4G(LTE)를 넘어 5G 실현이 가시권으로 접어들며 밀리미터파에 대응하는 전자 적합성(EMC)이 중요한 미래기술로 떠오르고 있다. 6G와 우주항공 시대 수십기가 헤르츠의 초고주파에 대응하고, 자율주행기술에 사용되는 다양한 센서들이 집적된 각종 소자들로 인한 전자기 간섭(EMI) 문제를 해결하기 위해선 밀리미터파 대응 기술이 반드시 요구되는 상황이다.
 
이에 한국재료연구원에서는 이상복 박사(복합재료연구본부 기능복합재료연구실 책임연구원)의 주도하에 밀리미터파에 대응하는 ‘전자파 흡수·차폐 복합소재’를 19년부터 연구·개발해 최근 3월 신소재 개발 성공을 일반에 공개했다. 연이어 지난 14일 첨단소재 기술설명회에 참석해 신소재를 소개하고 관심 기업들과 기술이전 상담을 진행했다.
 
ECU, 자율주행 레이더센서 등 자동차 산업부터 5G를 넘어 차세대 통신인 6G까지 적용될 EMI·EMC 기술 개발에서 앞서나가기 위한 기술경쟁이 그 어느 때보다 뜨겁게 불타고 있다.
 
■밀리미터파 대응, 차폐보다 흡수가 중요
 
자율주행, 5G, IoT 등 초연결시대로 접어들며 미래산업 트렌드는 초고주파(밀리미터파), 다중대역·광대역, 초고밀도화 등이 기술적으로 중요해지고 있으며 더불어 친환경과 인체 무해성이 동반되고 있다.
 
전자파 소재 적용처가 점차 확대되는 산업 트렌드 속에서 밀리미터파에 대응하는 소재 개발이 시급했다. 이상복 박사는 전도성 소재의 반사차폐 한계를 지적했다. 기존 전자파 차단 소재는 고전도성 물질을 사용해 차폐에 집중했기에 전자파 간섭 문제를 야기한다는 것이 주된 이유였다.
 
그는 “기존 3G·4G에서는 사용되는 전자파 차폐 기술은 금속과 인조흑연 같은 전도성 소재 사용으로 전자파의 반사·2차 반사를 발생시키며 내부간섭 및 오작동 문제를 일으키게 된다”며 자성소재를 이용한 전자파 흡수가 관건이라고 설명했다. 5G 통신환경과 집적화가 요구되는 산업 트렌드 속에서 기존의 차폐 기술로는 한계가 있는 것이다.
 
자성소재를 이용한 이상복 연구팀의 신소재는 5G에 대응할 수 있는 약 26Ghz대역에서의 전자파 흡수능을 보유했다. 이 박사는 “일본의 TDK나 기존의 상용 분말을 활용한 것보다 얇은 두께에서 우수한 흡수능 및 낮은 반사능을 보여준다”며 “전도성 그리드 구조의 흡수체와 자성금속섬유 복합체를 합치자 최근 반사율이 극단적으로 1-2%까지 줄었으며 대략 30~50dB을 흡수할 수 있는 흡수능을 나타냈다”며 개발성과를 밝혔다.
 
또한, 경량화 이슈에 있어서 기존소재 대비 얇은 두께로 우수한 흡수능과 낮은 반사능을 발휘한다고 설명했다. 이 박사는 “자동차와 통신 단말기 등에서 경량화 기술이 중요한 이슈가 된다”며 “미국 Laird사나 일본의 TDK 등의 제품과 비교해 재료연의 개발 신소재는 0.54mm까지 구현해 두께를 반으로 줄였고 10%미만의 전자파를 반사해 기능면에서도 비교 우위이다”라고 피력했다.
 
■ 전자파 흡수 그 이상, 다기능 복합소재로 진화
EMI소재는 전자파 차폐에서 흡수로의 패러다임 전환뿐만 아니라 단일기능에서 다기능으로의 발전도 수반해야 한다. 전자파 흡수를 비롯해 방열, 친환경·인체 무해성, 다중대역 및 광대역 커버 등 다양한 기능을 포함하게끔 복합소재 성능의 고도화가 요구되고 있는 실정이다.
 
이상복 연구팀의 ‘전자파 흡수·차폐 복합소재’는 자성소재와 방열소재를 혼합한 복합필름에 구리그리드를 결합시켜 전자파 흡수능을 높였고 전자파의 에너지가 열 에너지 등으로 전환돼 사라지게끔 설계됐다. 더불어 방열소재를 3D 네트워크 구조로 제작해 방열성능을 향상시켰다.
 
무선 단말기의 메가트렌드가 폴더블과 플렉서블을 포함한 경량화이기에 소재의 다기능에는 경량화뿐 아니라 내구성도 반드시 확보해야 한다. 이에 복합소재의 10회 이상 폴딩 및 구김 실험을 진행했을 때 흡수율과 반사율의 성능 저하가 크게 차이나지 않는 것으로 나타났다.
 
향후 기술 보완을 위해 우수한 성능 소재 개발과 다중대역 대응 기술 개발이 필요할 것으로 보인다. 이 박사는 “밀리미터파 대역에서 저반사·고흡수의 우수한 성능을 내는 얇은 전자파 흡수소재 개발을 위해서는 높은 유전성과 자성손실이 없는 우수한 전자기 성능의 소재 개발이 필요하다”고 언급했다.
 
또한 그는 “미래 전자파 환경(~28GHz), 자율주행 레이더 센서(24GHz, 77GHz, 79GHz), UHD/HDTV 무선전송(57-66GHz), 고고도 위성통신(~40GHz)에서는 다양한 주파수 대역이 활용되므로 이러한 다양한 주파수 대역의 전자파를 대응하는 다중 주파수제어 전자파 소재기술이 앞으로 요구될 것이다”라고 덧붙였다.
 
■ 전자파 흡수, 차세대 시장으로 성장 전망
 
자동차 자율주행 시대가 다가올수록 전자파 흡수·차폐는 더욱 중요해질 전망이다. 자율주행차 내부에 다수 탑재하는 센서 간의 간섭과 오작동 방지와 함께 자율주행차 간의 레이더 간섭에 대응하는 기술이 필요하다.
 
이러한 차량용 레이더 센서들의 간섭현상으로 인해 고스트 오브젝트(Ghost object, 허위 물체)를 실제 물체로 인식하는 경우가 발생할 수 있는데, 이에 대해 이상복 박사는 “전자파 흡수를 통해 고스트 오브젝트가 발생하는 것 자체를 막는 것이 필요하다”고 언급했다.
 
재료연의 ‘전자파 흡수·차폐 복합소재’는 가공 형태가 다양해 범용적인 상용화가 가능할 것으로 전망된다. 이 박사는 “이 소재는 필름·시트, 패블릭, 쉴드캔과 같은 구조물성도 함께 요구되는 벌크형 제품에 활용할 수 있으며 고분자 수지를 그대로 사용할 수 있기에 다양한 제품 형태에 적용할 수 있다”다고 설명했다.
 
현재 ‘전자파 흡수·차폐 복합소재’는 통신용 부품, 자동차 전장부품, 레이더 센서, 스마트 TV 분야의 기업들에서 기술 이전에 관심을 갖고 접촉하고 있는 것으로 알려졌다.
 
이상복 박사는 “미래 자율주행 레이더부품, 미래 스마트 자동차의 전장·통신 부품, 5G·6G 차세대통신 및 저궤도 위성통신부품에 적용되는 밀리미터파 대역 전자파 차폐·흡수 시장은 규모면에서 연 10% 이상 성장할 것으로 예상하며 이에 따라 시장의 요구도 커질 것으로 전망한다”고 말했다.
 
“특히 밀리미터파 대역의 수십 기가헤르츠 전자파는 강한 직진성과 큰 손실을 가지는 특징을 가진다”고 말하는 그는 “이로 인해 차폐소재보다는 흡수소재에 대한 요구가 더욱 커질 것으로 예상한다”고 덧붙였다.