This study undertakes a performance evaluation and analysis of the electromagnetic shielding behavior of CNT/epoxy films and aluminum honeycomb structures. Nowadays, electromagnetic interference (EMI) shielding has raised significant interests in the construction material field with a rapid growth of electronic equipment. Development of electromagnetic wave shielding material is essential to use precision instruments without EMI. Therefore, analysis and prediction for the shielding effectiveness and shielding mechanism of several composite materials were performed via simulation tool in this study.
This study is divided into two sections; one is a simulation study on CNT/epoxy film-coated mortars and the other is a study of aluminum honeycomb structures. First, appropriate material properties for CNT/epoxy film and mortar are set in reference to the experimentally measured data at the x-band. A simulation model reflecting the real waveguide measurement standards and the proper boundary conditions and port systems is then designated. Without limitations arising from experiments, a wide range of frequencies and various thicknesses of the CNT/epoxy films were taken into account in a simulation study. After a numerical analysis of the shielding effectiveness of CNT/epoxy films of various thicknesses, the most effective film thickness at the x-band was predicted. Changes in the shielding effectiveness in damaged cases while considering the detachment between the CNT/epoxy film and the mortar were assessed. Furthermore, a mesh-sensitivity study was conducted.
A simulation model of an aluminum honeycomb structure was established in a manner similar to that of the CNT/epoxy film-coated mortar. With the model, electromagnetic shielding characteristics at the ultra-high frequency range (30MHz-3GHz) were determined and compared with the results from an infinitely repeated unit cell model. To verify the model, scattering parameters of honeycomb structures depending on the geometrical parameters were investigated and the prediction values were determined. The predicted values were compared with experimentally measured data for analysis. An analysis of sandwiched honeycomb structures depending on the degree of offset was also conducted.
The results of this study show that the undamaged CNT/epoxy film composite demonstrates outstanding electromagnetic shielding performance at particular frequencies. It is also predicted that the most effective film thickness at the x-band is about 2-2.5 mm. Also, as the detachment thickness between the film and the mortar increases, the shielding performance of the entire composite appears to decrease. For the aluminum honeycomb structure, better shielding performance was observed with a smaller honeycomb unit, a thicker aluminum plate, and thicker honeycomb structures. The sandwiched honeycomb structures shields electromagnetic wave better when these structures have a dense integrity.
본 연구는 탄소나노튜브 혼입 에폭시 필름과 알루미늄 허니콤 구조를 사용한 전자파 차폐 건설재료의 성능 평가 및 이에 대한 해석을 목표로 수행되었다. 최근 최첨단 통신기기, 의료장비 및 군사장비 등의 사용이 증가하면서 기기간의 전파 간섭 등의 문제가 대두되고 있다. 이에 따라 정밀한 기기 사용을 위한 전자파 차폐 재료 개발이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서, 다양한 복합재료의 차폐성능 실험 및 차폐 매커니즘에 대하여 분석과 예측을 수행하였다.
본 연구는 탄소나노튜브를 혼입한 에폭시 필름과 알루미늄 허니콤 구조, 크게 두 부분으로 나눌 수 있다. 첫 번째로, 본 연구팀에서 기존에 수행하였던 탄소나노튜브 혼입 에폭시 복합재료의 전자파 차폐 실험값을 참고하여 X-band 영역에서 시뮬레이션 모델링을 위한 적절한 물성치를 설정하였다. 시뮬레이션 모델은 실제 도파관 실험 규격을 반영하였으며, 적절한 재료의 물성치, 경계조건, 포트 설정 등을 고려하였다. 전자파 차폐 실험의 공간 및 시간적 제약을 벗어나 넓은 주파수 범위에서, 다양한 두께의 탄소나노튜브 복합체의 전자파 차폐 성능을 알아보기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 탄소나노튜브 혼입 에폭시 필름의 두께를 다양화하여 주파수 대역에 따른 차폐성능을 예측한 후, X-band 내에서 차폐 효율성이 가장 좋은 필름 두께를 선정하였다. 그리고, 모르타르와 필름 간의 박리가 전자파 차폐 성능에 주는 영향을 알아보기 위하여 박리 두께에 따른 차폐성능을 고려하였으며, 유한요소의 특성인 mesh 크기에 따른 해석의 민감도 또한 분석하였다.
알루미늄 허니콤 구조에 대해서도 위와 같은 과정으로 모델링 하였다. 모델을 사용하여 초고주파 대역 (Ultra-high frequency, 30MHz-3GHz)에서 차폐성능을 파악하고 단위셀 모델을 사용한 결과와 비교하였다. 모델의 적절성을 평가하기 위하여 기하학적 형상에 따른 차폐성능 변화 특성을 분석하여 예측값을 계산한 후, 실제 실험으로 얻은 데이터와 비교하였다. 또한 두 장의 알루미늄 허니콤 구조를 겹쳐서, 그 겹침 정도에 따른 전자파 차폐성능의 변화를 관찰하였다.
본 연구의 결과로서 손상되지 않은 탄소나노튜브 복합재가 특정 주파수 범위에서 뛰어난 전자파 차폐성능을 보이는 것으로 관찰되었으며 X-band 상에서 가장 효과적인 탄소나노튜브 혼입 에폭시 필름의 두께가 2-2.5 mm로 예측되었다. 또한 필름과 모르타르 사이의 박리 두께가 커질수록 전체적인 차폐성능이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 알루미늄 허니콤 구조에 대해서는 단위 허니콤 구조가 작을수록, 알루미늄 판이 굵을수록, 전체 허니콤 구조 두께가 두꺼울수록 좋은 차폐성능을 보였다. 두 장이 겹쳐진 허니콤 구조는 전체 구조물의 짜임이 조밀해질수록 전자파 차폐성능이 증가하였다.
