KR20110113999A - 전자파 차폐용 시트 조성물, 시트 및 이의 제조방법 - Google Patents

전자파 차폐용 시트 조성물, 시트 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20110113999A
KR20110113999A KR1020100033388A KR20100033388A KR20110113999A KR 20110113999 A KR20110113999 A KR 20110113999A KR 1020100033388 A KR1020100033388 A KR 1020100033388A KR 20100033388 A KR20100033388 A KR 20100033388A KR 20110113999 A KR20110113999 A KR 20110113999A
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홍병표
채성정
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계명대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 금속 분말, 탄소나노튜브, 바인더 수지 및 용매를 적정 조성으로 포함하여 전자파 차폐 성능이 우수하고, 박막 시트 형태로의 성형성이 좋은 전자파 차폐용 시트 조성물, 시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전자파 차폐용 시트는 고주파 영역을 포함한 광대역에서 단위부피당 전자파 차폐 및 흡수 효율이 뛰어나며, 제조공정이 간편하여 경제적인 장점이 있으며, 박막 시트 형태로 제조가 가능하여 휴대폰, PDA, LCD 등의 박형화 및 소형화된 전자기기에 적용이 용이한 장점이 있다.

Description

전자파 차폐용 시트 조성물, 시트 및 이의 제조방법{Sheet composition and sheet for shielding electromagnetic wave, and manufacturing method thereof}
본 발명은 전자파 차폐용 시트 조성물, 시트 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 분말, 탄소나노튜브, 바인더 수지 및 용매를 적정 조성으로 포함하여 박막 시트 형태로 제조가 가능하고, 고주파 영역을 포함하는 광대역에서 우수한 전자파 차폐 및 흡수 효과를 갖는 전자파 차폐용 시트 조성물, 시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현대 사회에서 컴퓨터, 휴대폰 등을 포함한 전기, 전자 제품들의 급속한 발전 과정과 소형화, 박형화 및 휴대화에 따라 전자부품의 고집적화 및 신호처리속도의 고속화에 따른 방사 노이즈로 인한 전자파 장해 또는 고주파 장해는 제품들의 동작과 신뢰성을 크게 결정하는 중요한 요인으로 인식되고 있다.
이러한 전자파 장해는 각종 자동화 장비와 자동제어장치 등에 영향을 끼쳐 오동작을 유발시키고, 인체에 침투하였을 경우 열작용에 의해 생체 조직세포의 온도를 상승시켜 면역기능을 약화시키는 등의 여러 가지 문제점을 가지고 있기 때문에, 전자 기기 내부에 전자파의 흡수체를 배치하는 등의 다양한 형태의 전자파 적합성 대책 방법 및 이를 위한 제품들이 개발되고 있다. 국내에서도 전자파 환경 악화와 유해성 논란이 가속화됨에 따라 전자파 인체 유해성 여부 및 대책기술 마련, 전자파 저감기술 개발 등의 연구가 활발하게 진행되고 있다.
현재까지 제시되고 있는 여러 전자파 흡수체 중 금속 혼합물을 이용한 시트가 있으나, 이것은 무기물과 고분자가 기계적으로 혼합되어 있는 상태이기 때문에 물성이 취약하여 전자파 흡수 효율이 낮은 단점이 있다.
또한, 기존 대부분의 전자파 흡수체는 탄소, 페라이트, 금속 등과 같은 기본재료만을 사용한 것이어서 적용 주파수 조절이 한계를 가지는 문제를 가지고 있다.
따라서, 최근에는 위의 여러 전자파 흡수체 제품들이 갖는 단점들을 커버할 수 있는 메탈 알로이 재료를 이용한 전자파 흡수체가 개발되어 휴대폰 등 전자기기에 많이 적용되고 있다.
예를 들어, 전자파 흡수 시트로 사용하는 주요 원재료는 센더스트 합금, 하이플럭스, 몰리퍼멀로이 분말, 니켈-아연 페라이트, 망간-아연 페라이트 파우더 등이 있다.
그러나, 위와 같은 메탈 알로이를 원재료로 하여 시트화하는 경우 시트 내부에 적층되는 층이 작아 충분한 전자파 흡수성능을 기대하기 어려워 기능성 측면이나 실용성 측면에서 불리한 점이 있다.즉, 기존에 적용되는 전자파 흡수 시트로 사용되는 재료만으로는 적용할 수 있는 주파수 대역에 한계가 있고, 또 고주파 대역에서는 흡수효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 금속 분말, 탄소나노튜브, 바인더 수지 및 용매를 적정 조성으로 포함하여 박막 시트 형태로 제조가 가능하고, 고주파 영역을 포함하는 광대역에서 우수한 전자파 차폐 및 흡수 효과를 갖는 전자파 차폐용 시트 조성물을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 전자파 차폐용 시트의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법에 의해 제조되는 전자파 차폐용 시트를 제공하는 것이다.
하나의 양태로서, 본 발명은 금속 분말, 탄소나노튜브, 바인더 수지 및 용매를 적정 조성으로 포함하는 전자파 차폐용 시트 조성물에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 전자파 차폐용 시트 조성물을 구성하는 각 성분은 전체 조성물 100중량부에 대해 금속 분말 50~70중량부, 탄소나노튜브 0.2~4중량부, 바인더 수지 20~40중량부 및 용매 0.5~20중량부로 포함됨을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 금속 분말은 전기전도도를 가져 전자파 차폐 및 흡수 성능을 갖도록 하기 위해 첨가하는 것으로서, 104S/cm 이상의 전기전도도를 가진 전도성 금속의 분말이라면 모두 사용 가능하나, 특히 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 중 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 전기전도도의 측면에서 가장 우수한 은분말(silver powder)을 사용할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 금속 분말의 평균 입도(average particle size)는 1~10㎛인 것이 바람직하며, 구체적인 예로는 Ferro사의 SF-70A, SF-9ED, SF-9, HRP사의 SF-162 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 "탄소나노튜브"는 가늘고 긴 대롱 모양으로 길이 및 외경이 수나노미터~수십나노미터 크기이며, 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 sp2 결합을 이루고, 육각형 벌집무늬 구조를 갖는 물질로서, 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성 및 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니며, 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다.
본 발명에서 이용되는 탄소나노튜브는 전기 방전법(Arc-discharge), 열분해법(pyrolysis), 레이저 증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 열화학 기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 전기분해법 및 플레임 합성법 등의 제조방법에 의해 합성된 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브와 같은 탄소나노튜브의 형상 및 크기에 한정되지 않고 모두 사용가능하지만, 바람직하게는 1~50nm의 두께 및 0.01~30㎛의 길이를 가질 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 고분자 수지 내에서 분산성을 향상시키기 위해, 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기 등의 작용기를 갖도록 표면 개질시켜 사용할 수 있다.
본 발명의 시트 조성물에 전기전도성을 부여하는 금속 분말 및 탄소나노튜브는 전체 시트 조성물 100중량부에 대해 금속 분말 50~70중량부로 포함되고, 탄소나노튜브 0.2~4중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 금속 분말 55~60중량부 및 탄소나노튜브 0.3~1.4중량부이다. 금속 분말 및 탄소나노튜브의 함량이 너무 적으면, 전자파 차폐 효율이 떨어지고, 함량이 너무 높으면, 시트 성형성에 문제가 생길 수 있다. 특히, 상기 탄소나노튜브는 상기 금속 분말 총 중량에 대해 0.5~2중량%으로 포함되는 것이 바람직한데, 2중량% 이상이면 점도가 높아져 박막 시트로의 성형성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명에서 상기 바인더 수지는 전도성 충전재인 금속 분말 및 탄소나노튜브를 복합화하기 위한 것으로, 이를 가능하게 하는 것이면, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 에스테르계 수지 및 올레핀계 수지를 사용할 수 있고, 바람직하게는 수용성 바인더 수지인 수분산성 폴리우레탄, 아크릴산계, 무수말레인산계, 폴리비닐알콜 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 이외에도 일반적인 유기용매에 용해되는 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 나일론 수지, 폴리 우레탄, 폴리카보네이트, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아세테이트, 폴리메타크릴산 메틸, ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene terpolymer) 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 이러한 바인더 수지는 전체 조성물 100중량부에 대해 20~40중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 25~35중량부이다. 바인더 수지의 함량이 너무 낮으면 금속 분말 및 탄소나노튜브를 적절하게 복합화하여 분산시키기 어려우며, 함량이 너무 높으면 박막 시트로의 성형성에 문제가 생기게 된다.
본 발명에서 사용가능한 용매로는 바인더 수지를 용해시키거나 금속 분말 및 탄소나노튜브를 슬러리 형태의 혼합물로 분산시킬 수 있는 것이면, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 톨루엔, 사이클로헥사논, 에틸아세테이트, n-부틸아세테이트, 세룰솔브아세테이트 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 메틸에틸케톤 및 사이클로헥사논의 혼합 용액을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 메틸에틸케톤 및 사이클로헥사논을 6~8:1~2 비율로 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 혼합용매를 사용하는 경우 혼합용액의 점도조절이 용히하고, 균일한 혼합물을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이러한 용매의 함량은 전체 조성물에 대해 0.5~20중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 용매 함량이 너무 낮으면, 구성물질을 균질하게 분산시키기 어려우며, 함량이 너무 높으면 시트 성형성이 저하된다.
또 다른 양태로서, 본 발명은 바인더 수지를 용매와 혼합하고 금속 분말 및 탄노나노튜브를 첨가한 후, 200~300rpm 속도로 200~250분간 교반시키는 단계를 포함하고, 상기 각 성분은 전체 조성물 100중량부에 대해 금속 분말 50~70중량부, 바인더 수지 20~40중량부, 용매 0.5~20중량부 및 탄소나노튜브 0.2~4중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 시트의 제조방법에 관한 것이다.
이때, 본 발명의 상기 제조방법은 구체적으로 (a) 바인더 수지 및 용매를 혼합한 후 20~40분간 교반하는 단계; (b) 상기 혼합물에 금속 분말을 첨가하여 60~80분간 혼합, 교반하는 단계; (c) 상기 혼합물에 용매를 추가로 첨가하여 100~130분간 혼합, 교반하는 단계를 포함하여 이루어지며, 이때, 교반속도는 200~300rpm 속도인 것이 바람직하다.
시트 제조시 교반 속도는 200~300rpm이고, 교반 시간은 180~250분 정도인 것이 바람직한데, 교반 속도가 느리면 분말의 뭉침 현상이 나타나 교반이 원활하게 이루어지지 않게 되고, 빠르면 바인더가 용해되기 전에 용매가 증발이 되어 교반이 되지 않게 되며, 교반 시간이 짧으면 분말이 고르게 교반되지 않게 되고, 길면 점도가 높아져 시트제작이 불가능하게 된다. 구체적으로 바람직하게는 도 1에 따른 Slurry의 제조공정에 따라 1) 바인더 수지와 MEK를 혼합후 교반 속도는 200~300rpm, 교반 시간은 20~40분으로 교반 후, 2) Powder를 넣은 후 교반 속도는 200~300rpm, 교반 시간은 60~80분으로 교반을 한다. 3) MEK와 Cyclohexanone을 첨가 후 교반 속도는 200~300rpm, 교반 시간은 100~130분 교반하여 최종의 슬러리를 제조할 수 있다.
그 다음으로 상기 각 성분이 균질하게 분산된 상기 시트 조성물을 밀링 작업하고, 20~30℃에서 건조시켜 시트를 제조할 수 있다.
또한, 상기 건조된 시트는 단독으로 사용하거나, 2겹 이상으로 라미네이트 처리하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전자파 차폐용 시트는 전기전도성이 높은 금속 분말 및 탄소나노튜브를 적정 함량으로 포함하여 고주파 영역을 포함한 광대역에서 단위부피당 전자파 차폐 및 흡수 효율이 뛰어나며, 제조공정이 간편하여 경제적인 장점이 있다.
또한, 본 발명의 전자파 차례용 시트 조성물은 박막 시트 형태로 제조가 가능하여 휴대폰, PDA, LCD 등의 박형화 및 소형화된 전자기기에 적용이 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 전자파 차폐용 시트의 제조공정을 나타낸 다이어그램이다.
도 2는 시판되는 상업용 전자파 차폐 시트의 표면 SEM 사진이다.
도 3은 실시예 1의 방법으로 제조된 전자파 차폐용 시트의 표면 SEM 사진이다.
도 4는 실시예 2의 방법으로 제조된 전자파 차폐용 시트의 표면 SEM 사진이다.
도 5는 실시예 3의 방법으로 제조된 전자파 차폐용 시트의 표면 SEM 사진이다.
도 6은 비교예 2, 실시예 4~6의 전자파 차폐용 시트의 주파수 대역에 따른 전자파 차폐성능을 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1~6, 비교예 1~2. 전자파 차폐용 시트 제조
[실시예 1]
금속 분말 114g에 수용성 바인더 67.48g, MEK(Methyl Ethyl Ketone) 14.22g, Cyclohexanone 3.04g에 탄소나노튜브 1.15g을 완전히 교반시켰다. 용질이 완전히 용해되기 전에 용매가 증발되는 위험이 있으므로, MEK용매를 단계별로 첨가 하였는데 첫 번째 단계에서는 5g을 첨가하고, 두 번째 단계에서는 9.22g을 첨가하였다. 이때, 상기 금속 분말의 성분은 Fe가 92중량%, Si이 6.56중량%와 1%미만의 C, Cr, Ce, S, P, Pb, W으로 구성된 것을 사용하였다. 바인더의 경우 아크릴계 수용성 바인더를 사용하였다.
균일하게 교반된 슬러리가 생성되면, 교반된 슬러리를 이형지 위에 캐스팅한 후 24시간 자연 건조시켰다. 이와 같이 얻어진 시트의 두께는 약 150μm 이었다. 제조된 시트의 표면 SEM 사진을 도 3에 나타내었다.
[실시예 2]
금속 분말을 113g 첨가하고, 탄소나노튜브를 1.73g 첨가한 것 이외에는 실시예1과 동일한 방법으로 시트를 제조하였다.
시트의 두께는 약 150μm 이었으며, 제조된 시트의 표면 SEM 사진을 도 4에 나타내었다.
[실시예 3]
금속 분말을 112g 첨가하고, 탄소나노튜브를 2.3g 첨가한 것 이외에는 실시예1과 동일한 방법으로 시트를 제조하였다.
시트의 두께는 약 150μm 이었으며, 제조된 시트의 표면 SEM 사진을 도 5에 나타내었다.
[실시예 4]
실시예 1의 시트를 2중으로 라미네이팅하여 두께를 약 300μm으로 한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다.
[실시예 5]
실시예 2의 시트를 2중으로 라미네이팅하여 두께를 약 300μm으로 한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다.
[실시예 6]
실시예 3의 시트를 2중으로 라미네이팅하여 두께를 약 300μm으로 한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다.
[비교예 1]
시트 내부에 탄소나노튜브를 포함하지 않는 시판되는 상업용 전자파 차폐 시트(두께 150μm)를 준비하였다. 상업용 전자파 차폐 시트의 표면 SEM 사진을 도 2에 나타내었다.
[비교예 2]
비교예 1의 시트를 2중으로 라미네이팅하여 두께를 약 300μm으로 하여 준비하였다.
도 3~5에서 보듯이, 실시예 1~3의 방법으로 제조된 시트 표면은 상업용 시트 표면(도 2)과 비슷한 것으로 나타나 시트 성형성에 문제가 없는 것으로 나타났다.
* 탄소나노튜브의 조성에 따른 점도 측정
금속 분말, 탄소나노튜브, 바인더 수지 및 용매의 함량이 본 발명의 조성범위를 벗어나는 경우에는 시트 성형성에 문제가 있어, 시트 제작이 용이하지 않았다. 특히, 탄소나노튜브의 조성범위가 금속 분말 총 함량에 대해 2%를 초과하는 경우, 점도가 너무 높아 측정이 불가능하였으며, 시트 제작이 불가하였다. 하기 표 1는 탄소나노튜브의 조성에 따른 점도 값을 나타낸 것이다.
시트 종류 점도
CNT 1% 25980cP
CNT 1.5% 29640cP
CNT 2% 34300cP
CNT 2%이상 점도 측정 안됨
실험예 1. 시트의 전기 저항값 및 전자파 차폐성능 측정
상기 실시예 1 내지 6에서 제조된 시트 및 비교예 1~2의 상업용 시트의 전기저항 및 전자파 차폐성능을 측정하여 비교하였다(표 2). 구체적으로 저항값 측정을 위해, MIL-G-835288에 의거하여 측정하였으며, 4 Point Probe를 이용하였고, 모든 측정 규격은 가로, 세로 각 9cm에서 행하였으며, 상온에서 측정하였다. 저항값으로는 비저항, 표면저항을 동일한 조건하에 측정하였다.
또한, 전자파 차폐 성능시험은 동일조건 하에서 실시하였으며, 구체적으로 Shield Effectiveness Test System(EMI System/Rhode & Schwartz, Rhode & Schwartz)을 이용하여 1GHz에서 측정하였다.
시트 종류 두께 비저항
(ohm cm)		 표면저항
(ohm/sq)		 전자파 차폐성능(1GHz)
(ohm/sq)
비교예 1 150μm 664kΩ cm 20MΩ/sq 12.6dB
비교예 2 300μm 53kΩ cm 1.79MΩ/sq 25.29dB
실시예 1 150μm 180Ω cm 10kΩ/sq 31dB
실시예 2 150μm 130Ω cm 6.2kΩ/sq 34.1dB
실시예 3 150μm 65Ω cm 3kΩ/sq 36.9dB
실시예 4 300μm 25Ω cm 780Ω/sq 58dB
실시예 5 300μm 39Ω cm 1.5kΩ/sq 60.5dB
실시예 6 300μm 13Ω cm 555Ω/sq 63
상기 결과로부터 본 발명에 따른 전자파 차폐용 시트는 시판되는 상업용 시트에 비해, 비저항 및 표면저항 값이 낮은 것으로 나타났으며, 전자파 차폐성능이 높은 것으로 나타났다. 이는 본 발명의 전자파 차폐용 시트가 우수한 전기전도도를 가져 전자파 차폐 및 흡수 성능이 뛰어나다는 것을 말해주는 결과이다.
실험예 2. 주파수 대역에 따른 전자파 차폐율 측정
300㎛ 두께를 갖는 비교예2, 실시예4~6의 전자파 차폐용 시트의 주파수 대역에 따른 전자파 차폐성능을 측정하였으며(Shield Effectiveness Test System(EMI System/Rhode & Schwartz, Rhode & Schwartz)을 이용), 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 보듯이 실시예4~6의 시트는 비교예2의 시트에 비해 전자파 차폐 성능이 우수한 것으로 나타났으며, 넓은 주파수 대역에서 균일한 차폐 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.

Claims (8)

  1. 전체 조성물 100중량부에 대해 금속 분말 50~70중량부, 탄소나노튜브 0.2~4중량부, 바인더 수지 20~40중량부 및 용매 0.5~20중량부를 포함하는 전자파 차폐용 시트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 분말인 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 시트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 1~50nm의 두께 및 0.01~30㎛의 길이를 가지며, 상기 금속 분말 총 중량에 대해 0.5~2중량%으로 포함되는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 시트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 에스테르계 수지 및 올레핀계 수지 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 시트 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 톨루엔, 사이클로헥사논, 에틸아세테이트, n-부틸아세테이트 및 세룰솔브아세테이트로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 시트 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용매는 메틸에틸케톤 및 사이클로헥사논의 혼합 용액인 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 시트 조성물.
  7. 바인더 수지를 용매와 혼합하고 금속 분말 및 탄노나노튜브를 첨가한 후, 200~300rpm 속도로 200~250분간 교반시키는 단계를 포함하고,
    상기 각 성분은 전체 조성물 100중량부에 대해 금속 분말 50~70중량부, 탄소나노튜브 0.2~4중량부, 바인더 수지 20~40중량부 및 용매 0.5~20중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 시트의 제조방법.
  8. 제7항의 방법으로 제조되는 전자파 차폐용 시트.
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