탄소소재 적용 전자파 차폐 산업현황과 기술전망

탄소소재 적용 전자파 차폐 산업현황과 기술전망

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목차

1. 전자파 차폐 개요

2. 탄소소재 전자파 차폐 산업 시장동향

3. 탄소소재 기반 차폐소재 제조공정

4. 탄소소재 전자파 차폐 기술동향

5. 결론 및 제언

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1. 전자파 차폐 개요

최근 5G 통신이 상용화됨에 따라 이를 활용한 사물 인터넷 및 스마트 홈/팩토리 등의 기술들이 확대되면서, 초고속 데이터 처 리가 가능한 차세대 통신 소자, 반도체 부품 및 무선기기들의 개발이 가속화되고 있음

 

특히 5G 관련 분야의 성장이 본격화될 2025년 이후 전자통신 관련 시장은 200조 이상이 넘을 것으로 예상됨 전자기술의 발전에 따라 소자의 성능이 고도화, 집적화되면서 개별 소자에서 발생하는 전자기파로 인해 각 부품 신호 간의 간 섭 및 성능 저하, 오작동 등에 대한 문제점이 대두됨

 

본 자료에서는 차세대 통신 소자, 부품 등의 성능 개선과 경량화를 위한 탄소 기반 전자파 차폐 소재에 대한 산업동향과 기술 을 정리하고자 함

전자파 차폐소재 원리

차폐소재는 외부에서 유입되는 전기장(E), 전자기파(electromagnetic wave, EM) 및 내부에서 발생되는 자기장(B)을 차폐 하여 저항으로 인한 전자회로 작동장애를 방지하는 역할을 함

 

차폐소재는 Schelkunoff의 차폐이론 반사(reflection), 흡수(adsorption), 다중반사(multiple reflection)의 합으로 차폐 성능을 나타냄. 차폐효율(shielding efficiency, SE)은 차폐소재 사용에 따른 차폐 성능 증가분을 의미함[2]

차폐 성능은 입사되는 에너지(Ei)와 투과되는 에너지(Et)와의 데시벨(dB) 값으로 나타냄. 차폐 성능의 지표를 나타내는 단위 인 데시벨은 측정값(전압, 전력)을 log 스케일로 표현한 값임

 

전자기파 반사, 흡수, 내부 다중 반사율은 차폐소재의 두께, 전기전도도, 유전율, 투자율, 비표면적 등에 영향을 받음

 

기존에는 20 GHz 이하의 전자파에 대한 연구 및 응용이 주로 이루어지고 있으나, 최근에는 5G의 등장과 함께 > 30 GHz 이 상의 전자파에 대한 차폐 및 흡수 성능이 우수한 첨단 전자파 차폐 및 흡수 소재 기술을 확보하는 것이 전자통신, 국방 분야에 서 요구되고 있음

 

공기 중에 방사된 전자기파는 다른 매질을 만나면 그 매질의 전기적 특성 (투자율, 유전율, 전기전도도 등)에 따라 입사면에서 일부는 반사되고, 일부는 매질에 흡수되어 열에너지로 방출되거나 매질의 형상을 따라 진행하며, 나머지는 매질을 투과

 

유전율(permittivity, ε)은 부도체 소재 특성을 나타내는 값으로, 외부에서 유입되는 전기장과 전자기파가 침투되지 못하도 록 반사시키는 역할을 함

 

투자율(permeability)은 도체특성을 나타내는 값으로, 전자기기 내부에서 발생되는 영구자석이나 코일에 의해 발생된 자기 장을 차폐소재 내부로 끌어들여 내부 영역으로의 자기장 침투를 막음

 

 

전자파 차폐소재 요구특성

차폐재는 주로 전기적 성질이 좋은 금속류가 각광을 받아왔으나, 금속은 높은 비중으로 가공성이 나쁘고 부식을 일으키는 문 제점이 있음. 이를 대체할 수 있는 소재로 전도성 고분자가 제안되었으나 열적 안정성이 낮은 단점이 있음

전자파 감쇠용 전파흡수체로서 요구되는 가장 중요한 특성은 통신주파수(셀룰러폰 : 800 MHz, PCS : 1.8 GHz, I MT2000 : 2.2 GHz)에서 전자파 흡수율이 커야하며, 기존의 페라이트 자성체나 탄소 분말은 두께가 6∼10 mm에 달하기 때문 에 박형화에 필요한 새로운 소재 및 방법 검토가 요구됨

 

전자파 차폐성능을 높이면서 경량화, 높은 방열효율, 소형화를 달성하기 위하여, 고분자 소재와 탄소소재의 하이브리드화 신 기술 개발이 요구됨

 

전자기파 차폐와 고방열 특성을 동시에 구현하기 위해서는 소재 간의 계면 간섭 현상 및 고분자와 나노 소재 간의 복합화, 성 능 극대화를 위한 복합 필름의 구조 설계 등 기술적 해결 방안이 요구됨

 

전자파 차폐용 탄소소재

금속을 대체할 수 있는 차폐소재로 높은 전도성을 갖는 탄소소재가 거론되며, 탄소소재에는 탄소섬유(carbon fiber, CF)와 1차원 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 2차원 그래핀(graphene), 3차원 흑연(graphite), MXene/탄소 복합재 등 이 있음

 

특히, 폼(foam), 스펀지, 에어로젤과 같은 3D 탄소 재료 복합재가 전자파 차폐 효율을 증대시키는 데 유리함 탄소섬유의 전기적 특성은 전자와 격자진동(포논)에 의해서 나타나며, 격자진동을 통하여 자유전자들이 여기 되어 많이 발생 되면서 높은 전기전도도를 가져옴.

 

탄소섬유의 격자진동은 결정구조의 발달에 영향을 받으며, 탄소섬유의 결정구조는 원료의 물성(이흑연화성, 난흑연화성) 및 소성온도에 의해서 결정됨. 탄소섬유는 밀도 1.8 g/cm3, 전기전도도 600-800 S/cm이며, 흑연화 반응을 통하여 전기전도도가 10 - 20배 정도로 증가됨[4]

탄소나노튜브는 그래핀(graphene)이 동글게 말린 구조를 가지며, 판이 말리는 각도에 따라서 금속성과 반도체성을 가질 수 있음. 탄소나노튜브는 말린 각도에 따라 암체어(armchair), 지그재그(zig-zag), 키랄(chiral) 구조형태로 나눌 수 있으며, 암체어는 금속성, 지그재그는 반금속성, 키랄은 반도체 특성을 띰. 탄소나노튜브의 전기전도도는 104–105 S/cm이며, 열전 도도는 ∼3,000 W/m·K임[6]

그래핀(graphene)은 흑연구조의 한 층을 의미하며, 탄소-탄소 결합이 sp3 단일 결합만으로 격자 형태로 이루어져 있어서 투명하고 단단한 성질을 가짐. 뛰어난 전자이동도(40,000∼200,000 cm2/V·s), 낮은 저항(60 ohm/sq), 기계적 물성(영률 1 TPa) 등의 고유 특성을 보유함. 구리보다 전기전도율이 100배 이상의 효율을 나타내며, 다이아몬드보다 열전도율(∼5,000 W/m·K)이 2배 높음

 

 

2. 탄소소재 전자파 차폐 산업 시장동향

 

세계 전자파 차폐 시장은 20년 68억 달러 (한화 7.7조 원)에서 CAGR 6.3%로 25년 90억 달러 (한화 10조 원)로 지속 성장이 전망됨. 국내 전자파 차폐 시장은 20년 5.6억 달러 (약 6,320억 원)에서 CAGR 7.3%를 보이며 성장해 21년 약 6억 달러 (약 6,770억 원)에 이를 전망

 

세계 탄소소재 세계시장 규모는 20년 51억 달러 (한화 58조 원)에서 CAGR 7.8% 21년 54억 달러 (한화 61조 원)로 지속 성 장이 전망됨. 국내 탄소소재 시장은 20년 5.6억 달러 (한화 6.4조 원)에서 CAGR 8.71%의 성장으로 21년 약 6.1억 달러 (한 화 약 7조 원)에 이를 전망

 

첨단차폐 소재는 대부분 일본과 미국이 주도하고 있으며, 국내의 차폐 소재업체는 대부분 중소기업으로 고급 인력과 고가장 비 부족 등 기술개발 환경이 열악한 상태임

 

5G 통신 기술에 요구되는 첨단차폐 소재 기술개발을 위해 기술이전을 통해 국내 부품업체를 지원하는 등 차폐 소재의 국산화 율을 높이는 역할이 필요함

 

전자파 차폐 재료 산업의 특징은 성장기 산업, 높은 경기 민감도, 해외 의존도가 높은 산업, 글로벌 소싱의 확대, 생산기지의 해외이전 가속화 산업임

 

전자파 차폐 재료 산업의 Value chain은 전자파 차폐 소재, 제품, 전기·전자기기로 구성됨

국외동향

전자파의 인체 유해성 및 기기간의 교란 증가에 따른 부작용이 커지면서, 산업 분야에서의 엄격한 규제도입을 바탕으로 EMI 차폐시장이 확대

 

EMI(Electromagnetic Interference, 전자파 간섭) 차폐시장은 2020년 68억 달러에서 2025년까지 연평균 6.3%로 성장 하여, 시장규모가 90억 달러에 이를 것으로 전망

 

EMI 차폐는 전도성 코팅, 금속, 전도성 폴리머, EMI/EMC 필터, 테이프나 합판 및 페인트와 같은 재료를 사용하여 전자파 간 섭을 줄이는 기술로, 전자기기의 성능 저하 없이 전자파를 차단 가능

 

전도성 코팅 및 페인트는 스마트폰이나 웨어러블기기, 가전제품에 사용되는 플라스틱 인클로저 보호에 가장 적합한 재료임. 비전도성 표면의 전자파 차폐를 위한 전도성 코팅 및 페인트는 2019년 EMI 차폐시장에서 가장 높은 점유율(38%)을 차지하 였으며, 2025년까지 5.3%의 성장률을 보일 것으로 예측되어, 다른 재료에 비해 다소 낮은 성장률을 보이겠지만, 가장 큰 시 장규모는 계속 유지할 전망

 

아시아-태평양 지역의 EMI 차폐시장은 2019년 26억 달러로 전체 시장의 약 40%를 차지했으며, 2020년부터 2025년까지 6.9%의 연평균 성장률을 보일 것으로 예측, 자동차 산업에서의 전자 시스템과 가전제품에 대한 수요 증가에 따라 전자파 차 폐의 수요도 함께 증가하며 시장 성장이 가속화될 전망

북미 시장은 항공우주·방위, 통신 산업 분야에서의 기술개발을 바탕으로, 유럽 시장은 전기 및 하이브리드 차량에 대한 높은 수요를 바탕으로 꾸준한 성장을 보일 것으로 예측

 

Apple은 자사의 아이폰 제품에 들어가는 애플리케이션 프로세서(AP)와 모뎀, 메모리, 무선주파수(RF), 커넥티비티(무선랜· 블루투스) 부품에 EMI 차폐 기술을 적용하고 있음

 

반도체 칩의 전자기파 차폐는 패키징 표면에 초박 금속을 씌우는 공정을 추가함으로써 이루어지며, 초박형 금속차폐재는 스 퍼터링(Sputtering)을 통해 이루어짐

일본의 대표적인 소재 기업인 TDK의 경우 아래 표와 같이 현재까지 30 GHz 이하 대역에서 페라이트 및 나노복합체를 이용 한 자성 전파 흡수체를 상용화하였음. 그러나 mm-Wave의 고대역 주파수인 5G 이동통신 및 Vehicle Radar에 적용이 필 요함에 따라, 30 GHz 이상 대역에 필요한 새로운 전자파 차폐 소재의 개발이 필요함

국내동향

전자파 차폐 기술은 스마트폰, PC, 자동차, 항공, 풍력발전소, 국방 등 다양한 분야에서 활용되고 있음 국내

 

탄소소재 적용 전자파 차폐소재 관련 업체에는 LS전선, 플라스틱코리아, 바이오니아 등이 있음. LS전선은 국내최초 탄 소섬유 적용 케이블 상품화 도입[10], 기존에는 차폐소재로 구리나 알루미늄을 사용하였지만, 이를 탄소섬유로 대체함으로서 무게 20% 정도 절감하였고, 유연성/내구성은 30% 정도 증가시킴. 개발 차폐케이블을 기반으로 전기차와 철도, 항공, 선박 등 모빌리티 분야와 산업용 로봇과 엘리베이터 등 무빙 설비를 중심으로 도입을 활발히 진행할 것으로 보임

플라스틱코리아는 EMI용 엔지니어링 플라스틱을 탄소소재 및 무기물간의 하이브리드 및 조성비 설계를 통해 기계적 특성, 전자파 차폐, 방열특성을 모두 발현시킴

 

EMI 차폐용 KOPAⓡ, SPESINⓡ소재가 차량용 무선충전장치, 자율주행차용 Radar, Camera, 각종 모터류 등과 같은 전 기자동차 및 자율주행차와 같은 미래형 자동차의 전장부품 하우징에 적용이 가능할 것으로 기대하고 있으며, 이를 기반으로 전기전자, 항공, 조선, 군사용 장치 등의 다양한 분야로 용도를 확대해나갈 계획임

바이오니아는 탄소나노튜브 소재로 구성된 발열체 폐이스트 제품을 판매중이며, 열전도성에 의한 발열소재, 전기 전도성에 의한 ESD/EMI 차폐소재, 투명전극 소재 분야에서도 응용 가능함

 

이외에도, 현재 국내 전자파차폐 재료 사업을 영위하고있는 업체로는 3M(미국), 솔루에타, 두성산업, 대상에스티, 아진일렉 트론, 이녹스, 한화엘앤씨, 네패스신소재, 선경에스티, 엠피코, 창성, 삼성전자, SK하이닉스, 불스원신소재 등이 있음

 

국내 전자파 차폐 재료 시장의 촉진요인으로는 전기·전자기기의 경박 단소화, 스마트기기, 웨어러블 디바이스, 자동차의 전장 부품 등의 복합기능화, 주요 전방산업의글로벌화로 해외시장 진출용이, 국내업체들이 전방산업의 세계시장 주도 등이 있으며 지속적인 수요 증가 전망

 

 

 

 

3. 탄소소재 기반 차폐소재 제조공정

 

기존 반도체 칩 또는 패키지 표면에 전자파 차폐 부여 기술은 스퍼터링, 도금, 스프레이 코팅 방식이 있으며[12], 이러한 방식 을 탄소소재에 응용하여 전자파 차폐 소재를 개발함. 특히 탄소소재 기반 차폐소재는 복합체, 필름, 페이스트 등의 형태로 제 조 가능함

폴리아마이드(Polyamide, PA)6를 매트릭스로 하여 다중벽탄소나노튜브(multi walled carbon nanotubes, MWCNTs) 와 니켈도금 탄소섬유, 니켈도금 흑연을 전도성 필러로 포함하는 복합체를 이축압출기를 이용하여 melt mixing함

- MWCNTs의 분산성 개선을 위해 반복압출하여 마스터배치를 제조하였고, 니켈도금탄소섬유는 30 wt.%, 니켈도금 흑연 은 9 wt.%로 장비에 넣을 수 있는 최대 함량을 나타냄

 

- 니켈도금 흑연은 최대함량을 넣어도 전기적 효과가 나타나지 않았으며, 니켈도금 탄소섬유의 함량이 증가할수록 1 GHz 대역에서 전자파 차폐 효율이 증가함

그래핀/멕신 기반의 3차원 다기공성 구조의 전자기파 차폐/흡수 소재이며, X-band (8-12 GHz) 영역뿐만 아니라 Ka-band (26-40 GHz) 영역에서 80dB 이상의 차폐 성능을 나타냄

- 금속촉매를 이용하여 열화학기상증착법으로 3차원의 그래핀을 합성하고 효율적인 전자기파 흡수를 위해 자성 물질인 산 화철 나노입자를 멕신 소재의 층간에 삽입하여 그래핀 표면에 도포하였음

 

3차원 CNT/CNF@탄소 폼의 전자기파 차폐 소재이며, 18-26.5 GHz 영역에서 20-30 dB 이상의 차폐 성능을 나타냄

- 멜라민 폼 탄화를 통해 탄소 폼을 합성하고, 촉매를 함침하여 CNTs(탄소나노튜브)와 CNFs(탄소나노섬유)를 합성하여 CNT/CNF@탄소 폼을 제조하였음

탄소나노튜브, 그래핀 등을 분산하기 위해 생체물질인 단백질이나 DNA 나선구조에서 쉽게 찾아볼 수 있는 다중수소결합구 조를 모방하여 분산제 사용 없이 탄소나노 소재를 용액에 분산하여 페이스트로 제조함

자가치유 PUDA(polyurethane bearing Diels-Alder bonds) 매트릭스에 CNTs/DMF (N,N-dimethylformamide) 분산용액을 혼합하여 열증발, 압축을 통해 전자파 차폐 필름을 제조함

- 탄소나노튜브 함량이 증가할수록 (1∼7 wt.%) x-band 대역에서 전자파 차폐 성능이 증가하였으며, 7 wt%일 때 약 36dB를 나타냄

 

그래핀/은나노벨트 복합소재를 이용한 고전도성 종이이며, 전기전도도가 1,500 S/cm으로 우수한 특성을 나타냄. 접었다 펴 더라도 일정한 전기전도도를 유지하였으며, 이 복합소재에 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 적용할 경우 심한 구김에도 전 기적 특성을 유지하고 높은 기계적 특성을 보유한 전자파 차폐재로 적용 가능함

 

4. 탄소소재 전자파 차폐 기술동향

 

첨단 차폐 소재의 기술개발 추세는 투명(혹은 불투명)하며 유연하고 경량화된 형태이므로, 탄소소재 기반 전자파 차폐 소재 개발이 대두됨

 

Web of Science에서 키워드를 ‘전자파 차폐’와 ‘탄소’로 검색하였을 때 출판된 논문의 수를 나타낸 것이며, 지속적인 증가 추세를 나타냄

 

차폐소재는 주로 반사와 흡수 성능이 동시에 요구됨에 따라서 다양한 전도성 복합체가 응용되며, 전기적 성질이 우수한 탄소 소재가 필러로 사용되는 연구가 활발함

탄소소재 기반 복합체의 차폐 성능은 20 – 50 dB을 가지며, 차폐복합체의 두께가 두꺼울수록 차폐 효율이 높음. 차폐효율은 각각 10 dB–90%, 20 dB–99%, 30 dB–99.9%, 40 dB–99.99% 정도를 나타냄

 

탄소소재 기반 복합소재는 분산도, 함량, matrix 호환 특성에 따라 전자파 차폐 성능 차이가 발생함을 아래 표의 연구결과를 통해 알 수 있음

30∼300 GHz 대역을 의미하는 mm-Wave의 경우 초고속 통신에 적합하고 아래와 같은 다양한 장점을 가지고 있어, 5G, Vehicle Radar등 다양한 분야에서 응용이 이루어지고 있으며, 지속적인 증가가 전망됨

- 고주파수 대역 30~300 GHz (EHF)

 

- 높은 데이터 전송 속도 10 Gb/s 이상

 

- 좁은 대역폭 (보안, 간섭저하효과)

 

탄소 소재의 경우 단일 탄소소재 보다는 다양한 소재들과의 복합화를 통해 mmWave 대역에서의 전자파 흡수 특성 개선을 위한 연구가 진행되고 있으며, DFT (Density Functional Theory), MD(Molecular Dynamics), Machine Learning 기 술들을 접목하여 소재를 설계하는 연구가 활발하게 진행되고 있음

mm-Wave 대역의 기술개발이 활발하게 이루어지고 있는 상황에서, 전자파 적합성을 의미하는 EMC(Electro-Magnetic Compatibility) 기술표준과 관련해서는 EMI(Electro-Magnetic Interference)의 경우 18 GHz 까지만 측정관련 기술표 준이 제시되어 있으며, 6 GHz까지 측정 및 평가 방법에 대한 기술표준이 정립되어 있음

 

EMS(Electro-Magnetic Susceptibility)의 경우 6 GHz 주파수 범위까지 측정 및 평가 방법에 대한 기술표준이 정립되어 있으며, 이에 따라 5G와 같은 mm-Wave 대역의 EMC 기술표준의 경우 18 GHz 이상 대역의 전자파 차폐 연구가 필요한 상황임

 

초고속 통신에 필요한 전자파 차폐 소재의 경우 차폐 성능을 높이기 위해서, 이론적으로 소재의 intrinsic properties인 전기 전도도 및 자기 투자율이 높을 것이 요구됨. 그러나 기존의 차폐 소재는 그 특성의 한계로 30∼300 GHz 대역을 제대로 대응 할 수 없는 실정임

 

특히 현재 차폐소재로 넓게 사용되고 있는 자성소재의 경우 > 30 GHz 대역에 사용 가능한 소재는 국내에서 연구가 미진한 상 황이나, 일본, 미국, 영국을 비롯한 소재 선진국에서는 최근 활발한 연구를 진행하고 있음. 특히 일본의 경우 전통적인 자성소 재 강국으로서 연구를 선도하고 있음

 

미래전략산업으로 초고속 통신 및 자율주행 자동차 분야의 기술개발은 국가 기술확보를 위하여 장기적으로 추진될 필요가 있 으며, 특히 이 분야의 기반 기술 중 하나인 >30 GHz 이상의 전자파 차폐 소재 기술개발 분야는 기술선진국의 투자와 연구개 발이 활발히 전개되고 있음

 

5. 결론 및 제언

 

탄소소재 전자파 차폐 산업은 전자통신 기술의 발전에 따라 국내외에서 빠른 성장세에 있으며, 특히 탄소중립 등 환경적인 문 제로 인한 전자파 차폐 중요성이 두드러지고 있음

 

해외의존도가 높고 시장 수요가 지속적으로 확대되고 있는 핵심 소재·부품·장비에 대한 기술 자립화 지원을 통해 수입대체 및 글로벌 시장 진출 필요

 

선진국 사례를 통해 탄소소재 전자파 차폐 소재 개발에 대한 기술지원 및 제품검증이 가능한 종합지원 체계를 갖춘 프로그램 개발을 통해 관련 기업지원 및 산업 활성화 유도필요

 

초경량, 유연, 저가화, 광대역, 고내구성 등의 전자파 차폐 요구사항을 고려한 탄소소재 전자파 차폐소재 원천기술을 확보하 고, 향후 5G, 6G 통신 및 첨단기기 시장을 선도할 수 있는 종합적인 탄소소재 전자파 차폐 산업 발전방향 모색이 필요함

 

 

 

 

 

 

 

 

 

출처 : keit pd 이슈리포트