마이크로파 대역에서 다중벽 탄소나노튜브 중심 나노복합소재의 마이크로파 흡수능력 특성 평가

Abstract

최근 들어 점점 더 높은 주파수 대역에서 작동하는 전자기기의 설계와 제작에 대한 연구가 활발해지고 있다. 하지만 이와 더불어 전자파간섭(EMI) 문제 또한 함께 대두 되고 있는데 이 문제를 해결하기 위한 방법 중의 하나로 전자기 차폐 및 흡수 물질에 대한 연구를 들 수 있다. 이는 상업 분야뿐만 아니라 특히 국방 분야에서 스텔스 기능을 발휘하는 데에 이용할 수 있는데 고 주파수 대역의 RADAR를 흡수함으로써 RCS(Radar Cross Section)을 줄여 피탐지 효과를 나타낼 수 있기 때문이다. 흡수체에 관한 최근의 연구를 살펴보면 예전의 금속 및 자성물질 위주의 흡수체에서 카본계열의 물질 위주로 연구대상이 변화되어 옴을 확인할 수 있다. 이는 금속 및 자성물질 위주의 흡수체가 무거울 뿐만 아니라 부식에 취약하다는 단점을 가지고 있기 때문인데 상대적으로 카본계열의 흡수체는 가벼울 뿐만 아니라 열적, 구조적으로 안정적이고 부식에도 강한 편이다. 그리나 카본계열 물질은 큰 표면적으로 인해 분산이 어려워 카본물질 만으로는 큰 흡수 능력을 발휘하기 어렵다는 단점이 있다. 그래서 최근의 연구는 카본계열의 물질을 중심으로 하여 자성체 또는 비자성체 재료를 첨가하여 금속 및 자성물질 위주의 흡수체보다는 가볍고, 카본계열 위주의 흡수체보다는 향상된 흡수 능력을 발휘하는 흡수체에 대한 연구가 중점을 이루고 있다. 본 연구에서는 2~18GHz 주파수의 마이크로파 대역에서 카본계열 중심 복합체의 전자파 흡수능력 특성에 관하여 연구를 진행하고자 한다. 첫 번째 주제는 마이크로파 대역에서 흡수능이 뛰어난 카본계열의 물질을 선택하여 분산에 따른 특성의 변화를 확인하였고, 두 번째 주제는 카본계열의 물질에 강유전성 물질과 강자성 물질을 첨가하여 흡수체의 특성 변화를 확인하였다. 전파 흡수 능력 특성은 Transmission line theory에 따라 Vector network analyzer를 이용하여 1-port coaxial waveguide를 통해 2~18GHz 범위에서 reflection loss로 측정하였으며 모재로는 흡수 특성, 낮은 밀도와 가공용이성 등을 고려하여 폴리우레탄을 사용하였다. 첫 번째 주제에서는 다양한 카본계열 물질 중에 Multi-walled carbon nanotube, Carbon nanofiber, Carbon black을 비교하였다. 그 중에서 MWCNT가 다른 카본계열 물질에 비해 상대적으로 적은 양의 충전에서도 더 나은 흡수능력 특성을 보여주어서 CNT를 카본계열 물질로 선정하여 연구를 진행하였다. MWCNT의 분산을 향상시키기 위해 질산 처리를 통해 표면에 carboxyl 및 hydroxyl groups을 형성하여 모재인 폴리우레탄과의 상호작용을 강화하였고, Tip-sonicator를 이용하여 MWCNT를 손상 없이 용매 및 모재에 분산을 시켰다. MWCNT에 질산 처리를 했을 경우, 용매로 THF 대신 DMF를 사용 하였을 때 CNT의 분산은 더 잘 이루어졌고 전파 흡수능력 특성 또한 향상됨을 확인할 수 있었다. MWCNT의 전파 흡수능력 특성을 확인하기 위하여 다양한 양의 MWCNT와 다양한 두께의 표본을 실험 측정하였다. 5wt.%, 2mm 두께의 MWCNT 흡수체가 9.8GHz에서 30.2dB의 가장 좋은 특성을 보여주었다. MWCNT의 양이 증가할수록 유전율도 증가하는 경향성을 보였는데 5wt.% MWCNT에서 특성이 가장 좋은 이유는 임피던스 정합이 가장 잘 이루어졌기 때문이라고 생각된다. 또한 2mm 두께의 흡수체에서 가장 좋은 흡수능력 특성을 보여주었는데 이는 표본의 두께가 변함에 따라 유전율도 함께 변하여 2mm 두께에서 임피던스 정합이 가장 잘 이루어졌다고 판단되며 이때의 유전율 또한 가장 높았음을 확인할 수 있었다. MWCNT의 양이 증가할수록 표본 두께가 증가할수록 matching frequency는 더 낮은 주파수 영역으로 이동하였다. 두 번째 주제에서는 높은 유전율을 가진 Titanium dioxide(TiO2)와 높은 투자율을 가진 Magnetite(Fe3O4)를 각각 MWCNT 흡수체에 첨가하여 전파 흡수능력 특성 변화를 확인하였다. 먼저 TiO2 충전방식에 있어 sol-gel 방식과 grinding 방식을 비교하였다. MWCNT 표면에 같은 양의 TiO2를 방식을 달리하여 분산 및 첨가하였을 때 grinding 방식이 더 간편한 공정으로 더 좋은 전파 흡수능력 특성을 나타내었다. 이는 나노크기의 입자를 grinding 공정을 통해 분산시켜도 효과적으로 전파 흡수능력을 나타낼 수 있다는 것을 의미한다. MWCNT 5wt.% 2mm 두께의 흡수체에 TiO2와 Fe3O4를 각각 10wt.%와 20wt.%를 첨가하였을 경우 reflection loss 값은 각각 7.8GHz에 39.5dB, 9.2GHz에 26.1dB로 향상된 전파 흡수능력 특성을 보여주었다. 이는 향상된 유전율과 투자율에서 그 원인을 확인 할 수 있다. 특히 Fe3O4 20wt.% 표본의 두께를 2mm에서 1.5mm로 변화시켰을 경우 reflection loss는 13.1GHz에 34.6dB로 향상됨을 확인할 수 있었으며 이 두께에서의 투자율이 다른 두께에 비해 투자율이 가장 높음을 확인하였다.