운수, 건축, 레저, 우주산업 등 신시장 출현으로 인해 고성능, 저비용,경량, 고부가가치를 만족시킬 수 있는 탄소 소재에 대한 관심이증대되고 있다. 장치 소형화 및 전자기기 사용 증가로 인해 발생하는전자파장해(electromagnetic interference) 현상을 차단하고, 무게감소로 사용 효율을 향상시키기 위해서 탄소 기반 경량 차폐 재료개발이 중요시 되고 있다. 또한 의류, 생활용품을 비롯하여 소재, 농수산,기계, 공업, 자동차, 우주 항공 등 열을 필요로 하는 다양한 산업에 적용가능한 고효율 발열체에 대한 기술 개발이 필요하다.
본 연구에서는 전기적, 기계적, 화학적 안정성, 열적 특성이 우수한탄소나노튜브와 탄소섬유를 이용하여 전자파차폐 및 발열 소재로활용하고자 한다. 특히 우수한 탄소(탄소나노튜브, 탄소섬유)소재를기반으로 자동차 소재에 적용하기 위한 가볍고 유연한 전자 재료 즉,전자파차폐 및 발열소재를 개발하였다.
논문은 총 8장으로 구성된다. 1장에서는 연구 목표와 논문 구성을제시하였다. 2장에서는 탄소 소재의 종류, 구조(형태), 제조, 특성, EMI차폐 이론, 발열에 관한 이론적 배경을 정리하였다. 3장부터 7장까지는본 논문에서 개발한 EMI 차폐, 발열, 전자기 재료의 제조 및 구조특성에 관한 것이다.
3장은 자기적 성질을 가진 합금 (FexNi1-x)을 우수한탄소나노튜브에 코팅시킨 필러에 대한 연구 결과이다. 나노 사이즈로탄소나노튜브 표면에 코팅된 합금의 자기적 특성에 대한 결과와 고찰을나타내었다.
4장은 열전도도, 전기적, 원적외선 방사 특성이 우수하고 열 확산이증대되어 저 저항 구동이 가능한 chopped carbon fiber/XTG(xanthangum) 발열 시트에 관한 연구 결과이다. 발열 시트로 사용하기 위한전기적, 기계적 특성이 최적인 조건은 탄소섬유의 길이가 6mm이고분산제의 함량이 16.9–45.8 wt.%이었다. 또한 CF 발열 시트의 낮은열용량으로 인해 에너지가 포화되는데 걸리는 시간이 5초 이내였다. CF발열 시트의 원적외선 방사율은 흑체의 90%에 해당하며 니크롬와이어(55%) 보다 높은 수치를 나타내었다.
5장에서는 탄소섬유 표면에 얇은 금속 층을 형성하기 위해 니켈무전해 도금을 하였고, 두께에 따른 온도저항계수(TCR)를 측정하였다.
니켈 입자 크기가 평균 100nm 미만인 경우는, 온도가 올라감에 따라phonon-driven transport 현상이 나타나며 저항이 증가하고, 저항온도 계수 (TCR)가 300K에서 1.5×10-3/K 으로 마치 전도성 금속과같은 거동을 보였다. 그러나 니켈 입자 크기가 평균 100nm보다 큰
경우, 불순물 관련된 variable range hopping (VRH)현상이발생하였으며, 온도 저항 계수가 300K 에서 -1.0×10-4/K 으로 음의값을 나타내며, 마치 반도체와 같은 특성을 보였다.
6장에서는 탄소섬유 표면에 무전해 구리(Cu) 도금으로 얇은3
금속층을 형성하여 Cu-CF를 제조하였다. Cu-CF의 전기적 및 열적특성 평가는 3ω 방법을 사용하였다. 또한 Cu-CF 와이어에는 금속과같은 전기전도도 특성과 절연체와 같은 열전도도 특성이 결합되어있음을 확인하였다.
이러한 얇은 금속층에 의해 전기전도도가 향상된 특성을 이용하여EMI 차폐 소재로 적용하기 위해 7장에서는 스프레딩, 함침 공정을이용하여 구리/니켈이 코팅된 MCF(Cu/Ni coated carbon fiber)테이프를 제조하고 유연성 향상 및 보풀 발생을 최소화하기 위해폴리우레탄을 사용하였다. 기존에 차폐 소재로 사용되고 있는 구리테이프는 구리의 높은 전기적 특성에 의해 EMI 차폐 성능이 우수한반면, MCF의 EMI 차폐성능은 높은 유전율과 투자율 특성으로 향상된것으로 확인하였다. 이러한 현상은 주로 전자기파를 반사하는 구리테이프에 비해 MCF 테이프는 전자기파를 반사뿐만 아니라 흡수성능도우수함을 확인하였다.
마지막 8장은 이 논문에 대한 결론 요약과 향후 연구를 제시하였다.