In order to overcome the problems of increasing weight of composites and difficulty of orientation of the fillers in the matrix when plastic matrices and metal fillers were used for electromagnetic interference (EMI) shielding materials, a new simple and effective method was developed to produce EMI shielding composites in which electroconductive (ec-) fiber fillers were oriented to machine direction by using of melt-pressing mixed fiber slivers composed of meltable polypropylene (PP) fibers and non meltable ec-acrylic fibers. Ec-acrylic fiber/PP composite films with various contents of ecacrylic fiber were prepared from the mixed fiber slivers, and their mechanical and surface properties, resistivity, and electromagnetic shielding efficiency (EMSE) were analyzed. Results showed that ec-acrylic fibers were present parallel to machine direction in the composites and that an excellent EMSE of 30 dB at 1 GHz was obtained when composite films of 1.6 mm thickness with a 20 wt% ec-acrylic fiber content was used.

플라스틱과 금속을 사용하는 기존 전자파 차폐용 복합소재 제조 시의 무게 증가와 충전재의 배향성을 높이기 어려운 문제점을 해결하기 위하여, 융점이 낮으면서 기계적 성질이 우수한 폴리프로필렌(PP) 섬유와 용융되지 않는 도전성(ec) 아크릴 섬유를 혼합한 혼섬 슬라이버를 제조한 후 이를 용융압착함으로써 간단하면서도 효율적으로 도전성 섬유가 매트릭스 내에 기계방향으로 배향된 전자파 차폐용 복합체를 제조하는 새로운 방법을 개발하였다. ec-아크릴 섬유와 PP 섬유의 혼합 비율을 달리한 혼섬 슬라이버를 준비하고 이로부터 ec-아크릴 섬유/PP 복합체 필름들을 제조한 후 이들의 물성, 표면특성, 전자파 차폐성 등을 분석하였다. 분석 결과, ec-아크릴 섬유는 복합체 내에서 기계 방향으로 배향되어 있으며, ec-아크릴 섬유의 함량을 20%로 하면서 복합필름의 두께를 1.6 mm 정도로 하면 1.0 GHz 영역에서 30 dB 이상의 우수한 전자파 차폐효율을 나타내었다.

Keywords: polypropylene fiber, electro-conductive acrylic fiber, mixed sliver, melt pressing, composite, electromagnetic shielding efficiency

현대사회에서는 전자·정보통신 분야의 기술발전으로 스마트폰과 같은 소형 전자기기의 보급이 대중화되었다. 소형화된 전자기기는 작동에 필요한 전류도 극소화되어 다른 전자기기로부터의 작은 전자파 간섭에 의해서도 쉽게 오작동이 발생하기 때문에, 이에 대한 예방이 중요한 성능의 하나가 되고 있다. 군에서도 화생방이나 핵무기 등을 사용하는 전쟁 양상에서 EMP(electromagnetic pulse effect)를 이용한 전자전으로 전쟁의 양상이 변모해 가고 있다. 또한 스마트폰 등의 사용이 빈번해 지면서 전자기기가 인체에 가까운 위치에서 사용됨에 따라 전자파 발생에 따른 인체유해성의 우려도 급증하고 있는 실정이다.^1-3
이러한 전자파 장해(electromagnetic interference, 이하 EMI)를 방지하는 방법으로는 제품의 설계 단계에서 전자파 발생 자체를 줄이거나 방지하는 방법과 전자파가 전자기기 밖으로 노출되지 않도록 차폐하는 방법이 있다. 이중에서 전자의 방법은 기술적인 한계가 있어서 주로 후자의 방법이 사용되는데,3 그 방법의 하나로 매트릭스 물질로 열가소성 수지를 사용하고 충전재로 도전성 섬유를 사용하는 섬유강화복합재료(FRP, fiber-reinforced plastics composite)가 많이 활용되고 있다.^4-9 FRP는 섬유(필러)를 고분자 수지(매트릭스)에 혼합하고 압출기(extruder) 등을 사용하여 제조하는데, 필러로 사용한 섬유를 매트릭스 내에서 균일하게 분산시키거나 어느 한 방향으로 배향시키기가 어렵다. 전자파 차폐용 FRP를 제조할때 필러로 사용하는 도전성 섬유의 균일한 분산을 위하여 도전성 섬유로 편물 또는 직물을 먼저 제조하고 이들을 고분자수지와 혼합하는 방법 등이 사용되기도 하는데,^10,11 이러한 방법은 복잡할 뿐만 아니라 여러 단계를 거쳐야하기 때문에 실제 상용화로 이루어지지는 않고 있다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 매트릭스로 사용되는 고분자를 섬유 형상으로 출발하고 나중에 용융압착에 의해 매트릭스로 전환되게 하는 방법을 고안하였다. 이때 필러로 사용되는 도전성 섬유로 매트릭스용 섬유가 용융되는 온도에서 분해되거나 용융되지 않는 것을 사용하면 도전성 섬유가 매트릭스 안에 그대로 존재하게 된다는 사실을 이용하는 것이다.
한편, 면섬유와 같이 연속되지 않은 섬유들을 실로 만드는 공정 중에서 불순물 및 짧은 섬유를 제거하고 섬유를 균일하게 혼합하면서 빗질하여 한 방향으로 배열시킨 타래 형태의 슬라이버(sliver)를 제조하는 정소면(combing) 공정이 있다. 이 공정에 의해 제조된 슬라이버를 길이방향으로 연신시키고 꼬임을 주어 방적사를 제조하게 된다. 이러한 공정에서는 정소면기를 사용하여 다른 종류의 섬유들을 간단하면서도 매우 균일하게 혼합시킬 수 있다.¹² 예를 들어, 면섬유와 PET 섬유를 혼합한 슬라이버를 만든 후 연신하여 면/PET 혼방섬유를 제조한다.
본 연구에서는 이러한 슬라이버 제조방법을 이용하여, 비교적 낮은 온도에서 용융이 가능한 매트릭스용 섬유와 용융되지 않고 분해온도가 비교적 높은 충전재용 도전성 섬유가 혼합된 슬라이버를 제조하였다. 이 혼합 슬라이버를 적절한 온도에서 용융압착시키면 매트릭스용 섬유가 용융되어 매트릭스를 형성하고 도전성 섬유는 용융되지 않은 채 충전재 형태로 존재하는 복합재료가 만들어진다. 이러한 방법에 의해 두 종류의 섬유를 원하는 비율로 혼합한 슬라이버를 제조하여 사용하면, 슬라이버 내에서 충전재로 사용하고자 하는 도전성 섬유가 길이방향으로 배향되어 있기 때문에 나중에 제조된 복합재료 안에서도 이들의 배향성이 그대로 유지된다는 장점이 있다. 이렇게 매트릭스용 용융가능 섬유와 충전재용 비용융 도전성 섬유로 구성된 혼합 슬라이버를 사용하여 복합재료를 제조하는 방법은 아직 문헌에 보고되지 않은 새로운 방법이다.
이를 위해 본 연구에서는 매트릭스 물질로 폴리프로필렌(이하 PP)을 사용하였는데, PP는 섬유로 쉽게 제조가 가능하면서, 기계적 성질이 우수하고, 융점이 낮아 성형성이 우수하며, 밀도가 0.91 g/cm³ 정도로 낮아 경량화가 가능하다는 장점이 있다.¹³ 한편, 도전성을 부여하기 위한 충전재용 섬유로는 도전성 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 아크릴 섬유를 사용하였다. PAN 섬유는 황산구리 무전해 도금법에 의해 쉽게 도전성 섬유로 전환되는데,^14-16 국내에서 단섬유(staple fiber) 형태로 양산되어 판매되고 있다.¹⁷ 이들 PP 섬유와 도전성 아크릴 섬유를 정소면 공정을 통해 일정 비율로 혼합한 혼섬 슬라이버를 제조한 뒤, 적정 온도에서 PP 섬유를 용융시켜 고분자 복합재료를 제조하였다. 이렇게 제조된 복합체들을 시료로 하여 전자파 차폐성과 같은 전기적 특성을 포함한 여러가지 성능을 측정하고 분석하였다.