This dissertation presents evaluation of multi-walled carbon nanotube (MWNT) distribution in cement matrix and impacts of the MWNT distribution on electrical and mechanical properties of MWNT-embedded cement composites. In addition, benefits of the composites were examined by applying the composites to electromagnetic (EM) wave shielding/absorbing materials.
For fabrication of the MWNT-embedded cement composites, an approach to incorporate silica fume in MWNT/cement mixtures was attempted in an effort to improve dispersion state of MWNT in cement. In addition, the MWNT-embedded cement composites were fabricated under high and low flow conditions in an effort to figure out impacts of the flow condition on degree of MWNT distribution. The degree of MWNT distribution of the composites fabricated with the two approaches (silica fume addition, flow control) was compared with the degree of MWNT distribution of composites fabricated with the ultra-sonication method. To evaluate the degree of MWNT distribution in the composites, MWNT was mixed with white cement instead of ordinary Portland cement. The fractured surface of MWNT/white cement specimens was observed with an optical microscope, and then image processing & analysis procedures of obtained images were carried out.
The DC and AC conductivity of the MWNT-embedded cement composites were also evaluated in order to figure out the MWNT distribution state and electrical characteristics. Image analysis and electrical conductivity results of the composites indicated that planar occupation ratio of MWNT and the conductivity increased as the flow decreased. Moreover, the composites fabricated under the low flow condition showed reproducibility in terms of the electrical properties whereas the composites fabricated under the high flow condition did not so. In the composite group fabricated with the low flow condition, specimens with SF 10 % exhibited the best electrical conductivity.
The EM wave shielding effectiveness (SE) and EM wave absorbing capability of the composites were evaluated in an effort to investigate benefits of the composites by applying them to the EM wave shielding/absorbing materials. The best EM wave SE was gained by the composite group fabricated under the low flow condition followed by the composite group fabricated with the ultra-sonication method, and the composite group fabricated under the high flow condition. A specimen type SF10-M1.5’ showed the best EM wave SE with -6 dB (75 %) at 1 GHz. The EM wave absorber was designed with the composite group fabricated under the low flow condition since it exhibited stable and high electrical properties. -20 dB absorbing bandwidth of specimen types, SF0-M0.6’ and SF10-M0.3’, were 0.85 GHz and 0.61 GHz, respectively. This EM wave absorbing capability was found to be greater than other EM wave absorbers which included similar MWNT content in literature.
전자 장비의 사용이 날로 빈번해지는 현대사회에서 전자파 간섭(EMI: Electromagnetic wave Interference) 및 교란으로 인한 기기 오작동, 오류 신호 감지, 정보 도청 등의 사회 문제가 대두되고 있다. 이에 따라, 높은 전기 전도도를 가지는 금속 또는 복합체로 전자파를 반사시켜 전자파 간섭, 정보 도청 등으로부터 전자기기 또는 디지털화된 정보를 보호하려는 노력이 이루어지고 있으며, 전자파의 반사율을 최소화할 수 있도록 설계된 전자파 흡수체를 이용하여 전자파 교란으로 인한 오류 신호의 발생을 최소화하려는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
본 연구에서는 탄소나노튜브를 혼입한 시멘트 복합체를 제조하여 탄소나노튜브의 분포상태와 전기적 특성을 평가하고 전자파 차폐 또는 흡수 재료로서의 성능을 평가하였다.
탄소나노튜브가 혼입된 시멘트 복합체 내 탄소나노튜브를 분산시키기 위해 실리카퓸을 혼입하여 분산성을 높이는 접근방식과 굳지 않은 혼합물의 플로우를 낮추어 분산성을 높이는 접근방식이 처음으로 시도 되었으며, 종래에 빈번히 사용되었던 소니케이션 방식과 비교되었다. 시멘트 복합체 내 탄소나노튜브의 분포상태를 평가하기 위해 백시멘트에 탄소나노튜브를 혼입한 후 복합체의 파단면을 광학현미경으로 관찰하고 이미지 분석을 수행하였다.
제조된 탄소나노튜브 혼입 시멘트 복합체 내의 탄소나노튜브 분포상태와 전기적 특성을 평가하기 위해 DC 및 AC 전기 전도도를 측정하였으며, 전자파 차폐 또는 흡수재료로 사용하기 위해 복소 유전율을 측정하였다. 굳지 않은 복합체 혼합물의 플로우가 낮을수록 탄소나노튜브의 분산도와 전기전도도가 높아지는 것을 알 수 있었다. 그리고 높은 플로우 조건에서 제조된 복합체 그룹에서는 실리카퓸 혼입에 따른 전기전도도의 증가가 재현성있게 나타나지 않았으나 낮은 플로우 조건에서 제조된 복합체 그룹에서 실리카퓸 혼입량이 10 % 인 경우, 전기전도도의 향상이 재현성있게 나타났다. 또, 낮은 플로우 조건에서 제조된 복합체 그룹에서는 탄소나노튜브의 혼입율이 증가할수록 탄소나노튜브 점유율(이미지 분석)과 전기전도도가 증가하였는데, 이는 탄소나노튜브의 고른 분포상태에 기인한다.
전자파 차폐재로서의 적용가능성을 알아보기 위해, 제조된 탄소나노튜브 혼입 시멘트 복합체의 전자파 차폐 성능을 평가하였다. 전자파 차폐성능은 낮은 플로우 조건에서 제조된 복합체, 소니케이션 방식으로 제조된 복합체, 그리고 높은 플로우 조건에서 제조된 복합체 순으로 높았다. 가장 높은 전자파 차폐성능을 보인 시편은 SF10-M1.5’로서 1 GHz의 전자파를 -6 dB (75 %) 차폐할 수 있었다. 전자파 흡수체는 낮은 플로우 조건에서 제조된 탄소나노튜브 혼입 시멘트 복합체를 이용하여 설계되었는데 이는 이 복합체 그룹이 높은 전기적 특성을 재현성 있게 보여주었기 때문이다. SF0-M0.6’ 시편을 이용하여 -20 dB (99 %) 이상의 흡수율을 보이는 주파수의 범위가 0.85 GHz 임을 실험적으로 확인하였으며, SF10-M0.3’ 시편을 이용하여 -20 dB 이상의 흡수율을 보이는 주파수의 범위가 0.61 GHz 임을 확인할 수 있었다. 이는 기존문헌에서 찾을 수 있는 비슷한 MWNT 혼입율을 가진 전자파 흡수체와 비교할 때 월등한 성능임을 알 수 있었다.
