초고속 통신에 부합한 >30GHz 대역용 소재 개발 시급  

 

 

 

 

 

국내 전자파 차폐 시장의 확대와 더불어 차폐에 사용되는 탄소 소재 수요도 역시 확장될 것으로 보인다. 한국산업기술평가관리원(KEIT)에서 최근 발표한 ‘탄소 소재 적용 전자파 차폐 산업현황과 기술전망’ 보고서에서는, 2021년 국내 전자파 차폐 시장이 약 6억 달러(약 6,770억 원)에 이르고, 탄소 소재 시장은 약 6.1억 달러(한화 약 7조 원)에 달할 것이라고 예상했다. 보고서는 세계 전자파 차폐 시장이 2020년 68억 달러(한화 7.7조 원)에서 CAGR 6.3%을 보여 2025년 90억 달러(한화 10조 원)로 성장하는데, 국내 시장은 2020년 5.6억 달러(약 6,320억 원)에서 CAGR 7.3% 성장세를 기록하여 2021년 약 6억 달러에 달할 것으로 내다봤다. 아울러, 글로벌 탄소 소재 시장 규모는 2020년 51억 달러(한화 58조 원)에서 2021년 54억 달러(한화 61조 원)로 커지고, 국내에서는 2020년 5.6억 달러(한화 6.4조 원)에서 2021년 약 6.1억 달러(한화 약 7조 원)로 늘어날 것이라고 덧붙였다. 

 

차폐 소재는 외부에서 유입되는 전기장(E), 전자기파(electromagnetic wave, EM) 및 내부에서 발생되는 자기장(B)을 차폐하여 저항으로 인한 전자회로 작동 장애를 방지하는 역할을 한다. 차폐 소재는 Schelkunoff의 차폐 이론 반사(reflection), 흡수(adsorption), 다중반사(multiple reflection)의 합으로 차폐 성능을 나타낸다. 차폐효율(shielding efficiency, SE)은 차폐 소재 사용에 따른 차폐 성능 증가분을 의미한다. 

 

 

차폐 성능은 입사되는 에너지(Ei)와 투과되는 에너지(Et)와의 데시벨(dB) 값으로 나타낸다. 차폐 성능의 지표를 나타내는 단위인 데시벨은 측정값(전압, 전력)을 log 스케일로 표현한 값이다. 전자기파 반사, 흡수, 내부 다중 반사율은 차폐소재의 두께, 전기전도도, 유전율, 투자율, 비표면적 등에 영향을 받는다. 

기존에는 20GHz 이하의 전자파에 대한 연구 및 응용이 주로 이루어지고 있으나, 최근에는 5G의 등장과 함께 >30GHz 이상의 전자파에 대한 차폐 및 흡수 성능이 우수한 첨단 전자파 차폐 및 흡수 소재 기술을 확보하는 것이 전자통신, 국방 분야에서 요구되고 있다.

 

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

전자파 감쇠용 전파 흡수체로서 요구되는 가장 중요한 특성은 통신주파수(셀룰러폰 : 800 MHz, PCS : 1.8 GHz, I MT- 2000 : 2.2 GHz)에서 전자파 흡수율이 커야 하며, 기존의 페라이트 자성체나 탄소 분말은 두께가 6∼10mm에 달하기 때문에 박형화에 필요한 새로운 소재 및 방법 검토가 요구된다.

전자파 차폐 성능을 높이면서 경량화, 높은 방열효율, 소형화를 달성하기 위하여, 고분자 소재와 탄소 소재의 하이브리드화 신기술 개발에 집중하고 있다. 전자기파 차폐와 고방열 특성을 동시에 구현하기 위해서는 소재 간의 계면 간섭 현상 및 고분자와 나노 소재 간의 복합화, 성능 극대화를 위한 복합 필름의 구조 설계 등 기술적 해결 방안이 요구된다.

 

금속을 대체할 수 있는 차폐 소재로 높은 전도성을 갖는 탄소 소재가 거론되며, 탄소 소재에는 탄소섬유(carbon fiber, CF)와 1차원 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 2차원 그래핀(graphene), 3차원 흑연(graphite), MXene/탄소 복합재 등이 있다. 특히, 폼(foam), 스펀지, 에어로젤과 같은 3D 탄소 재료 복합재가 전자파 차폐 효율을 증대시키는 데 유리하다. 

탄소섬유의 전기적 특성은 전자와 격자진동(포논)에 의해서 나타나며, 격자진동을 통하여 자유전자들이 여기 되어 많이 발생 되면서 높은 전기전도도를 가져온다. 탄소섬유의 격자진동은 결정구조의 발달에 영향을 받으며, 탄소섬유의 결정구조는 원료의 물성(이흑연화성, 난흑연화성) 및 소성온도에 의해서 결정된다. 탄소섬유는 밀도 1.8g/cm3, 전기전도도 600~800S/cm이며, 흑연화 반응을 통하여 전기전도도가 10~20배 정도로 증가된다. 

탄소나노튜브는 그래핀(graphene)이 동글게 말린 구조를 가지며, 판이 말리는 각도에 따라서 금속성과 반도체성을 가질 수 있다. 탄소나노튜브는 말린 각도에 따라 암체어(armchair), 지그재그(zig-zag), 키랄(chiral) 구조형태로 나눌 수 있으며, 암체어는 금속성, 지그재그는 반금속성, 키랄은 반도체 특성을 띤다. 탄소나노튜브의 전기전도도는 104~105S/cm이며, 열 전도도는 ∼3,000 W/m·K이다. 

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 높다.

 

 

 

전자파의 인체 유해성 및 기기 간의 교란 증가에 따른 부작용이 커지면서, 산업 분야에서의 엄격한 규제도입을 바탕으로 EMI 차폐시장이 확대되고 있다. EMI(Electromagnetic Interference, 전자파 간섭) 차폐 시장은 2020년 68억 달러에서 2025년까지 연평균 6.3%로 성장하여, 시장규모가 90억 달러에 이를 것으로 전망된다.

EMI 차폐는 전도성 코팅, 금속, 전도성 폴리머, EMI/EMC 필터, 테이프나 합판 및 페인트와 같은 재료를 사용하여 전자파 간섭을 줄이는 기술로, 전자기기의 성능 저하 없이 전자파를 차단한다. 

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

시장분석회사인 MarketsandMarkets의 자료에 따르면, 아시아-태평양 지역의 EMI 차폐시장은 2019년 26억 달러로 전체 시장의 약 40%를 차지했으며, 2020년부터 2025년까지 6.9%의 연평균 성장률이 예측된다. 자동차 산업에서의 전자 시스템과 가전제품에 대한 수요 증가에 따라 전자파 차폐의 수요도 함께 증가하며 시장 성장을 주도할 것으로 분석했다. 북미 시장은 항공우주·방위, 통신 산업 분야에서의 기술개발을 바탕으로, 유럽 시장은 전기 및 하이브리드 차량에 대한 높은 수요를 바탕으로 꾸준한 성장을 보일 것으로 예측된다.

 

 

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

일본의 대표적인 소재 기업인 TDK의 경우, 현재까지 30GHz 이하 대역에서 페라이트 및 나노복합체를 이용한 자성 전파 흡수체를 상용화하였다. 그러나 mm-Wave의 고대역 주파수인 5G 이동통신 및 Vehicle Radar에 적용이 필요함에 따라, 30GHz 이상 대역에 필요한 새로운 전자파 차폐 소재의 개발이 필요하다.

 

전자파 차폐 기술은 스마트폰, PC, 자동차, 항공, 풍력발전소, 국방 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 국내 전자파 차폐 소재 시장의 촉진요인으로는 전기·전자기기의 경박단소화, 스마트기기, 웨어러블 디바이스, 자동차의 전장 부품 등의 복합기능화, 주요 전방산업의 글로벌화로 해외시장 진출용이, 국내업체들이 전방산업의 세계시장 주도 등이 있으며 지속적인 수요 증가가 전망된다.

기존 반도체 칩 또는 패키지 표면에 전자파 차폐 부여 기술은 스퍼터링, 도금, 스프레이 코팅 방식이 있으며, 이러한 방식을 탄소 소재에 응용하여 전자파 차폐 소재를 개발하고 있다. 특히 탄소 소재 기반 차폐 소재는 복합체, 필름, 페이스트 등의 형태로 제조가 가능하다. 

초고속 통신에 필요한 전자파 차폐 소재의 경우 차폐 성능을 높이기 위해서, 이론적으로 소재의 intrinsic properties인 전기전도도 및 자기 투자율이 높을 것이 요구된다. 그러나 기존의 차폐 소재는 그 특성의 한계로 30∼300GHz 대역을 제대로 대응할 수 없는 실정이다. 특히 현재 차폐 소재로 넓게 사용되고 있는 자성소재의 경우 >30GHz 대역에 사용 가능한 소재는 국내에서 연구가 미진한 상황이나, 일본, 미국, 영국을 비롯한 소재 선진국에서는 최근 활발한 연구를 진행하고 있다. 특히 일본의 경우 전통적인 자성 소재 강국으로서 연구를 선도하고 있다.