Pearl-necklace-structured CNT/Ni nanocomposite powders are fabricated by polyol process and homogeneously mixed with epoxy matrix to prepare CNT/Ni/Epoxy nanocomposite electromagnetic absorber. CNT/Ni/Epoxy nanocomposite showed better dispersion of CNT/Ni than in epoxy matrix CNT in CNT/Epoxy nanocomposite. This resulted enhancement of mechanical properties by homogenous dispersion and interfacial interaction between CNT/Ni and epoxy and increased electrical conductivity by order of 1 due to enhanced conductive network of CNT/Ni compared to CNT/Epoxy nanocomposite. This enhanced dispersion effect leads to an increase of loss tangent and reflection loss for CNT/Ni/Epoxy nanocomposite, compare to those of CNT/Epoxy nanocomposite in range of 8-12GHz. The enhanced electromagnetic absorbing properties of CNT/Ni/Epoxy nanocomposite are attributed to better dispersion of CNT/Ni nanocomposite powders than CNTs in CNT/Epoxy nanocomposite.
핸드폰(0.8-1.2GHz), LAN 시스템(2.45, 5.0, 19.0, 22.0, 60.0GHz) 또는 위성 방송과 같이 최근 GHz 주파수 대역의 전자 기기의 사용이 늘어나고 있다. 이러한 전자기기들은 전자파의 상호작용에 의해 EMI 즉 전자파 간섭을 발생시켜 오작동을 야기한다. 따라서 최근 이러한 전자파 차폐재료의 개발 위해 전자파 흡수 재료의 연구가 되고 있다. 이러한 전자파 흡수 재료는 전자파 반사 재료에 비해 재반사로부터 발생하는 문제점을 방지한다는데 있어서 장점이 있다. 또한 GHz 대역의 전자파 흡수재료는 레이더 흡수 재료인 스텔스 항공기와 같은 군사용 목적으로도 사용이 가능하다. 특히 군사용으로는 X-band(8-12GHz)와 Ku-band(12-16GHz)대역의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전자파 흡수재료는 전자파가 입사하게 되면 재료에 따라 자성물질의 경우 분자-쌍극자 운동에 의해, 유전재료의 경우 분자 재배열에 의해, 그리고 전도성 재료의 경우 임피던스 차에 의해 열을 발생하여 흡수하게 된다. 그러나 페라이트와 같은 자성재료의 경우 무게가 무겁다는 단점이 있고 유전재료의 경우 그 자체만으로는 GHz 대역에서 전자파 흡수가 약하다는 단점을 가지고 있다.
따라서 이러한 단점을 극복하기 위해 최근 탄소 계열의 전자파 흡수체의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 탄소나노튜브의 경우 1991 Ijima 교수가 발견한 이래에 높은 aspect ratio, 높은 전기전도도, 작은 크기, 우수한 강도, 강성, 낮은 밀도와 같은 특성을 지니고 있어 전자파 흡수재료로서 많은 연구가 진행이 되고 있다. 특히 높은 전기 전도도와 높은 aspect ratio 그리고 낮은 밀도는 GHz 대역에서 탄소나노튜브가 전도성 재료로서 우수한 전자파 흡수 성능을 가지게 한다.
이러한 최근 탄소나노튜브를 이용한 전자파 흡수재료의 연구의 이슈는 크게 두 가지로 나누어지는데 첫 번째는 탄소나노튜브의 폴리머 기지 내에서의 분산이고 또 한가지는 탄소나노튜브 자체의 전기 전도도 이다. 탄소나노튜브의 분산의 경우 기지 내에서의 탄소나노튜브의 표면적을 늘려 전자파 흡수성능을 향상시키고 탄소나노튜브 자체의 높은 전기전도도 또한 전자파 흡수성능을 향상시키는 중요한 요소가 된다.
본 연구에서는 이러한 탄소나노튜브의 분산강화와 전기전도도의 향상을 위해 polyol 공정을 통해 50nm 크기의 니켈 분자를 탄소나노튜브 위에 합성함으로서의 균일한 탄소나노튜브/니켈 분말을 합성하였다. 또한 이러한 분말을 50℃에서 초음파를 이용하여 에폭시 기지 내에 분산을 시켜 전자파 차폐 재료를 개발하였다. 에폭시의 경우 다른 고분자에 비해 기계적 성질과 화학적 안정성이 매우 좋아 구조재료로서의 응용도 가능하다는 장점을 가진다.
탄소나노튜브/니켈 나노복합분말의 경우 탄소나노튜브에 비해 에폭시 기지 내에서의 분산이 증가를 하였으며 나노 수준으로 분산이 되는 것이 관찰이 되었다. 이러한 분산효과에 의해 인장실험의 경우 탄소나노튜브/에폭시 복합재료에 비해 탄소나노튜브/니켈/에폭시 복합재료의 경우 연신율과 UTS 모두가 증가하는 결과를 얻게 되었다. 또한 에폭시 기지와 탄소나노튜브/니켈 복합재료의 결합이 탄소나노튜브에 비해 증가하는 것이 관찰되었다. 전기전도도의 경우 분산효과에 의해 percolation threshold가 0.2wt% 에서 0.1wt%로 감소하였으며 Ni 분자가 탄소나노튜브 간의 전도성 네트워크를 형성함으로서 10배 이상의 전기전도도 증가를 확인 할 수 있었다. 이러한 탄소나노튜브/니켈 나노 복합분말의 전기 전도도 증가로 인해 2wt% 탄소나노튜브/니켈/에폭시 나노복합재료의 경우 탄소나노튜브/에폭시 나노복합재료에 비해 최대 10배 이상의 전자파 흡수 성능을 얻을 수 있었다. 또한 분말의 wt% 증가에 따라 유전 손실이 선형적으로 증가함으로서 선형 최소제곱법을 이용하여 유전 손실의 예측이 가능하였다. 또한 과거 연구가 되었던 에폭시 이외의 다른 고분자 기지의 탄소나노튜브 복합체에 비해서도 우수한 GHz 대역에서 유전 손실을 가지고 있으며 에폭시를 기지로 사용함으로서 실제 구조 재료로서의 응용이 가능하여 스텔스 항공기 재료와 전자파 차폐재료로서의 응용이 적합하다고 판단되어진다.
