KR20220105186A - 전자파 차폐용 복합 소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자파 차폐용 복합 소재 및 이의 제조방법에 관한 발명으로, 본 발명의 일 측면에서 고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 성형하여 제조되는 전자파 차폐용 복합 소재를 제공한다. 또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하는 방법으로서, 복합 입자를 준비하는 단계; 및 상기 복합 입자를 성형하여 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하는 단계;를 포함하는, 전자파 차폐용 복합 소재의 제조방법을 개시한다.
본 발명에 따른 전자파 차폐용 복합 소재는 고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 성형하여 제조됨으로써, 전도성 필러 간 퍼콜레이션 구조를 형성하고 고분자 입자 내 다중 반사를 극대화할 수 있는 구조를 갖는 효과가 있다.
따라서, GHz 주파수 대역의 전자파에 대하여 우수한 차폐능을 보이고, 이때 반사능은 최소화하고, 선택적으로 흡수능만을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

Description

전자파 차폐용 복합 소재 및 이의 제조방법{Composite material for shielding electromagnetic waves and its manufacturing method}
본 발명은 전자파 차폐용 복합 소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 디지털 기술 및 반도체 기술의 급속한 발달로 전자산업이 눈부시게 발전하였다. 전자, 정보통신기기의 고속화, 광대역화가 가속화되고, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 개인 휴대용 정보단말기 등 정보통신기기뿐만 아니라 일상 생활용품 등의 소형화, 박형화 및 경량화가 이루어지고 있다.
생활 가전기기, 정보 통신기기 및 산업기기 등으로부터 발생하는 전자파는 기기간의 전자파 방해(Electromagnetic Interference, EMI)와 더불어 인체에 대한 유해성으로 인해 새로운 환경 문제로 대두되고 있다.
또한, 5G를 활용하는 신기술과 관련하여, 시스템 반도체의 활용 및 부품 집적화로 인해 소자간 노이즈 간섭 문제가 대두되고 부품 간 전자파 간섭을 억제할 수 있는 차폐 기술의 중요성이 커지고 있다.
전자파를 차폐하는 원리에는 전자파를 반사하거나 흡수하여 소멸되도록 하는 것이 있다.
최근 활발히 연구되고 있는 5G 대역의 전자파의 경우, 부품간 집적화로 전자파가 반사되면 반사된 전자파에 의한 상호간섭의 문제가 있어 반사가 아닌 흡수 위주의 소재가 요구된다. 이때, 5G 대역의 전자파는 수 GHz 이상의 고주파 또는 초고주파 대역을 사용하며, 파장 길이가 짧은 전자파에 해당한다.
전자파 차폐능을 높이기 위해 전도성 물질이나 자성소재들이 사용되어 왔다. 자성 기반 소재는 우수한 전자파 흡수 성능을 보이지만, 5G 대역의 전자파 즉, 밀리터리파를 사용함에 있어서, 자성소재는 강자성공명으로 인하여 해당 대역에서 자성이 약해져 성능이 크게 저하되는 문제가 있다.
또한, 기존에 주로 활용되는 전자파 차폐소재로 금속과 탄소와 같은 전도성 소재는 전자파를 반사능이 높은 반면 흡수능이 낮기 때문에 전자파 간섭에 취약할 수 있다.
본 발명자들은 고분자 입자 및 전도성 필러로 이루어진 전자파 차폐용 복합 소재로서, 고분자 입자 및 전도성 필러를 임의 혼합하지 않고, 고분자 입자 표면에 전도성 필러가 최소한 부분적으로 부착되도록 한 복합 입자를 성형하여 제조함으로써, 고주파수 대역의 전자파 차폐능을 개선하는 기술로서 특히 선택적으로 흡수능만을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하고자 연구한 결과 본 발명에 이르게 되었다.
대한민국 공개 특허공보 제10-2018-0047410호 (2018.05.10)
본 발명은 전자파 차폐용 복합 소재 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 측면에서,
고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 성형하여 제조되는 전자파 차폐용 복합 소재를 제공한다.
상기 고분자 입자는 평균 직경 300㎛ 내지 3000㎛의 크기를 갖는 것일 수 있다.
상기 고분자 입자는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS) 및 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하는 것일 수 있다.
상기 전도성 필러는 알루미늄, 구리, 은, 주석, 니켈, 코발트, 크롬, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노입자(CNP), 그래핀, 탄소섬유(CF), 카본블랙(CB) 및 팽창 흑연(EG) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 3 GHz 내지 3000 GHz 주파수 대역의 전자파 차폐 용도일 수 있다.
상기 고분자 입자는 평균 직경 500㎛ 내지 1500㎛의 크기를 갖는 것일 수 있다.
상기 전도성 필러는 상기 복합 입자에 대하여 0.1 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
상기 전도성 필러는 1 nm 내지 100 um 의 크기를 갖는 것일 수 있다.
상기 전도성 필러의 형상은 구형, 판상형 및 와이어(튜브)형 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 가열 성형하여 제조되는 것일 수 있다.
상기 가열 온도는 50℃ 내지 200℃ 인 것이 바람직하다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 압축 성형하여 제조되는 것일 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 필름 형태인 것일 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 전도성 필러의 퍼콜레이션 구조를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서,
본 발명의 일 측면에 따른 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하는 방법으로서,
복합 입자를 준비하는 단계; 및
상기 복합 입자를 성형하여 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하는 단계;를 포함하는, 전자파 차폐용 복합 소재의 제조방법을 제공한다.
상기 입자를 준비하는 단계는,
고분자 입자 및 전도성 필러를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전자파 차폐용 복합 소재는 고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 성형하여 제조됨으로써, 전도성 필러 간 퍼콜레이션 구조를 형성하고 고분자 입자 내 다중 반사를 극대화할 수 있는 구조를 갖는 효과가 있다.
따라서, GHz 주파수 대역의 전자파에 대하여 우수한 차폐능을 보이고, 이때 반사능은 최소화하고, 선택적으로 흡수능만을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 입자를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 입자를 성형하여 제조된 전자파 차폐용 복합 소재의 다중 반사 메커니즘을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐용 복합 소재를 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 이미지를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에 따라 비교예 1 내지 2의 전자파 차폐용 복합 소재의 전자파 차폐 성능을 평가한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 1에 따라 실시예 1 내지 2의 전자파 차폐용 복합 소재의 전자파 차폐 성능을 평가한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예 1에 따라 각 X-대역 및 Y-대역에서의 전도성 필러 함량에 따른 전자파 차폐 성능을 평가한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험예 2에 따라 실시예 1, 3 및 4와 비교예 1의 전자파 차폐 복합 소재의 고분자 입자 크기에 따른 차폐 성능을 평가한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예 2에 따른 실시예 1, 3 및 4와 비교예 1의 전자파 차폐 복합 소재의 고분자 입자 크기에 따른 차폐 성능을 나타낸 히스토그램이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 변경을 가할 수 있으며 이에 따라 다양한 실시예가 나올 수 있는 바, 특정 실시예를 하단에 제시하고 상세하게 설명하고자 한다.
또한 특별히 정의가 되지 않은 본 명세서의 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자 모두에게 이해가 가능한 의미로 사용할 수 있을 것이다.
그러나 이는 본 발명은 하단에 기술될 특정한 실시예에만 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 다른 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며, 본 명세서에서 제시하는 실시예는 가장 바람직한 실시예 일 뿐이다.
나아가, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 측면에서는,
고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 성형하여 제조되는 전자파 차폐용 복합 소재를 제공한다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 전자파 차폐용 복합 소재를 각 구성별로 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전자파 차폐용 복합 소재는 고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 이용하여 제조된다.
상기 부착은 물리적 또는 화학적 결합에 의한 부착을 포함한다.
상기 전도성 필러는 상기 고분자 입자 표면에 전체적으로 부착됨으로써, 상기 전도성 필러가 외부 쉘, 상기 고분자 입자가 내부 코어에 해당하는 코어-쉘 구조 입자를 형성할 수 있다.
상기 고분자 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러는 추후 복합 입자가 성형됨으로써, 고분자 입자 사이 영역에 집중될 수 있다. 이에, 전도성 필러 간 네트워크 형성이 원활하여, 전자파 흡수 효과가 개선될 수 있다.
또한 이때, 상기 고분자 입자의 내부에서 내부 반사에 의한 손실이 일어나 전자파 흡수 효과가 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복합 입자가 성형되어 제조된 복합 소재는 허니콤 구조를 가질 수 있다. 이때, 개별 허니콤의 경계 부분에 전도성 필러가 집중될 수 있다.
상기 고분자 입자는 평균 직경 300 ㎛ 내지 3000 ㎛의 크기를 갖는 것일 수 있다.
상기 고분자 입자의 크기가 평균 직경 3000 ㎛ 초과인 경우, 복합 소재의 두께가 두꺼워져 성형이 어려운 문제점이 있을 수 있고,
상기 고분자 입자의 크기가 평균 직경 300 ㎛ 미만인 경우, GHz 주파수 대역의 전자파에 대하여, 고분자 입자 내부의 다중 반사를 유도하기 적합하지 않거나, 전자파 파장 길이와 고분자 입자 크기의 매칭이 이루어지지 않아 전자파 흡수 성능을 최적화하기 어려운 문제점이 있을 수 있다.
상기 고분자 입자는 더욱 바람직하게는 평균 직경 500 ㎛ 내지 1500 ㎛의 크기를 갖는 것일 수 있다.
상기 고분자 입자는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS) 및 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 고분자 입자는 바람직하게는 입자 형태로 형성될 수 있는 열가소성 고분자를 포함할 수 있다.
상기 고분자 입자는 바람직하게는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, High-density Polyethylene)을 포함할 수 있다.
상기 전도성 필러는 알루미늄, 구리, 은, 주석, 니켈, 코발트, 크롬, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노입자(CNP), 그래핀, 탄소섬유(CF), 카본블랙(CB) 및 팽창 흑연(EG) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 전도성 필러는 바람직하게는 팽창 흑연(EG, Expanded Graphite)일 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 3 GHz 내지 3000 GHz 주파수 대역의 전자파 차폐 용도일 수 있다. 차폐하고자 하는 전자파의 주파수 대역은 파장 길이가 짧은 고주파 대역일 수 있고, 바람직하게는 8 GHz 내지 100 GHz 인 것일 수 있고, 더 바람직하게는 15 GHz 내지 40 GHz 일 수 있다.
본 발명의 전자파 복합 소재는 고분자 입자 크기를 조절하여 원하는 GHz 주파수 대역의 전자파 차폐/흡수 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 고분자 입자의 크기는 흡수하고자 하는 특정 고주파수 대역의 전자파 파장의 1/16 내지 1/4 배 크기의 평균 직경을 갖도록 제어될 수 있다.
상기 전도성 필러는 상기 복합 입자에 대하여 0.1 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
상기 복합 입자에 대한 상기 전도성 필러의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 전자파 차폐 성능 개선 효과가 저조한 문제점이 있을 수 있고,
상기 복합 입자에 대한 상기 전도성 필러의 함량이 30 중량% 초과인 경우, 전자파 반사 양이 증가하는 문제점이 있을 수 있다.
상기 전도성 필러는 1 nm 내지 100 um 의 크기를 갖는 것일 수 있다.
상기 전도성 필러의 형상은 구형, 판상형 입자 및 와이어(튜브) 중 어느 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 성형하여 제조된다. 상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 복수로 포함할 수 있고, 상기 복수의 복합 입자들이 결합되어 제조될 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 가열 성형하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 가열을 통하여 상기 복합 입자를 원하는 형태로 보다 용이하게 성형할 수 있다.
상기 가열 온도는 50℃ 내지 200℃인 것일 수 있다. 상기 가열 온도가 상기 범위 미만인 경우, 복합 입자 성형이 용이하지 않을 수 있고, 상기 가열 온도가 상기 범위를 초과하는 경우, 고분자 입자가 녹거나 과도하게 변형되어, 전도성 필러와 고분자 간 임의 혼합이 촉진됨으로써, 원하는 전자파 차폐 흡수능 개선 효과를 달성하지 못할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가열 온도는 150℃ 일 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 압축 성형하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 압력을 가하여 상기 복합 입자를 원하는 형태로 보다 용이하게 성형할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복합 소재는 상기 복합 입자를 10 MPa로 10분 동안 압축 성형하여 제조될 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 바람직하게는 필름 형태인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 사용 목적에 따라 다양한 형태로 제조될 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 전도성 필러의 퍼콜레이션(percolation) 구조를 갖는 것일 수 있다.
전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자가 성형되어 제조됨으로써, 고분자 및 전도성 필러가 임의 혼합되어 고분자 매트릭스 내 전도성 필러가 임의 분산된 형태가 아닌, 복합 입자를 이루는 고분자 입자 사이 영역에 전도성 필러가 집중된 형태의 소재를 형성할 수 있다.
이로써, 전도성 필러가 형성하는 네트워크가 집중될 수 있고, 즉, 퍼콜레이션 구조를 형성할 수 있다. 이에 따라, 전도성 필러에 의한 흡수능이 더욱 향상되는 효과가 있다.
본 발명에 따른 전자파 차폐용 복합 소재는 고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 성형하여 제조됨으로써, 전도성 필러 간 퍼콜레이션 구조를 형성하고 고분자 입자 내 다중 반사를 극대화할 수 있는 구조를 갖는 효과가 있다.
따라서, GHz 주파수 대역의 전자파에 대하여 우수한 차폐능을 보이고, 이때 반사능은 유지하거나 더 낮고, 선택적으로 흡수능만을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서는,
본 발명의 일 측면에서 제공되는 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하는 방법으로서,
복합 입자를 준비하는 단계; 및
상기 복합 입자를 성형하여 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하는 단계;를 포함하는, 전자파 차폐용 복합 소재의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 전자파 차폐용 복합 소재의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 전자파 차폐용 복합 소재의 제조방법은 복합 입자를 준비하는 단계를 포함한다.
상기 복합 입자의 구성에 대해서는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 전자파 차폐용 복합 소재에 관하여 설명한 것과 동일한 바, 중복해서 설명하지는 않는다.
상기 복합 입자를 준비하는 단계는,
고분자 입자 및 전도성 필러를 혼합하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 단계는 고분자 입자와 전도성 필러를 혼합하여 고분자 입자의 표면에 최소한 부분적으로 전도성 필러가 부착되도록 하는 단계이다.
상기 부착은 물리적 또는 화학적 결합에 의한 부착을 포함한다.
상기 혼합은 예를 들어 전도성 필러를 고분자 입자에 뿌리는 방식으로 수행될 수 있고, 또는 고분자 입자 및 전도성 입자를 섞은 후 물리적 진동을 가하는 방식으로 수행될 수 있으며, 고분자 입자의 표면에 최소한 부분적으로 전도성 필러가 부착시키는 목적을 달성할 수 있다면, 이 방법에 한정되어야 하는 것은 아니다.
상기 혼합 및 부착은 유/무기 바인더나 용매를 사용하지 않고 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 입자를 제조하는 방법을 나타낸다.
상기 일 실시예에서, 상기 고분자 입자 및 전도성 필러의 혼합은 어쿠스틱 믹서에 의해 물리적 진동을 인가하여 수행될 수 있다. 이때, 반데르발스 힘에 의해 π-π 결합이 물리적으로 쉽게 유도되는 원리로 전도성 필러가 부착될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 전자파 차폐용 복합 소재의 제조방법은 상기 복합 입자를 성형하여 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하는 단계를 포함한다. 상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 복수로 포함할 수 있고, 상기 복수의 복합 입자들이 결합 및 성형되어 제조될 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 가열 성형하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 가열을 통하여 상기 복합 입자를 원하는 형태로 보다 용이하게 성형할 수 있다.
상기 가열 온도는 50℃ 내지 200℃인 것일 수 있다. 상기 가열 온도가 상기 범위 미만인 경우, 복합 입자 성형이 용이하지 않을 수 있고, 상기 가열 온도가 상기 범위를 초과하는 경우, 고분자 입자가 녹거나 과도하게 변형되어, 전도성 필러와 고분자 간 임의 혼합이 촉진됨으로써, 원하는 전자파 차폐 흡수능 개선 효과를 달성하지 못할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가열 온도는 150℃ 일 수 있다.
상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 압축 성형하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 압력을 가하여 상기 복합 입자를 원하는 형태로 보다 용이하게 성형할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복합 소재는 상기 복합 입자를 10 MPa로 10분 동안 압축 성형하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 전자파 차폐용 복합 소재는 고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 성형하여 제조됨으로써, 전도성 필러 간 퍼콜레이션 구조를 형성하고 고분자 입자 내 다중 반사를 극대화할 수 있는 구조를 갖는 효과가 있다.
따라서, GHz 주파수 대역의 전자파에 대하여 우수한 차폐능을 보이고, 이때 반사능은 유지하거나 최소화하고, 선택적으로 흡수능만을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
<실시예 1> 전자파 차폐용 복합 소재의 제조
본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐용 복합 소재를 아래와 같이 제조하였다.
평균 직경 1mm 크기의 실린더 형태의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, High density polyethylene) 컴파운드 9g과 팽창 흑연(EG, Expanded Graphite) 1g(10 중량%의 함량)을 혼합하고, 어쿠스틱 믹서로 물리적 진동을 인가하여 코팅을 수행하여, 팽창 흑연(EG)이 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 입자에 코팅된 고밀도 폴리에틸렌/팽창 흑연(HDPE/EG) 코어쉘 구조를 갖는 전자파 차폐용 복합 입자를 제조하였다.
상기 복합 입자를 150℃의 온도에서 10MPa로 10분 동안 압축 성형하여, 1mm 두께의 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐용 복합 소재를 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 이미지를 나타낸다.
상기 도 3에 따르면, 복수의 복합 입자가 성형되어 제조된 전자파 차폐용 복합 소재는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 팽창 흑연(EG)이 임의로 섞이지 않고, 분명한 경계로 구분되는 것이 관찰되었다. 찌그러진 형태의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 영역 주위로 팽창 흑연(EG)이 집중된 영역이 확인된다.
<실시예 2> 전자파 차폐용 복합 소재의 제조
상기 실시예 1에 있어서, 팽창 흑연(EG)을 0.278g(3 중량%의 함량) 혼합하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 전자파 차폐용 복합 입자 및 복합 소재를 제조하였다.
<실시예 3> 전자파 차폐용 복합 소재의 제조
상기 실시예 1에 있어서, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 크기가 평균 직경 500 ㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 전자파 차폐용 복합 입자 및 복합 소재를 제조하였다.
<실시예 4> 전자파 차폐용 복합 소재의 제조
상기 실시예 1에 있어서, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 크기가 평균 직경 100 ㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 전자파 차폐용 복합 입자 및 복합 소재를 제조하였다.
<비교예 1> 전자파 차폐용 복합 소재의 제조
고밀도 폴리에틸렌(HDPE, High density polyethylene) 9g을 자일렌(Xylene) 용액에 110℃에서 녹인 후, 팽창 흑연(EG, Expanded Graphite) 1g(10 중량%의 함량)을 첨가하고, 2시간 동안 500 rpm으로 교반하였다. 교반한 용액을 핫플레이트로 옮겨 용매를 제거하였다. 그 다음, 150℃의 온도에서 10MPa로 10분 동안 압축 성형하여, 1mm 두께의 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하였다.
<비교예 2> 전자파 차폐용 복합 소재의 제조
상기 비교예 1에 있어서, 팽창 흑연(EG)을 0.278g(3 중량%의 함량) 혼합하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 수행하여 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하였다.
<실험예 1> 본 발명의 복합 소재 구조 및 전도성 필러 함량에 따른 차폐능 평가
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 대하여, 8.2 GHz 내지 12.4 GHz 대역과 18 GHz 내지 26.5 GHz 대역의 전자파를 도파관을 통해 전자파 차폐 복합 소재에 가하여 차폐능을 평가하였다.
또한, 차폐능 중 흡수능 및 반사능을 분리하여 평가하였다.
이에 대한 결과를 아래 표 1 및 표 2로 정리하였다.
Figure pat00001
Figure pat00002
상기 표 1은 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 대하여, 8.2 GHz 내지 12.4 GHz 대역의 전자파 차폐 효과를 나타낸 것이고,
상기 표 2는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 대하여, 18 GHz 내지 26.5 GHz 대역의 전자파 차폐 효과를 나타낸 것이다.
또한, 도 4는 본 발명의 실험예 1에 따라 비교예 1 내지 2의 전자파 차폐용 복합 소재의 전자파 차폐 성능을 평가한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 1에 따라 실시예 1 내지 2의 전자파 차폐용 복합 소재의 전자파 차폐 성능을 평가한 그래프이다.
상기 도 4, 도 5 및 상기 표 1 및 표 2를 살펴보면, 실시예1 내지 2에 따른 복합 입자를 성형하여 제조된 전자파 차폐용 복합 소재는 각각 임의 혼합으로 제조된 비교예 1 내지 2에 비하여 전체적으로 향상된 차폐 성능을 보이는 것으로 나타났다. 보다 구체적으로, 반사능은 다소 증가한 반면, 흡수능이 선택적으로 더 우수하게 증가한 것으로 나타났다.
또한, 전도성 필러의 함량이 3 중량%인 실시예 2 및 비교예 2보다 전도성 필러의 함량이 10 중량%인 실시예 1 및 비교예 1의 차폐 성능이 더 우수하게 나타났다.
구체적으로, 10 GHz의 고주파에서, 실시예 2의 차폐능은 15 dB인 반면, 실시예 1의 복합 소재의 차폐능은 33 dB로 더 높게 나타났고, 특히 흡수능이 10 dB에서 23.6 dB로 약 2.4배 증가한 것으로 나타났다.
또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 입자를 성형하여 제조된 전자파 차폐용 복합 소재의 다중 반사 메커니즘을 나타낸다. 상기 도 2에 따르면, 전도성 필러로 이루어진 영역에서 전자파 차폐/흡수가 일어나고, 고분자로 이루어진 영역에서 내부 다중 반사가 유도되며 이에 의한 에너지 손실로 전자파 차폐/흡수가 일어나는 것을 알 수 있다.
상기 실험 결과에 따르면, 본 발명은 임의 혼합하여 제조하는 것이 아닌, 고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 성형하여 제조됨으로써, 전도성 필러 간 효과적으로 퍼콜레이션 구조를 형성하고 고분자 입자 내 다중 반사를 극대화할 수 있는 구조를 갖는 효과가 있음을 알 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 실험예 1에 따라 각 X-대역 및 Y-대역에서의 전도성 필러 함량에 따른 전자파 차폐 성능을 평가한 그래프이다.
상기 도 6에서, X-대역(X-band)은 8.2 GHz 내지 12.4 GHz의 전자파 주파수 대역을 의미하고, K-대역(K-band)은 18 GHz 내지 26.5 GHz의 전자파 주파수 대역을 의미한다.
상기 도 4, 도 5, 도 6 및 상기 표 1 및 표 2를 살펴보면, 상술한 바와 같이 다중 반사에 의해 X-대역 와 K-대역 모두 에서 실시예의 차폐 성능, 특히 흡수 성능이 증가하였다.
또한, K-대역 에서의 흡수능 개선 효과가 더 우수하게 나타나며, X-대역 에서는 K-대역 보다 흡수능 증가 효과가 미미한 것으로 나타났다.
X- 대역의 10 GHz 고주파에서, 실시예 1의 흡수능은 비교예 1에 비하여, 13 dB 에서 23.6 dB로 10.6 dB 만큼 약 1.8 배 증가한 것으로 나타난다.
반면, K- 대역의 20 GHz 고주파에서, 실시예 1의 흡수능은 비교예 1에 비하여, 19 dB에서 46 dB로 26 dB 만큼 약 2.4 배 증가한 것으로 나타났다.
이는, X-대역 에서는 K-대역 보다 파장의 길이와 (사용된 고분자 입자의 크기에 기반한) 고분자 영역의 크기 매칭이 잘 이뤄지지 않아 고분자 영역 내부 반사에 의한 전자파 흡수 효과가 극대화되지 않은 원인으로 사료된다.
<실험예 2> 고분자 입자 크기에 따른 차폐능 평가
상기 실시예 1, 3 및 4에 대하여, 18 GHz 내지 26.5 GHz의 전자파를 도파관을 통해 전자파 차폐 복합 소재에 가하여 차폐능을 평가하였다.
또한 차폐능 중 흡수능 및 반사능을 분리하여 평가하였다.
이에 대한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
Figure pat00003
도 7은 본 발명의 실험예 2에 따라 실시예 1, 3 및 4와 비교예 1의 전자파 차폐 복합 소재의 고분자 입자 크기에 따른 차폐 성능을 평가한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예 2에 따른 실시예 1, 3 및 4와 비교예 1의 전자파 차폐 복합 소재의 고분자 입자 크기에 따른 차폐 성능을 나타낸 히스토그램이다.
상기 도 7, 도 8 및 표 3을 살펴보면, 18 내지 26.5 GHz 주파수 대역의 전자파에 대하여, 고분자 입자 크기가 100 um인 실시예 4의 복합 소재는 비교예 1의 경우 보다 차폐 성능이 유사하거나 저하되는 것으로 나타났다.
특히, 26.5 GHz의 고주파에서, 실시예 4의 전자파 차폐용 복합 소재는 비교예 1과 대비하여, 차폐능은 27.5 dB 에서 22.8 dB로 오히려 저하되었고, 흡수능은 22.2 dB에서 14.4 dB로 약 35% 감소한 것을 알 수 있다.
또한, 고분자 입자 크기가 500 um인 실시예 3의 복합 소재는 비교예 1 및 실시예 4보다 전체적으로 차폐 성능이 향상되었다. 도 7에 따르면, 실시예 3의 복합 소재는 흡수능이 국부적으로 우수하게 향상되는 것으로 나타났다.
특히 26.5 GHz의 고주파에서, 실시예 3의 전자파 차폐용 복합 소재는 실시예 4와 대비하여, 반사능은 8.4 dB 에서 7 dB로 오히려 감소한 반면, 흡수능은 14.4 dB 에서 24 dB 로 약 67% 향상되었다.
또한, 특히 24.5 GHz 의 고주파에서는 흡수능이 약 40 dB로 약 2.5배 이상 증가하였다.
또한, 고분자 입자 크기가 1000 um인 실시예 1의 복합 소재는 비교예 1 및 실시예 3 내지 4보다 차폐 성능이 더욱 향상되었고, 반사능은 유지되거나 더 감소되는 반면, 흡수능만 전체적으로 우수하게 개선되는 것을 확인하였다.
실시예 1의 복합 소재는 실시예 3 내지 4보다 전체적으로 흡수능만이 더 우수하게 나타났다.
특히, 26.5 GHz의 고주파에서, 흡수능이 실시예 3 및 실시예 4에 비해 각각 25.4dB, 35dB 만큼 증가하였고, 약 2배, 약 3.4배 이상 향상된 것으로 나타났다.
즉, 실험예 2의 고주파수 대역에서, 고분자 입자 크기가 500 um 이상인 경우 전자파 흡수능이 우수하게 향상되는 현저한 효과가 확인된다.
또한, 상기 실험예 1에서 확인한 바와 동일하게, 동일한 1000 um의 고분자 입자 크기를 갖는 실시예 1 및 비교예 1의 복합 소재를 비교한 경우, 실시예 1의 차폐능 및 흡수능이 비교예 1에 비해 월등히 향상된 것을 확인하였다.
특히, 26.5 GHz 주파수의 전자파에 대하여, 차폐능이 30.2 dB 증가하였고, 반사능은 3 dB만 증가한 반면, 흡수능이 27.2 dB 증가한 것으로 확인된다.
따라서, 본 발명은 고주파수 대역의 전자파 차폐/흡수에 적합한 고분자 입자 크기를 갖는 동시에, 고분자 입자와 전도성 필러의 임의 혼합으로 제조한 소재가 아닌, 고분자 입자 표면에 전도성 필러를 최소한 부분적으로 부착시킨 복합 입자를 성형하여 제조한 소재로서,
고분자 입자 내 내부 반사가 극대화되고, 고분자 입자 사이 전도성 필러 간 퍼콜레이션 구조 형성이 촉진되어, 전자파 차폐능이 향상되고, 특히 반사능은 거의 유지되는 반면, 흡수능만이 선택적으로 향상되는 것을 확인하였다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 고분자 입자 및 그 입자 표면에 최소한 부분적으로 부착된 전도성 필러를 포함하는 복합 입자를 성형하여 제조되는 전자파 차폐용 복합 소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 입자는 평균 직경 300 ㎛ 내지 3000 ㎛의 크기를 갖는 것인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 입자는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS) 및 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하는, 전자파 차폐용 복합 소재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러는 알루미늄, 구리, 은, 주석, 니켈, 코발트, 크롬, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노입자(CNP), 그래핀, 탄소섬유(CF), 카본블랙(CB) 및 팽창 흑연(EG) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는, 전자파 차폐용 복합 소재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 차폐용 복합 소재는 3 GHz 내지 3000 GHz 주파수 대역의 전자파 차폐 용도인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 입자는 평균 직경 500 ㎛ 내지 1500 ㎛의 크기를 갖는 것인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러는 상기 복합 입자에 대하여 0.1 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러는 1 nm 내지 100 um 의 크기를 갖는 것인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러의 형상은 구형, 판상형 및 와이어(튜브)형 중 어느 하나인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 가열 성형하여 제조되는 것인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가열 온도는 50℃ 내지 200℃ 인 것인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 차폐용 복합 소재는 상기 복합 입자를 압축 성형하여 제조되는 것인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 차폐용 복합 소재는 필름 형태인 것인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 차폐용 복합 소재는 전도성 필러의 퍼콜레이션 구조를 갖는 것인, 전자파 차폐용 복합 소재.
  15. 제1항의 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하는 방법으로서,
    복합 입자를 준비하는 단계; 및
    상기 복합 입자를 성형하여 전자파 차폐용 복합 소재를 제조하는 단계;를 포함하는, 전자파 차폐용 복합 소재의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복합 입자를 준비하는 단계는,
    고분자 입자 및 전도성 필러를 혼합하는 단계를 포함하는, 전자파 차폐용 복합 소재의 제조방법.

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