In this study, the effect of fabrication method on the basic properties and electromagnetic interference (EMI) shielding performance of the nylon66/carbon filler composites was discussed. The carbon fillers such as carbon black (CB), multi-walled carbon nanotube (MWCNT), and nickel coated carbon fiber (Ni-CF) were used. The master-batch (MB) of CB/MWCNT and feeding method of Ni-CF were used as fabrication methods. The concentration of CB and MWCNT in MB was fixed at 20 wt% and MBs were fabricated by using a twin screw extruder at die temperature of 280 ℃. The composites were prepared with two different feeding methods that Ni-CFs were fed separately at main and side feeder. The improvements of melt flow and electrical properties were confirmed from complex viscosity and surface resistance in the case of nylon 66/CB/CNT/Ni-CF composites fabricated through MB, and EMI shielding performance increased largely when Ni-CF was fed into the composites at side feeder.

본 연구에서는 나일론66/탄소필러 복합체의 기초 물성 및 전자파 차폐 성능에 대한 제조방법의 영향을 고찰하였다. 탄소필러 종류로는 카본블랙(CB), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 니켈코팅 탄소섬유(Ni-CF)가 사용되었다. 제조방법으로는 CB/MWCNT에 대한 마스터배치(master-batch, MB)와 Ni-CF 투입방법을 고려하였다. MB의 CB와 MWCNT 함량은 20 wt%로 고정하여 다이 온도 기준으로 280 ℃의 이축압출기(twin screw extruder)에서 제조하였다. 또한 Ni-CF 투입방법은 주 투입구(main feeder)와 부 투입구(side feeder)로 달리하여 복합체를 제조하였다. MB를 적용한 나일론 66/CB/CNT/Ni-CF 복합체의 경우, 용융 흐름성과 전기적 특성이 개선됨을 복소점도 및 표면저항으로부터 확인하였고, Ni-CF가 부 투입구에 투입되는 경우 전자파 차폐 성능이 큰 폭으로 증가하는 것을 확인하였다.

Keywords: nylon66, carbon filler, electrical property, feeding method, master-batch

최근의 자동차에 기존의 내연기관 자동차에 장착되지 않았던 전기 전자 부품들이 상대적으로 많이 장착됨에 따라 자동차 전자부품들의 안전성을 확보하고 각 전자부품간의 상호간섭 효과를 파악하기 위한 전자파 적합성 기준이 강화되고 있다. 또한 사용 전자기기의 기능 확대에 따라 전자파 사용대역이 점점 고주파 대역으로 이동하는 등 일상생활에서 전자기파 공해가 꾸준히 증가하는 추세이다. 또한 전자기기에서 방출되는 전자파에 따른 차량 전장 부품의 성능저하, 안전사고 등에 대한 우려가 크게 증가하면서, 심각한 사회 문제로 대두되고 있다. 따라서 자동차 내 전장부품에서 발생하는 전자파의 차폐 필요성이 점차 증대되고, 전자파 방해에 대한 국제적인 규제는 점차 강화되고 있으며 여기에 대응하기 위하여 많은 노력이 이루어지고 있다. 이러한 노력은 자동차에 적용 증가가 예상되는 전장부품에서 발생되는 전자파로 주변전자기기의 오작동을 초래할 수 있고, 센서 및 컨트롤러 등 각종 전장부품에서의 오작동은 급발진 등 자동차 안전문제와 더불어 방출된 전자파가 인체에 발열을 유발하는 등의 직접적인 피해 또한 가능하기 때문이다.¹ 전자파 간섭과 방사에 의해 자동차 급발진 및 오작동 등의 문제를 유발하는 것을 전자파장애(electromagnetic interference, EMI)라 하며, EMI의 영향은 정밀도가 크고 밀집도가 높은 부품을 많이 사용하는 장비일수록 민감하기 때문에 소형화, 고집적화, 고속화 및 다기능화를 지향하는 현대 전기·전자 및 통신산업 등에 있어서 장애요소로 대두되고 있다.² 따라서 전자파장애에 대한 대책방안으로 엄격한 규제가 마련되어 있으며, 전자파 차폐 기능을 가진 자동차부품 소재에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다.^3-8 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 카본블랙(carbon black, CB), 탄소섬유(carbon fiber), 그래핀(graphene)등과 같은 탄소재료는 전도성 성질이 우수하기 때문에 전자파 차폐에 매우 효과적이며,^9,10 전자파 차폐를 목적으로 하는 자동차용 고분자 복합소재에 전도성 필러로 많이 사용되는 재료이다. 본 연구실에서는 이들 소재를 이용하여 자동차 부품에서 요구하는 전자파 차폐 성능 40 dB 이상을 만족하는 탄소 필러 함량에 대한 연구를 진행한 결과 CNT 단독보단 CB를 혼합사용 시 CNT의 연결되지 않은 전도성 가지(dead network branches) 사이에 bridge 역할을 하여 전기적 특성에 상승효과(synergistic effect)를 나타내는 것으로 보고되었고,¹¹ 탄소 필러의 고함량에 의한 용융 흐름성 문제로 가공 조제에 대한 연구가 추가적으로 진행되었으며,¹² 이 과정에서 전기적 특성 등이 복합체 제조방법에 따라 달라지는데 이는 탄소 필러의 분산성, 섬유의 종횡비 및 배향 등에 기인하는 것으로 확인되었다. 고분자 복합체의 용융 흐름성과 물성 등은 탄소필러(CB, CNT 등)의 분산성과 연관이 있고, 필러 분산성 향상을 위해서는 필러를 고농축시킨 마스터배치(master-batch, MB)의 적용여부가 중요하다. 또한 섬유의 종횡비 및 배향은 전자파 차폐 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 파악되고, 섬유의 종횡비 및 배향은 복합체 및 시편의 제조방법에 따라 크게 차이나는 것으로 이전의 연구에서^11-14 고찰되었다. 자동차 전장부품의 경우 일정 수준 이상의 내열도를 요구하기 때문에 베이스수지로 지방족 폴리아미드계 소재가 주로 사용되고 있으며, 이들 중 나일론66이 주로 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 나일론66 수지에 CB, MWCNT, Ni-CF 등 전도성 필러를 혼합하여 나일론66/CB/CNT/Ni-CF 복합체를 제조하고 물성을 평가함에 있어서, ① CB와 MWCNT의 MB적용, ② Ni-CF 투입 시 주 투입구와 부 투입구에 의한 투입방법 및 평가 등을 통하여 복합체의 제조방법이 물성에 미치는 영향을 체계적으로 고찰하고자 하였다.