全 산업의 전자화 가속에 전자파 차폐 문제 대두
차폐, 전자파 성질과 환경에 따라 다르게 적용돼
무선 충전, 전기차 기술 발전이 차폐 중요성 높여


전자 기술의 발달로 우리는 전자파가 가득한 환경 속에서 살게 됐다. 전자파는 전기장과 자기장으로 구성된 파동이다. 전기장의 세기 변화가 자기장의 변화를, 자기장의 변화는 전기장의 변화를 유발하며, 이 과정을 반복하며 퍼져나간다.

전자파는 장기적으로 인체에 유해할 수 있고, IT 기기 또는 차량에선 전자파 간섭(Electromagnetic Interference; EMI) 현상을 일으켜 오작동 위험성을 높인다. 최근 다양한 분야에서 전자화가 진행되며 전자파 차폐에 관한 관심도 뜨겁다.

한국교통대학교 화공신소재고분자공학부의 강영민 교수가 저술한 ‘전자파 차폐의 원리와 관련 기술 동향’에 따르면, EMI 차폐는 외부에서 입사되는 전기장, 자기장, 전자파를 차폐해 회로 동작의 장애를 사전에 방지하는 것을 말한다.

일반적으론 알루미늄이나 구리 등 금속 소재로 회로 주위를 둘러싼다. 금속은 표면에서 전자파 대부분을 반사한다. 또 도체에선 자유전자 이동 탓에 전기장이 ‘0’이 되므로 광범위한 대역의 전자파 차단이 가능하다.

차폐는 전파의 성질에 따라 방법을 달리한다. 전자기기 내부에선 영구자석, 코일 등이 직류(DC) 자기장을 발산하는데, 이를 위해 주변의 센서나 회로를 보호하는 차폐가 필요하다. 이러한 경우는 투자율이 높은 연자성 소재의 시트나 필름을 차폐할 영역에 적용해 자속 흐름을 다른 방향으로 유도하는 것이 효과적이다.

교류(AC) 자기장을 차폐하려면 차폐 소재의 투자율, 전기전도성, AC 자기장의 주파수를 통해 자기장 침투 깊이를 도출하고, 차폐재를 선택해야 한다. 주파수와 전기전도도가 높을수록 자기장의 침투 깊이가 낮아져 얇은 차폐재로도 자기장의 침입을 막을 수 있다. AC 자기장이 전도성 소재로 입사될 때, 유도되는 와전류에 의해 순간 입사되는 자기장과 반대 방향의 자기장을 발생시켜 상쇄하는 원리다.

AC 자기장 주파수가 낮으면 비자성 금속 소재만으로 차폐 효과를 볼 수 없기 때문에 DC 차폐처럼 실수부 투자율이 높은 자성 소재를 써야 한다. 주파수가 높으면 비자성 금속 소재, 투자율 높은 자성 소재 모두 차폐재로 활용할 수 있다.

◇ 전자파 흡수체, 어떤 것들이 쓰이나

전자파 차폐재, 혹은 흡수체는 응용 분야나 사용 환경에 따라 다양한 소재와 구조를 요구한다. 절연성, 방열성 등의 특성이 요구될 뿐만 아니라, 시트나 필름, 플라스틱 사출품 등 다양한 형태로의 제작이 요구돼 소재 관련 연구가 필수적이다.

일반적으로 탄소 계열의 전도성 재료를 고분자 구조 내 복합화한 소재가 많이 활용된다. 낮은 비중에도 높은 전도성을 갖기 때문에 전자파 흡수체로 많이 쓰인다.

자성 손실을 이용한 대표적인 재료로는 입방정 스피넬 구조의 페라이트로 Mn-Zn계, Ni-Zn계 등이 있다. 이들 소재는 수십 kHz에서 수백 MHz까지 대역에선 흡수 능력이 우수하나, GHz 대역 이상에서는 자기 손실이 급격히 줄어 사용할 수 없고, 대신 육방정계 구조의 Sr, Ba 페라이트가 유용하나 실제 응용은 많지 않다.

현재 유전 손실 재료로 에폭시 변성 우레탄 고무와 SiC 섬유 도료를 이용한 전자파 흡수체에 대한 연구 개발이 진행되고 있다. 전자파 흡수 기능과 함께 구조재로 쉽게 사용 가능한 복합 재료 형태의 새로운 구조재에 관한 연구도 진행 중이다.

복합 재료는 구조에 따라 섬유 강화 및 적층, 그리고 입자 강화 복합재 등으로 분류된다. 지지재는 열경화성/열가소성 고분자 수지가 사용되며, 사용 목적에 따라 실리콘, 고무류, 도료 등을 지지재로, 전자파 흡수능 입자를 충진재로 사용한다.

◇ 무선 충전, 전장 분야에서 EMI 차폐 수요 증가

전자파 차폐 기술은 전자화가 진행 중인 각종 분야에서 수요가 증가하는 상황이다. 특히 스마트폰 분야에선 무선 충전 기술의 확산으로 NFC 모듈에 자성 시트를 활용하는 경우가 늘고 있다. 100kHz 수준의 AC 자기장을 활용하는 무선 충전 시스템과 13.56MHz 주파수를 사용하는 NFC 코일 안테나 간의 전자기적 간섭을 억제하고 자기장이 휴대기기 내부로 침투하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

전자파를 방출하는 기기에선 전자파 흡수제가 많이 사용된다. 일반적으로 전도성 필러나 자성 분말을 포함한 고분자 복합화 시트가 부착되는 형태로 사용된다.

자동차 분야에선 차량 내 전력 사용량 증가와, 고출력 전장 부품 및 능동 안전 시스템 채택에 따른 전장 부품 비율 증가로 차폐재에 관한 관심이 늘고 있다. 자동차의 전자파 차폐재로는 탄소 및 고분자 복합소재가 채용되는 경우가 많다. 자율주행 기능 확대에 따라 전자파 적합성(Electromagnetic compatibility; EMC)에 대한 새로운 기준이 마련되고 있으며, 이에 다양한 차폐재도 개발될 전망이다.

전자 기술의 응용처가 확대되며 전자파 차폐 기술 또한 수요가 커지고 있다. 특히 무선 통신 기술의 발달로 전파의 종류와 양이 급격히 증가하고 있으므로 다양한 차폐 수요 예측과 차폐 환경에 맞는 소재 기술 개발 노력이 절실할 때다.