mm로 분쇄하여 제조된 분쇄물로 제공되되, 시멘트의 전체 중량에 대해 0.1~5중량%로 혼입되는 것을 특징으로 분말형 카본섬유를 이용한 EMP 차폐용 시멘트 조성물.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 EMP 차폐용 시멘트 조성물은 천연 제올라이트 혼화재를 더 포함하고,
   상기 천연 제올라이트 혼화재는 발수유효성분이 함침된 천연 제올라이트 분말로 제공되되, 상기 시멘트 100중량%에 대하여 1~5중량%로 혼입되는 것을 특징으로 하는 분말형 카본섬유를 이용한 EMP 차폐용 시멘트 조성물.

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