제 10 장 탄소섬유복합재료의 일반적사용

전자기기(특히 컴퓨터)가 날로 많은 분야에 사용되고 가전제품의 사용량이 증가하면서 생기는 전자파는 전자기기의 정상적인 작동을 위협하는 위험수위에까지 이르렀다. 특히 전자부품의 소형화와 고도의 집성화 됨에 따라 외부전자파로 인해 오작동을 하는 경우가 많다. 또 한가지는 전자기기의 겉 케이스가 플라스틱으로 만들어져 전자파의 차단능력이 약해져서 전자파가 쉽게 투과할 수 있다. 도면 10-1은 전자파가 생기는 원인과 위해성을 설명한 도표이다. 이런 외적요인과 내부적 요인으로 전자파의 위해성은 이미 현시대 제일 큰 공해중의 하나로 되었다. 전자파 방해를 없애거나 차단시키는데는 전자회선을 정확하게 설계하거나 전자부속품을 합리하게 배치하는 방법 외에도 전자파 차폐재료를 사용하는 것도 효과적인 방법중의 하나이다. 전자파 차폐재료는 두 가지 작용을 하는데 첫 번째는 전자회선을 외부 전자파의 방해로부터 보호해 주고 두 번째는 내부에서 생기는 전자파를 차단시킬 수 있다.

도표 10-2 차폐재료의 전기 저항율과 차폐효과와의 관계

차폐재료의 전기저항율 (□·□)	차폐효과(□)
	10□□	100□□	500□□	1000□□
1 10 100	42 31 21	35 22 10	34 17 4	36 15 2

플라스틱의 절연성을 전도성으로 전환시키는 방법은 표면에 도금을 하거나 전도성 첨가제를 바르는 등의 방법이 있다. 그 재료들로는 은 성분, 니켈성분, 동 성분, 은과 동의 복합재료 탄소 흑연류가 있다. 표면에 도금을 하는데는 특정된 조건 하에서 저융점의 금속을 바르는 것이다. 그 중에서도 아연도금을 제일 많이 사용하는 편이다. 표면에 전도층을 바르거나 도금을 하는 방법은 이미 광범위하게 사용되고 있으나 장시간 사용할 시에는 전도층이 벗겨지기 쉽기 때문에 한층 더 강화된 기술을 사용해야만 하는 실정이다. 겉 케이스를 만드는 플라스틱에 전도성 재료를 첨가시키는 방법 또한 복합형 차폐재료라고도 한다. 특히 전도성이 있는 탄소섬유를 첨가하면 전도성과 차폐효과를 향상시킬 뿐더러 역학성능도 높일 수 있다.

10. 1. 2 탄소섬유 차폐재료의 제작방법과 성능

복합형 전자파 차폐재료의 제작방법은 절연수지에다 전도성 섬유나 전도성 입자를 첨가하여 전도성 회로망을 형성하게끔 하여 저항율을 내리는 것이다. 도표 10. 3에서는 각종 재료의 저항율을 제시하였다. 그 중 가장 많이 사용되고 있는 전도성 첨가제로는 은가루, 동가루, 니켈가루, 흑연가루, 블랙 카본, 탄소섬유와 기타 전도성 섬유 등이 있다. 도표 10.4 는 PP수지에다 여러 가지 전도성 재료를 첨가한 후의 전자파 차폐효과를 비교 분석한 그림이다.  블랙 카본에 흑연가루를 첨가하여 만든 차폐재료는 [도표10.4(b)] 흑연가루만 넣어 만든 차폐재료[도표10.4(a)]보다 그 성능이 좋다. 또한 탄소섬유와 블랙 카본을 혼합하여 만든 재료[도표10.4(c)]는 그 차폐성능이 한 층 더 뛰어난 것으로 금속첨가제를 넣은 재료와 같은 성능을 갖고 있다 하여도 과언이 아니다. 동시에 탄소섬유를 첨가함으로써 차폐 겉 케이스를 더욱 단단하게 할 수 있다. 도표 10.4에서의 수치에서도 알 수 있듯이  탄산수지에 25%의 탄소섬유를 첨가하면 인장력과 신장력이 두 배 이상 강화되어 겉 케이스를 가볍고 소형화할 수가 있다.

저항력 또한 탄소섬유의 길이에 의해 좌우된다. 전도성 이론에 의하면 탄소섬유의 길이가 길수록 서로 간의 접촉이 쉬워져 저항력을 줄일 수가 있다(도표10.5). 탄소섬유가 길수록 전도성 회로망의 밀도도 커진다. 하지만 탄소섬유의 길이가 길면 수지와의 혼합이 잘되지 않아 성형하는 공정이 까다로워지기 때문에 설비와 부품의 크기, 공정 등을 감안하여 탄소섬유의 최적 길이를 선택하는 것이 중요하다.

도표 10. 4 주입 성형한 EMI 재료의 성능비교

첨가재료 성능	첨가하지 않음(순수수지)	스텐 섬유	탄소섬유 (25%)	도금유리 섬유(25%)	알루미늄 가루(30%)
신장력(□) 인장력(%) 충격강도(Ｎ/□) 굴절강도(□) 굴절강도(□) HDT(℃) 밀도(ｋ/□) 쇠퇴효과(dB)(1□)	62 6~8 13 89 2.3 132 1.2 0	55 7 0.92 93 2.3 142 1.27 40	138 1.1 1.1 193 13.8 146 1.31 30	83 2.0 0.86 144 6.8 143 1.4 20	41 2.9 1.1 76 4.4 141 1.44 30

전도성 플라스틱의 저항율은 수지자체의 성능과 첨가제의 성능과도 연관성이 있지만 또한 탄소섬유의 표면처리와도 밀접한 연관성이 있다. 도표10.6은 폴리에틸렌에 표면처리를 한 탄소섬유를 첨가한 후 저항율에 미치는 영향을 설명한 것으로 二縮水甘油□계열의 에폭시수지(A-ST)로 처리한 후의 탄소섬유의 저항율은 聚丙撑二醇계열의 에폭시수지(A-506)나 □□A계열의 에폭시수지(A-828)로 처리한 것보다 그 저항율이 휠씬 낮다.이것은 아마도 저항율이 기능원자단 종류나 함량 및 친화력과 유관하기때문인 것 같다. 도표 10.7은 탄소섬유 표면에 接枝單□후의 저항율이다. BA와 EA의 저항율은 AA나 MMA, EHA보다 휠씬 낮다. 이런 차폐재료의 제조방법은 일정한 길이의 탄소섬유와 폴리에틸렌을 혼합기에 넣어 충분히 혼합하여 만든다. 이때 혼합기 롤러의 직경은 15□이고 롤러의 온도는 160℃이며 롤러간의 간격은 2□이고 혼합시간은 10min이어야 한다. 또 한가지 방법은 탄소섬유와 PE를 일정한 비례로 혼합한 후 CFRTP로 성형한다.

탄소섬유의 니켈층은 전도성을 높일 수 있다. 보통 니켈층 두께는 0.2~0.3□이다. 나일론에 15Wt%의 탄소섬유를 첨가하면 저항율이 0.5□·□이고 차폐효과가 44dB가 된다. 만일 ABS수지에다 40Wt%의 니켈을 도금한 탄소섬유를 첨가하면 차폐효과가 88dB에 도달할 수가 있다.

조각상태의 플라스틱에 탄소섬유를 첨가하면 전도성과 역학성능을 향상시킬 수 있다. SMC를 만들 때 탄소섬유 회로망을 추가하면 저항율이 현저하게 낮아지면서 차폐성능이 향상된다(도표10.5). 이런 SMC는 성형하기가 좋아 여러 가지 형태의 복잡한 전자파 차단 케이스를 만들 수 있다.

단절 탄소섬유나 일반적 역청 단절 섬유를 화학시제인 三乙醇안, 유황산나트륨, 황산알루미늄칼륨을 시멘트에 첨가하면 신장력과 굴절강도, 항 충격성능을 높일 수 있을뿐더러 전자파 방해를 차단하는 차폐성능까지 향상시킬 수 있다(도표10.6).

10. 1. 3 전자파차폐재료의 응용

1.통신기기

선박, 함정의 통신실과 해안, 지휘탑의 통신설비도 전자파의 방해로부터 차단시켜야 한다. 탄소섬유를 첨가한 나일론이나 PE, PVC, 불포화 폴리에스테르 등의 재료를 통신실의 벽에 바르거나 붙이면 만족한 차폐효과를 얻을 수 있다. 이런 차폐재료는 또한 발신기나 수신기 무전기의 겉 케이스를 만드는 재료로도 사용할 수가 있다.

2. 전자기기의 차폐 겉 케이스

현재의 많은 측정기기와 계량기 겉 케이스는 대부분이 플라스틱으로 만들어진 제품으로 전자파 차단 능력이 매우 약하다. 만일 이런 겉 케이스를 차폐재료로 만든다면 전자파를 효과적으로 차단할 수 가 있다. 컴퓨터 겉 케이스의 저항수치는 10□□~10°□·□여야만 전자파를 차단시켜 컴퓨터가 정상적으로 작동할 수 가 있다. 컴퓨터 본체, 모니터 프린터기의 플라스틱부분을 탄소섬유나 유리섬유의 SMC로 만들면 전자파 차폐효과가 UL94V-O의 요구수치에 도달할 수 가 있다.

3. 전기선 외피와 플러그

전기선 외보 표피는 전자파의 방해를 많이 받는다. 금속차폐 전기선은 차단효과가 좋지만 만드는 공정이 복잡하다. 탄소섬유를 첨가하여 전기선 외피를 만들면 좋은 차폐효과를 얻을 수 있다. 예를 들면 폴리 염화비닐에 20%의 단절 탄소섬유나 역청 단절 섬유를 첨가하면 차폐효과가 41dB에 도달할 수 가 있다.

탄소섬유를 첨가한 SMC로 전기선 코드나 플러그를 만들면 전자파 차페효과가 있다. 또한 탄소섬유의 전도성을 이용하여 비자기성의 특수한 전기선을 만들 수 가 있다.

4.발동기 등 동력설비의 겉 케이스

자동차 발동기에서 발생하는 전자파가  TV 등에 영향을 미친다는 것은 누구나 다 알고 있는 사실이다. 차폐재료로 발동기의 겉 케이스를 만들면 이런 전자파를 효과적으로 차단시킬 수 있다. 특히 소형컴퓨터가 자동차에 장착되면서 발동기와 컴퓨터의 차폐문제는 더욱이 등한시해서는 안될 문제이다. 기타 동력설비도 운행 시 여러 가지 전자파가 생기기에 차폐문제에 유의해야 한다.

5. 가전제품

사무실 설비기기와 가전제품이 날로 보급됨에 따라 차폐재료로 겉 케이스를 만들어 전자파 방해를 줄여야 한다.

6. 고층건물

현재의 도시에는 고층건물이 즐비하게 들어서면서 전자파의 피해가 더 많이 생기고 있다. 탄소섬유를 넣어 만든 시멘트벽으로 건물을 지으면 무게가 가벼워질 뿐만 아니라 차폐효과도 얻을 수 있다.