KR102673272B1 - 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러, 그 제조방법 및 이를 적용한 전자파 차폐 케이블 - Google Patents
구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러, 그 제조방법 및 이를 적용한 전자파 차폐 케이블 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러는, 폴리머(polymer) 물질로 이루어지며, 구 형상으로 형성되는 코어부; 및 상기 코어부의 표면에 부착되며, 전기전도성 물질로 형성되어 전자파를 차폐하는 쉘부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 구 형상의 코어부의 표면에 전기전도성 물질의 쉘부를 부착시켜 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 형성한다. 이로 인해, 매트릭스에 혼합될 때 전기전도성 물질이 서로 뭉치지 않고 매트릭스 내에 균일하게 분산될 수 있어, 전자파 차폐 효과가 균일하게 나타날 수 있다.
Description
본 발명은 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러, 그 제조방법 및 이를 적용한 전자파 차폐 케이블에 관한 것이다.
종래 전자파 차폐 케이블에 사용되는 소재로 주석도금연동선(Tinned Annealed Copper, TA)을 비롯한 금속이 사용되었다. 일반적으로 전자파를 차폐하기 위해 사용되는 금속으로 구리, 은, 니켈 등이 있다. 특히 구리는 기타 재료에 비하여 저렴하고 안전하다는 이유로 차폐용 물질로 많이 이용되고 있다. 그러나, 전자파 차폐에 사용되는 금속은 전량 수입되며 제품의 중량이 증가되고 유연성이 저하되며 부식이 되는 단점이 있다.
이에 따라, 최근에는 전자파 차폐를 위하여 탄소 소재를 이용하려는 연구가 많이 이루어지고 있다. 탄소 소재는 비중이 낮고 전기적 성질이 우수하여 전자파 차폐에 효과적으로 이용될 수 있다. 또한, 탄소 소재를 이용한 차폐 물질은 국산화가 가능하고, 저밀도, 저중량의 이점이 있을 뿐만 아니라 유연성이 높다는 장점을 갖는다. 탄소섬유의 경우 주석도금연동선에 비하여 최대 5배나 밀도가 낮음에도 불구하고 주석도금연동선에 비하여 10배 이상 높은 강도를 지닌다.
근래에는, 전기전도도가 우수한 나노탄소를 적용하여, 금속 차폐 소재를 대체하고 전자파 차폐 효과를 더 높이려는 시도가 이루어지고 있다.
본 발명의 목적은, 금속 차폐 소재를 대체하고 전자파 차폐 효과를 높일 수 있는, 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러, 그 제조방법 및 이를 적용한 전자파 차폐 케이블을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러는,
폴리머(polymer) 물질로 이루어지며, 구 형상으로 형성되는 코어부; 및
상기 코어부의 표면에 부착되며, 전기전도성 물질로 형성되어 전자파를 차폐하는 쉘부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은,
극성 또는 무극성 용매에 폴리머 물질 중에서 선택되는 코어부 형성용 물질과 전기전도성 물질 중에서 선택되는 쉘부 형성용 물질을 분산시켜 혼합용액을 형성하는 제1단계;
상기 혼합용액을 방울(drop) 형태로, 상기 혼합용액과 극성이 반대인 무극성 또는 극성 용매에 떨어뜨려 구 형상으로 형성되는 코어부와 상기 코어부의 표면에 부착된 쉘부를 구비하는 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 형성하는 제2단계;
상기 혼합용액과 극성이 반대인 무극성 또는 극성 용매에 포함된 구형 코어쉘 구조의 필러를 걸러내는 제3단계; 및
상기 제3단계에서 걸러진 상기 구형 코어쉘 구조의 필러를 건조시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐 필러의 제조방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은,
전류가 흐르는 도선;
상기 도선을 감싸는 절연체;
상기 절연체를 감싸는 전자파 차폐부; 및
상기 전자파 차폐부를 감싸는 쉬스부(sheath)를 포함하며,
상기 전자파 차폐부는,
폴리머 물질로 이루어지며 구 형상으로 형성되는 코어부와, 상기 코어부의 표면에 부착되며 전기전도성 물질로 형성되어 전자파를 차폐하는 쉘부를 포함하는 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러; 및
상기 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러가 함침된 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐 케이블에 의해 달성된다.
본 발명은 구 형상의 코어부 표면에 전기전도성 물질로 형성된 쉘부를 부착시켜 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 형성한다. 이로 인해, 매트릭스에 전기전도성 물질을 바로 혼합될 때 발생하는 전기전도성 물질의 뭉침 현상을 없앨 수 있다. 즉, 전기전도성 물질이 뭉치면 전자파 차폐효과가 균일하게 일어날 수 없는데, 본 발명은 전기전도성 물질로 형성된 쉘부를 구 형상의 코어부 표면에 부착시켜 매트릭스에 간접적으로 혼합하므로, 전기전도성 물질이 서로 뭉치지 않고 매트릭스 내에 균일하게 분산될 수 있어, 전자파 차폐 효과가 균일하게 나타날 수 있다.
본 발명은 용매의 극성도를 이용하여 코어부와 쉘부로 구성된 전자파 차폐 필러를 입자화한다. 이로 인해, 본 발명을 사용하면, 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 쉽게 만들 수 있다.
본 발명은 구 형상의 코어부를 포함함으로써, 넓은 표면적을 가져 전자파를 반사 또는 흡수하는데 유리하고, 구 형상의 코어부에 전기전도성 물질로 형성된 쉘부가 부착되므로, 전자파를 다양한 방향으로 반사시킬 수 있다.
본 발명은 쉘부를 형성하는 전기전도성 물질로 나노탄소를 사용할 수 있다. 나노탄소는 단위 센치미터(cm)당 7,000 내지 50,000 지멘스(S)의 우수한 전기전도도를 가졌을 뿐만 아니라 큰 비표면적을 갖고 있어, 전자파 차폐 기능을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 전자파 차폐 필러로 형성된 복합재료 내부에서 전자파의 내부 다중 반사 및 흡수를 유도하여 입사된 전자파의 반사를 억제하고 흡수를 증가시켜 전자파를 차폐하므로, 차폐 소재로부터 반사되는 전자파에 의한 2차 피해를 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 나타낸 도면이다.
도 2는 폴리우레탄(PU)과 탄소나노튜브(CNT)의 비율이 75%인 경우와 90%인 경우 차폐효율을 비교한 표와 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 극성 용매와 무극성 용매를 이용하여 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 제조하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 적용한 전자파 차폐 케이블을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러의 전자 현미경 사진과, 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러가 함침된 매트릭스를 나타낸 도면이다.
도 2는 폴리우레탄(PU)과 탄소나노튜브(CNT)의 비율이 75%인 경우와 90%인 경우 차폐효율을 비교한 표와 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 극성 용매와 무극성 용매를 이용하여 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 제조하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 적용한 전자파 차폐 케이블을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러의 전자 현미경 사진과, 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러가 함침된 매트릭스를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 자세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러(10)는, 코어부(11)와 쉘부(12)로 구성된다.
[코어부]
코어부(11)는 구 형상으로 형성된다. 이로 인해, 전자파 차폐 필러(10)도 구 형상으로 만들어져 넓은 표면적을 가질 수 있다.
코어부(11)는 폴리머(polymer) 소재로 형성된다. 바람직하게는, 폴리아마이드(polyamide), 폴리우레탄(polyurethane) 및 폴리에틸렌(polyethylene) 중 어느 하나로 형성된다. 이 밖에도 전선용 고분자 소재는 모두 적용 가능하다. 코어부(11)의 중량은 전자파 차폐 필러(10) 전체 중량의 5~15 wt%가 바람직하다.
[쉘부]
쉘부(12)는 코어부(11)의 표면에 부착된다. 쉘부(12)는 전기전도성 물질로 형성되어 전자파를 차폐한다.
쉘부(12)는 전기전도성 물질 중에서도 나노탄소로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소나노튜브-금속복합체, 나노판상형 흑연(graphite nanoplatelets, GNP), 카본블랙(carbon black), 그래핀나노파우더(graphene nanopowder) 및 이들의 복합체 중 어느 하나의 물질로 형성된다.
탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 (single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브 (double-walled carbon nanotube, SWCNT) 및 다중벽 탄소나노튜브 (multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 선택된다.
탄소나노튜브-금속복합체는 탄소나노튜브의 표면에 금속(M)이 부착되어 형성된다. 탄소나노튜브의 표면에 부착된 금속(M)은 니켈, 철, 퍼멀로이(FexNi1-x), 은, 구리, 알루미늄, 니크롬, 백금, 이들의 복합체(alloy) 중 어느 하나이다. 이와 같이, 탄소나노튜브의 표면에 금속(M)이 부착함으로써, 탄소섬유 고유의 장점을 그대로 가지면서 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 탄소나노튜브-금속복합체는 본 출원인의 공개특허(10-2016-0054985)에 개시된 탄소나노튜브-금속복합체의 제조방법으로 만들어 낼 수 있다. 이는 공개특허에 자세히 기재되어 있으므로, 자세한 설명을 생략한다.
나노탄소는 단위 센치미터(cm)당 7,000 내지 50,000 지멘스(S)의 우수한 전기전도도를 가졌을 뿐만 아니라 큰 비표면적을 갖고 있어 전자파 차폐 기능을 향상시킨다. 또한, 계면에 전기 쌍극자를 형성하기 때문에 전자파 차폐 필러(10)로 형성된 복합재료 내부에서 전자파의 내부 다중 반사 및 흡수를 유도하여 입사된 전자파의 반사를 억제하고 흡수를 증가시켜 전자파를 차폐하므로, 차폐 소재로부터 반사되는 전자파에 의한 2차 피해를 예방할 수 있다.
쉘부(12)의 중량은 전자파 차폐 필러(10) 전체 중량의 85~95 wt%가 바람직하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 코어부(11)에 대해 쉘부(12)의 비율이 높을수록 차폐효율이 높아진다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐 필러 제조방법을 자세히 설명한다. 도 1 및 도 4를 기본적으로 참조한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐 필러 제조방법은,
극성 또는 무극성 용매에 폴리머 물질 중에서 선택되는 코어부 형성용 물질과 전기전도성 물질 중에서 선택되는 쉘부 형성용 물질을 분산시켜 혼합용액을 형성하는 제1단계(S11);
상기 혼합용액을 방울(drop) 형태로, 상기 혼합용액과 극성이 반대인 무극성 또는 극성 용매에 떨어뜨려 구 형상으로 형성되는 코어부와 상기 코어부의 표면에 부착된 쉘부를 구비하는 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러를 형성하는 제2단계(S12);
상기 혼합용액과 극성이 반대인 무극성 또는 극성 용매에 포함된 구형 코어쉘 구조의 필러를 걸러내는 제3단계(S13); 및
상기 제3단계에서 걸러진 상기 구형 코어쉘 구조의 필러를 건조시키는 제4단계(S14)로 구성된다.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.
극성 또는 무극성 용매(S1)에 폴리머 물질 중에서 선택되는 코어부 형성용 물질(F1)을 넣고 분산시킨다. 여기에 전기전도성 물질 중에서 선택되는 쉘부 형성용 물질(F2)을 넣고 분산시켜 혼합용액을 만든다.
극성 용매로는, 아세톤(acetone), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide), 아세토나이트릴(acetonitrile), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone)과 같은 극성 비양성자성 용매(polar aprotic solvents)와, 아이소프로판올(Isopropanol), n-프로판올(n-propanol), 에탄올(ethanol), 물(water)과 같은 극성 양성자성 용매(polar protic solvents)가 사용될 수 있다.
무극성 용매로는, 헥산(hexane), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 디에틸에테르(diethyl ether) 등이 사용될 수 있다.
코어부 형성용 물질(F1)은 폴리아마이드, 폴리우레탄 및 폴리에틸렌 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
쉘부 형성용 물질(F2)은 탄소나노튜브, 탄소나노튜브의 표면에 금속이 부착된 탄소나노튜브-금속복합체, 나노판상형 흑연, 카본블랙, 그래핀나노파우더 및 이들의 복합체 중 어느 하나가 될 수 있다.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
혼합용액을 방울(drop) 형태로, 혼합용액과 극성이 반대인 무극성 또는 극성 용매(S2)에 떨어뜨린다. 1~100㎛ 홀이 형성된 주입기를 이용하여 방울 형태로 혼합용액을 떨어뜨릴 수 있다.
극성 또는 무극성 용매(S1)인 혼합용액을 방울 형태로 혼합용액과 극성이 반대인 무극성 또는 극성 용매(S2)에 떨어뜨리면 혼합용액 속의 코어부 형성용 물질(F1)과 쉘부 형성용 물질(F2)이 입자화되어 구 형상으로 뭉쳐진다. 그러면, 구 형상의 코어부(11)와 코어부(11)의 표면에 부착된 쉘부(12)로 구성된 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러(10)가 형성된다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
혼합용액과 극성이 반대인 무극성 또는 극성 용매(S2)에 포함된 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러(10)를 필터를 이용하여 걸러낸다. 필터 위에는 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러(10)만 남는다.
이하, 제4단계(S14)를 설명한다.
제3단계에서 걸러진 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러(10)를 자연건조 또는 건조기를 이용하여 건조시킨다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐 케이블을 자세히 설명한다. 도 1을 기본적으로 참조한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐 케이블(100)은, 전류가 흐르는 도선(1), 도선(1)을 감싸는 절연체(2), 절연체(2)를 감싸는 전자파 차폐부(3), 전자파 차폐부(3)를 감싸는 쉬스부(sheath)(4)로 구성된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전자파 차폐부(3)는 폴리머 물질로 이루어지며, 구 형상으로 형성되는 코어부(11)와, 상기 코어부(11)의 표면에 부착되며, 전기전도성 물질로 형성되어 전자파를 차폐하는 쉘부(12)를 포함하는 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러(10)와, 매트릭스(20)로 구성된다. 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러(10)는 매트릭스(20)에 함침되어 있다. 매트릭스(20)로는 열가소성 수지가 사용된다.
전자파 차폐부(3)는 구형 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐 필러(10)와 매트릭스(20)로 이루어진 전자파 차단재를 절연체(2)의 외면에 코팅하여 형성된다.
1: 도선 2: 절연체
3: 전자파 차폐부 4: 쉬스부
10: 전자파 차폐 필러
11: 코어부 12: 쉘부
20: 매트릭스
100: 전자파 차폐 케이블
3: 전자파 차폐부 4: 쉬스부
10: 전자파 차폐 필러
11: 코어부 12: 쉘부
20: 매트릭스
100: 전자파 차폐 케이블
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- 도선; 상기 도선을 감싸는 절연체; 상기 절연체를 감싸는 전자파 차폐부; 상기 전자파 차폐부를 감싸는 쉬스부(sheath)를 포함하는 전자파 차폐 케이블에 있어서,
상기 전자파 차폐부는,
열가소성 수지 매트릭스; 및 상기 열가소성 수지 매트릭스에 분산된 전자파 차폐 필러들로 구성되며,
상기 전자파 차폐 필러들 각각은,
코어부; 및
탄소나노튜브의 표면에 금속을 부착시킨 탄소나노튜브-금속복합체로 구성되며,
상기 탄소나노튜브-금속복합체는,
탄소나노튜브; 및
상기 탄소나노튜브의 표면에 부착된, 니켈, 철, 퍼멀로이(FexNi1-x), 은, 구리, 알루미늄, 니크롬, 백금, 이들의 복합체(alloy) 중 어느 하나의 금속으로 구성되며,
상기 코어부에 상기 탄소나노튜브와 상기 금속을 모두 포함시켜 차폐성능을 향상시키되,
상기 코어부에 상기 금속과 상기 탄소나노튜브를 그냥 포함시킬 경우, 상기 코어부에서 상기 탄소나노튜브끼리 또는 상기 금속끼리 뭉쳐 차폐성능 및 차폐 균일성이 떨어지므로, 상기 탄소나노튜브의 표면에 상기 금속을 부착시킨 상기 탄소나노튜브-금속복합체 형태로, 상기 금속과 상기 탄소나노튜브가 상기 코어부에 포함되며,
상기 탄소나노튜브-금속복합체 역시 상기 코어부에 부착된 상태로 상기 열가소성 매트릭스에 포함됨으로써, 상기 탄소나노튜브-금속복합체가 상기 열가소성 매트릭스에 그냥 포함되어, 상기 열가소성 매트릭스에서 상기 탄소나노튜브-금속복합체끼리 뭉쳐 차폐성능 및 차폐 균일성이 떨어지는 것을 막는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐 케이블.
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