2.1 전자파 차폐 콘크리트

전자파 차폐는 일반적으로 Fig. 1과 같이 반사손실, 투과손실, 다중반사 손실의 세 가지 원리에 의해 이루어진다.

첫 번째로 재료의 표면 공기층에서 전파가 통과하는 차폐재의 임피던스 차이에 의하여 발생하는 반사손실이며, 두 번째는 주로 탄소계 또는 자성계 재료를 대상으로 전자파가 차폐재를 통과하면서 저항성 손실에 의해 열로 변환되어 손실되는 흡수손실이 있다. 세 번째는 차폐재 내부로의 재반사와 EMP 산란 등에 의해 투과하지 못하고 전도성 재료를 타고 다른 방향으로 발생하는 다중반사 손실이 있다. 이 세 가지 손실 중 가장 효과적인 것은 세 번째 다중반사 손실이며 이는 재료 내 전도성 물질의 함량이 증가할수록 EMP 차폐 효과는 증가한다^{(Jin et al. 2014; Kim and Yi 2015; Choi et al. 2019)}. 또한 EMP 차폐에서 사용하는 ‘dB’의 단위를 사용하며 차폐성능을 나타내는 지표로 사용된다.

^{Song (2016)}에 따르면 전기전도성 콘크리트를 통한 전자파 차폐 콘크리트는 시멘트계 복합체에 탄소소재와 같은 전도성 소재를 혼입하고 전기전도성 콘크리트 내에 매립된 전극을 통해 전류를 인가함으로써 궁극적으로 부도체였던 콘크리트가 선택적으로 전기전도성을 갖게 된다. 즉, 콘크리트 내 전기가 흐름에 따라 발생하는 열을 이용하는 방법으로써 전기전도성 콘크리트에 전압을 공급하면 전도성 경로 형성을 통한 전자의 흐름으로 주울 열 원리에 의해 저항 발열이 가능하며, 생성된 열은 전기에너지를 열에너지로 변화하여 스스로 열을 발생할 수 있으며 이를 통해서 전자파 차폐 성능을 유추할 수 있다. ^{Hembach (2016)}에 따르면 상기 언급한 기술 등을 활용하여 콘크리트에 전기전도성을 부여하게 되면 발열 및 차폐 성능을 확보할 수 있고 발열을 통해서는 일반 도로포장뿐만 아니라 블랙아이스 생성 가능성이 높은 터널의 진출입로, 교량 등과 같은 토목 구조물의 제설 및 제빙용이나 건축물 외부 보도블럭이나 나아가 건축물 바닥의 난방용으로 활용할 수 있으며 이를 통해서 콘크리트 내 전기전도성 네트워크 형성을 확인하여 전자파 차폐 콘크리트로 활용할 수 있다.

2.2 콘크리트의 전자파 차폐 성능 시험 방법

콘크리트의 전자파 차폐 성능을 시험하는 절차는 첫째 기준값 측정이 필요하며 이는 우선적으로 측정 제어부 및 측정 장비, 안테나 등을 설정한다. 신호 발생기 및 수신기, 측정 제어부, 송신 및 수신 안테나를 연결하여 측정이 진행되도록 한다. 신호 발생기와 수신기에 전원을 인가하고 30분 이상 충분한 시간 동안 측정 장비를 예열시킨다. 시험실 주변의 온도 및 습도 등 시험환경을 측정하여 기록하고 시험 시료가 설치되지 않은 개구부 개방 상태에서 기준값을 측정한다. 이때 신호 발생기 출력은 무변조 연속파로 설정하고 신호 발생기의 허용 최대 출력을 초과하지 않도록 한다. 안테나는 측정 주파수 대역별로 해당되는 안테나를 적용하여 측정하며 수평 편파 조건과 수직 편파 조건 모두에 대하여 측정한다. 측정 시료를 전자파 차폐실의 개구부에 밀착하여 고정시키고 접합이 취약한 부위는 가스켓 또는 도전성 테이프 등으로 전자파 차폐 누설이 발생하지 않도록 보강한다. 감쇠값 측정은 측정 시료의 설치가 완료되면 앞서 진행된 기준값 측정 조건과 동일한 위치에 송신 안테나와 수신 안테나를 설치하고 신호 발생기 및 수신기, 측정 제어부 등을 이전의 기준값 측정과 동일하게 설치한 후 전원을 인가하여 충분히 측정 장치를 예열시킨다. 측정 시료가 설치된 상태에서 감쇠값을 측정하고 신호 발생기 설정은 기준값 측정과 동일한 조건으로 무변조 연속파로 설정하고 신호 발생기의 허용 최대 출력을 초과하지 않도록 주의한다. 안테나 또한 기준값 측정과 동일한 조건으로 측정 주파수 대역별로 해당되는 안테나를 적용하여 측정을 진행하고 인테나 수평 편파 조건과 수직 편파 조건 모두 측정하여 기록한다.

전자파 차폐율은 식 (1)~(3)과 같이 차폐 시험체가 설치된 상태에 대한 전력량, 전기장, 자기장의 값으로 산출하여 단위 dB로 결과 값은 소수점 이하 2자리까지 표기한다.

여기에서,

$SE_{P}$ : 전력밀도에 의한 차폐율 [dB]

$SE_{E}$ : 전기장에 의한 차폐율 [dB]

$SE_{H}$ : 자기장에 의한 차폐율 [dB]

$P_{c},\: E_{c},\: H_{c}$ : 차폐 시료가 없는 상태에서 측정값

전력밀도$P_{c}$ [W/m²], 전기장$E_{c}$ [v/m], 자기장$H_{c}$ [A/m]

$P_{m},\: E_{m},\: H_{m}$ : 차폐 시료가 설치된 상태에서 측정값

전력밀도$P_{m}$ [W/m²], 전기장$E_{m}$ [v/m], 자기장$H_{m}$ [A/m]

앞서 기준값과 감쇠값 측정 결과가 dB 단위 측정값이라면 식 (4)와 같이 측정 시료의 전자파 차폐율을 산출할 수 있다.

여기에서,

$SE$ : 차폐율 [dB]

$P_{REF}$ : 기준 전력값 [dBm]

$P_{SHEILD}$ : 기준 전력값 [dBm]

기준값 및 감쇠값에 대한 측정 결과가 전력값이 아닌 전기장, 자기장, 전압값, 전류값 등 dB 단위의 값으로 측정된 경우에도 식 (4)와 같이 기준 측정값에 대한 감쇠 측정값의 차이로 전자파 차폐율 산출이 가능하다.

3.1 액상 CNT 분산

국내 리튬이차전지 리싸이클링 업체 S사로부터 수급한 Fig. 2와 같이 폐 CNT를 액상 분산시키고자 사용수 기준 CNT 함량을 1.0, 1.5, 1.8, 2.0, 2.5, 3.0 w%로 각각 분산제(Polyvinyloyrrolidone (PVP)K-17, 비이온성 폴리머 90 % 이상)를 10, 20, 30 % 혼입하였다. CNT 및 분산제 함량별로 혼합수 1,000 ml를 기준으로 호모게나이저(AC220 V, 300 W, RPM 0~120,00 MAX)로 15,000 rpm으로 약 15분간, 초음파 분산기(AC220 V/60 Hz/10 A, 1,500 W, 20 kHz, Hom ø30~ø40, 용량 2~3ℓ)로 진동수 15 kHz으로 약 30분간 가동한 후 수중에 떨어뜨려 육안으로 분산 정도를 확인하였으며 분산 과정은 Fig. 3에 나타내었다.

초음파 분산 시 입자 간의 충돌로 인하여 내부 온도가 상승할 뿐만 아니라 끓어 넘칠 우려가 확인되어 이를 해결하고자 Fig. 3의 (d)와 같이 냉각수 내에서 실험을 진행하였다. Fig. 4과 같이 분산 시킨 액상 CNT를 수중에 떨어뜨려 육안으로 분산 정도를 확인할 수 있었으며 Fig. 5에 나타낸 것처럼 SEM 분석을 통해서도 분산 정도를 확인하였고, 이를 통해서 CNT 함량 2.0 w%까지는 상기와 같은 방법으로 충분히 분산되었다고 판단하였다.

3.2 고상 탄소캡슐 제조

고상 탄소캡슐을 제조하기 위해서 앞서 제조한 2.0 w% CNT와 60 °C에서 1시간 건조시킨 폐 음극재를 믹서기로 충분히 교반한 후 압밀기를 통해서 압밀화 하여 직경 약 2~5 mm 사이즈로 알갱이화 시킨 후 건조기에서 72시간 충분히 건조시켜 고상 탄소캡슐을 제조하였으며 제조 과정은 Fig. 6에 나타내었다.

4.1 발열 성능 평가 실험 계획 및 방법

전기전도성 네트워크 형성 유무를 통한 전자파 차폐 성능 도출을 확인하고자 고상탄소캡슐 혼입률에 따른 모르타르 실험체를 제작하여 전기 인압에 따른 발열 성능 평가 실험을 하였으며 제조 과정은 Fig. 7과 같다.

시멘트는 국내 S사 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 실험체 제조 방법은 KS L ISO 679^{(KATS 2022)}에 준하여 실시하였으며 배합은 Table 1과 같다. 발열 평가 실험체 사이즈는 15 cm×10 cm×6 cm이며 스테인레스 소재의 스틸메쉬를 4 cm 간격으로 삽입하여 추후 전기를 인가할 수 있도록 하였다.

고상탄소캡슐은 시멘트의 수경성 및 혼화재료의 포졸란 특성을 지닌 소재가 아님에 따라 잔골재 중량대비 특정 비율로 치환하여 실험체를 제조하였으며 고상탄소캡슐은 제조 시 2.0 w% 액상 CNT를 사용하였으며 고상탄소캡슐 혼입률은 11~23 범위에서 2 % 단위로 총 7가지의 실험체를 제작하였으며 전기 인압은 인체에 영향을 미치지 않는 범위인 DC12V와 DC24V로 하고 실험체 표면 중심부 온도를 측정하는 것으로 발열 성능을 평가하였다. 표면 온도 60 °C 이상 도달 시 충분한 전기적 네트워크가 형성되었다고 판단하고 전기 인압을 정지하였으며 Fig. 8의 열화상카메라를 통한 온도 상승효과도 확인하였다.

4.2 발열 성능 평가 실험 결과 및 분석

고상탄소캡슐을 혼입한 모르타르의 발열 성능 평가 결과를 Fig. 9에 나타내었다.

전기 인압 DC 12V의 경우 고상탄소캡슐 혼입률이 증가할수록 발열 성능은 다소 높아지는 것으로 나타났으며 고상탄소캡슐 혼입률이 23 %일 때 소요시간 60분에서 최대 13.7 °C 상승으로 발열 효과가 크게 나타나지는 않는 것을 알 수 있었다.

전기 인압 DC 24V에서는 대부분의 모르타르 실험체에서 상당한 발열 성능을 확인할 수 있었다. 고상탄소캡슐을 15 % 이상 혼입한 실험체에서 중앙부 표면온도가 60 °C 이상 상승하는 것으로 나타났으며 고상탄소캡슐을 17 % 이상 혼입한 경우는 소요시간 60분 내 60 °C 이상 상승하며, 고상탄소캡슐 19 % 이상 혼입한 실험체는 소요시간 30분 내 30 °C 이상 발열 성능을 나타내었다. 고상탄소캡슐을 23 %로 가장 많이 혼입한 실험체는 소요시간 20분 내 60 °C 이상 도달했을 뿐만아니라 30 °C 상승하는 데 약 16분 소요되는 것으로 나타났다. 다만, 고상탄소캡슐 11 % 혼입한 실험체의 경우 소요시간이 100분 경과하더라도 발열 효과가 나타나지 않았으며 고상탄소캡슐이 잔골재 중량 대비 약 13 %부터 확연한 발열 효과가 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한, 중심부 표면온도 60 °C 초과 시 전기 인압을 중단하여 소요시간이 지남에 따라 초기 온도로 수렴하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 Fig. 10과 같이 분산 유무에 따른 모르타르 실험체 SEM 분석을 통해서도 고상탄소캡슐 혼입에 따른 모르타르 내 전기적 네트워크 형성을 확인함으로써 고상탄소캡슐을 혼입한 콘크리트의 전자파 차폐 성능을 평가 할 수 있을 것으로 판단된다.

5.1 차폐 성능 평가 실험 계획 및 방법

고상탄소캡슐을 혼입한 콘크리트의 전자파 차폐 성능을 평가하고자 30 cm×30 cm×10 cm와 30 cm×30 cm×20 cm의 배합강도 30 MPa의 콘크리트 실험체를 제작하였으며 고상탄소캡슐 혼입량은 잔골재 대비 0, 10, 20, 30 %로 설정하였다. 배합은 Table 2와 같으며 실험체 제조 과정은 Fig. 11에 나타내었다.

전자파 차폐 성능 평가 실험은 2장에서 제시한 콘크리트의 전자파 차폐 성능 시험 방법에 따라 KOLAS 공인시험기관에서 진행하였다.

5.2 차폐 성능 평가 실험 결과 및 분석

주파수에 따른 고상탄소캡슐 혼입 콘크리트의 전자파 차폐 시험 결과를 Table 3과 Fig. 12에 나타내었다.

고상탄소캡슐을 혼입하지 않는 콘크리트 실험체의 경우 주파수에 따라 약 6~10 dB 초반대로 전자파 차폐 성능이 거의 없는 것으로 나타났다. 고상탄소캡슐 혼입률이 증가할수록 주파수별 전자파 차폐 성능이 우수한 것을 알 수 있었으며 20 cm 두께의 콘크리트 실험체의 경우 10 cm 두께의 콘크리트 실험체보다 상당히 우수한 차폐 성능을 나타내었다.

한국전력 등 전력 송전 관련 분야에서 주로 발생되는 저주파 영역에서 고상탄소캡슐 20 % 혼입한 실험체의 경우 30 dB 이상, 고상탄소캡슐 30 % 혼입한 실험체의 경우 45 dB 이상 전자파 차폐 성능을 나타내었다.

또한 군사시설물을 비롯한 전자파 차폐 성능을 요하는 분야인 주파수 1 GHz 영역에서 10 cm 두께의 경우 고상탄소캡슐을 30 % 혼입 시 약 30 dB 이상, 20 cm 두께의 경우 고상탄소캡슐을 20 % 혼입 시 44 dB, 30 % 혼입 시 최대 60 dB 까지 전자파 차폐 성능이 도출되는 것을 확인할 수 있었다.

폐 CNT를 액상 분산화하고, 고상탄소캡슐 전처리를 실시하여 모르타르 내 전기적 네트워크 형성을 확인 후 전자파 차폐 콘크리트의 차폐 성능 시험을 통해 확인하였고, 1 GHz에서 40 dB가 넘는 최대 60 dB까지 전자파 차폐 성능을 도출할 수 있었다.