Electromagnetic properties of carbon nano-materials based polymer composites and their applications in stealth materials = 탄소나노소재 기반 고분자 복합재료의 전자기 특성 및 스텔스 재료 응용에 관한 연구

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본 논문은 탄소나노튜브 및 그래핀 등 탄소나노소재를 기반으로 한 고분자 복합재료의 전자기 특성 연구와 이를 이용한 스텔스 재료에의 응용에 관한 연구이다. 첫 번째 연구는 다중벽 탄소나노튜브만을 전도성 필러로 적용하여 다층구조의 광대역 전자파 흡수 복합재료를 개발하는 것이다. 이를 위해 2 ~ 18 GHz 대역에서 전자파를 ㅎㅜㅂ수 할 수 있는 새로운 형태의 다층구조 복합재료를 제안하였다. 본 연구를 통해 제안된 복합재료는 흡수층(Layer 1) / 저항막(Layer 2) / 흡수층(Lauer 3) / 전도층(Perfect Electric Conductor, PEC)의 3층 구조로 구성되어 있으며, 흡수층 1, 2의 임피던스 차로부터 비롯되는 경계면에서의 전저기파 반사를 저감할 수 있는 저항막을 적용한 것이 가장 큰 특징이다. 또한 제안된 다층구조 광대역 전자기파 흡수 복합재료의 모든 층들은 유전 손실 재료로 다중벽 탄소나노튜브만이 사용되었다는 점 또한 특징이다. 제안된 복합재료는 4.7 ~ 13.7 GHz 대역에서 90 % 이상의 전자파를 흡수하였으며, 11.8 GHz에서는 99 % 이상의 전자기파를 흡수하는 우수한 특성을 나타내었다. 두 번째 연구에서는 첫 번째 연구로부터 파생된 저항막의 전자기파 간섭 차폐 (Electromagnetic Interference Shielding, EMI) 특성을 고찰하였다. 300 mm × 300 mm 크기의 대면적 MWNT 복합재료 필름을 제작하였으며, 전작파 차폐 특성을 측정한 결과 7 wt. %의 MWNT가 분산된 필름의 경우 X-band (8.2 ~ 12.4 GHz) 주파수 대역에서 최대 16.2 dB의 차폐 효율을 보였다. 또한 상온에서 200 °C의 대기온도범위에서 MWNT 복합재 필름의 전파차폐 특성 변화를 고찰하였다. 그 결과 주변 온도가 증가함에 따라 전파차폐 특성 또한 증가하였으며, 이는 온도 증가에 따라 전도성 채널 사이의 자유전자 확산 및 이동이 더 촉진된 것에 기인한다고 판단되며 전기전도도의 온도 의존적 특성을 확인하였다. 따라서 다층구조 광대역 전자기파 흡수 복합재료의 한 구성층인 저항막을 이용하여 대면적의 전파차폐 특성 구현 가능성을 입증하였다. 끝으로 그래핀/니켈 및 그래핀/니켈 코어/쉘 구조가 분산된 고분자 복합재료의 유전 특성을 고찰하였다. 그래파이트 분말로부터 화학적 박리를 통해 그래핀 옥사이드를 형성하였으며, 이를 환원하여 전도성을 가지는 그래핀/니켈 (니켈 입자가 그래핀 쉬트 위에 분산된 상태)을 제조하였다. 또한 화학기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 700 °C의 온도에서 니켈 입자 주변으로 다층의 그래핀이 코팅된 그래핀/니켈 코어/쉘 구조 (다층의 그래핀으로 코팅된 니켈 입자가 그래핀 쉬트 위에 분산된 상태)를 고안하였다. 최종적으로 이들 그래핀/니켈 기반 고분자 복합재료를 제조하여 유전 특성을 관찰한 결과, 5 wt. %의 그래핀/니켈 코어/쉘이 분산된 복합재료의 경우 11.6 GHz의 주파수에서 -37.3 dB의 우수한 반사 손실율이 측정되었다. 이는 같은 함량의 그래핀/니켈 기반 복합재료에 비해 코어/쉘 구조를 통한 그래핀 π-밴드와 니켈의 3d 밸런스 밴드의 강한 혼성화로부터, 그래핀-니켈 계면에서의 전하 이동이 촉진되었기 때문으로 해석될 수 있다. 상기의 연구 결과로부터 제안된 탄소나노튜브 분산 다층구조 복합재료와 그래핀/니켈코어/쉘 구조 기반 고분자 복합재료는 매우 효과적인 전파흡수구조 및 전파흡수재료로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
Advisors
Jung, HeeTaeresearcher정희태researcher
Description
한국과학기술원 :생명화학공학과,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2015
Identifier
325007
Language
eng
Description

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과, 2015.2 ,[ix, 89 p. :]

Keywords

Stealth; Electromagnetic wave; Complex permittivity; Graphene; CNT; 스텔스; 전자기파; 복소유전율; 그래핀; 탄소나노튜브

URI
http://hdl.handle.net/10203/206377
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=615623&flag=dissertation
Appears in Collection
CBE-Theses_Ph.D.(박사논문)
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