車 전장화 추세, 전자파 차폐 소재 중요

▲ 오미혜 한국자동차연구원 수석연구원

최근 무인 혹은 자율 주행을 필두로 차량의 주행 편의성, 안전성을 기반으로 고성능 자동차 전장 부품을 다량 탑재하면서 자동차는 점차 전자장치화 되어가는 추세이다.

차량 내에 사용되고 있는 전장 부품은 가벼우면서 기능이 집적화되고 있다.

이러한 관련 기술의 개발방향은 기능에 있어서 더욱 정확한 전자 제어로 운전자에게 최대의 편의를 제공하는데 그 목적이 있다.

차량의 편의성을 증대하기 위하여 도입한 각종 전자제어부품 및 장치는 사용자 또는 탑승자의 편리성은 크게 향상시켰지만, 전자기기에서 방사되는 전자파에 의해 부품의 오작동 및 성능 저하 또는 안전사고 등에 대한 우려가 대두되어 사회 문제로 나타나고 있다.

자동차 내부의 전장부품에서 발생하는 전자파의 영향으로 그 차폐 필요성이 점차 증대되고, 전자파 장해에 대한 국제적인 규제 역시 강화되고 있으며, 이를 대응하기 위해 많은 연구개발 노력이 이루어지고 있다.

전자기파 차폐(Electromagnetic Interference Shielding, EMI shielding)의 주된 목적은 부품에서 발생하는 전자기파를 반사(Reflection) 또는 흡수(Absorption)시켜 전자기기 고유의 성능을 오작동 없이 유지하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 전자기파 차폐소재가 사용되고 있으며, 주로 사용되는 전자기파 차폐소재의 특성은 전기적으로 도체여야 하고 넓은 표면적을 갖는 것이 유리하다.

전기적 특성이 우수한 금속이 주로 이용되어 왔지만 금속은 무겁고 가공성이 나쁘며 부식을 일으키는 문제점을 가지고 있다.

금속의 단점을 대체할 수 있는 소재로서 전도성을 갖는 고분자 복합재료가 주목을 끌고 있다.

고분자는 가볍고, 제품의 디자인 자유도가 우수하며 최종 제품의 기계적·전기적 특성 제어가 용이하다는 장점이 있다.

특히 자동차 산업의 경우 첨단화에 따른 전장부품의 수요 증대 및 이산화탄소 배출량 환경 규제 등의 이슈로 부품 경량화에 주목하고 있고, 이에 대응하여 고분자 소재에 대한 개발 필요성이 전 세계적으로 확산되고 있는 추세이다.

전기/전자 부품의 원활한 작동을 위해서는 원치 않는 전자기파(노이즈)는 차단하는 전자기파 차폐/흡수재가 필요하다.

전자기파 차폐/흡수 특성은 전도성 향상, 유전특성 및 자기적 특성 향상 등의 기술적 접근이 필요하다.

이 중 유전손실값은 외부의 전자기파를 흡수할 수 있는 흡수 성능과 비례하며, 흡수된 전자기파는 에너지 보존 법칙에 의해 열 혹은 소리로 전환되므로 복합적인 기능을 요구하게 된다.

■ 전자파 차폐 소재 중요성 급부상

자동차에는 많은 센서들과 ECU(Electric Control Unit)라 불리는 on-board 전자제어 장치로 구성되어 있다.

이러한 부품들의 정상 작동을 위해서는 그에 맞는 소재 사용이 필수적이며, 장치의 오작동 방지를 위한 대책 마련이 강화되고 있다.

특히, 자율주행 자동차는 차량 및 인프라간(V2I) 통신과 차량 및 차량(V2V) 통신을 기반으로 교통 상황 등 주행에 유용한 정보를 상호 교환하고 협업하면서 사고를 줄이고 안전 주행을 위해 고정밀 디지털 지도, 센서, 고정밀 위치 측위 기술이 개발되고 있다.

자율주행 차량은 전송 범위 내에서 많은 정보를 빠른 전송 속도로 송수신하기 때문에 실시간 데이터를 공유하여 운전 상황 정보를 제공하게 된다.

시간, 장소 및 기후에 상관없이 주변 상황을 정확히 인식하기 위해서는 사물인터넷(Internet of Things, IoT), 스마트팩토리 등의 신기술 적용이 필요하다.

초고속, 대용량의 데이터를 무선으로 전송할 수 있는 기술의 핵심인 밀리미터파(mmWave : 30∼300GHz 주파수 대역으로 전자기파장이 1∼10mm의 단파장)이며, 다양한 센서의 원활한 작동을 위해 전자기 간섭(EMI), 라디오파 간섭(RFI) 및 고주파 영역에서 전자기파를 감소시킬 수 있는 부품 설계와 전자파차폐 소재가 적용되어야 한다.

현재 전자기기, 가전기기의 고성능화, 전장부품의 경량 및 박막화에 따라 기존 금속 재료를 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 고분자소재에 carbon fiber, carbon black, CNT, TiO2, Nickel coated graphite 등의 필러를 첨가하여 전자파 차폐 특성을 갖는 복합소재가 사용되고 있다.

전자기파 차폐는 투자율이 높은 물질들로 자기장 발생원을 감싸거나 자기장에 의해 영향을 받는 부분을 감싸줌으로서 물질 속의 자기장 크기를 줄이고 외부의 자기장이 차폐재 표면을 타고 다른 부분으로 흘러도록 유도한다.

차폐 성능은 계면의 매질에 의해 크게 영향을 받으며 계면 간 접촉 저항을 크게 하는 방법으로 차폐 성능을 감소시킬 수 있다.

우수한 차폐 성능을 얻기 위해서는 금, 알루미늄, 스테인레스강 등을 접합면으로하며, 전기저항이 작은 금속 자성체는 발열 문제로 사용이 제한되고 있다.

금속 대체 전도성 고분자 복합재료 각광

다양한 문제 솔루션 통합 검토 시대 도래

■ 기존 전자파 차폐 소재 불량률·제조비용 높아

전자기파 차폐 소재의 적용으로 큰 효과가 기대되는 ECU 하우징 재료는 알루미늄 등이 사용되어 왔으나, 성형성과 경량화 등의 이유로 대체 소재 개발에 대한 관심이 높아지고 있다.

고분자 소재의 전자파 차폐는 플라스틱에 금속을 코팅 혹은 스프레이 처리하여 사용되고 있지만, 환경문제와 생산공정의 복잡성으로 불량률이 높고 제조비용이 높아진다.

이에 따라 최근 연구되고 있는 탄소섬유 고분자 복합소재는 기계적 물성은 극복되고 있으나, 전도성을 높이기 위해 금속 도금된 탄소섬유 혹은 그라파이트를 혼합하여 사용하게 되고 이로인해 기계적 강도가 낮아지는 문제점이 있다.

탄소소재를 활용한 전자기파 차폐소재 개발은 탄소 소재의 낮은 비중으로 인해 분산 문제와 고함량에서의 사출성형 불량 그리고 높은 원재료비가 시장 진입의 장벽으로 작용되고 있다.

■ 낮은 분산도 개선 및 적합한 개질 기술 필요

나노 탄소 소재의 고분자 복합소재 제조 과정에서 낮은 분산도를 개선하기 위해 표면 개질 기술을 적용하여 분산도를 증진시키고, 부품화를 위한 사출성형 공정으로 원가절감 및 생산성 향상 기술로 효율적인 전자파 차폐재 제조가 가능할 것이다.

응용범위를 넓혀 시장을 확대하고자 하는 관련 기업들의 노력으로 적용 고분자 수지에 적합한 필러 계면 개질기술과 사용 편의성을 위한 CNT 펠렛화 기술 등을 선보이며 재도약의 시기를 맞고 있다.

■ 전자파 흡수 소재의 광대역화

전자파 흡수는 경박, 단소화 되고 있는 전자장치에서 기기의 오작동을 야기시키는 노이즈를 억제하고 회로 block 간의 cross-talk나 근접 기판에서의 유전 결합을 억제하며, 안테나의 수신 감도를 개선 및 전자파로 인한 인체영향을 감소시키는데 중요한 기능을 담당하고 있다.

다양한 주파수 대역에서 사용되고 있는 전자부품에 적용되기 위해서는 전자파 흡수 소재의 광대역화가 필요하다.

전자파 흡수체는 근접장 및 원역장 적용 기술이 필요하며, 고투자율의 자성재료가 주로 사용되고 있으나, 고주파수화로 공진현상이 일어나기 때문에 GHz 대역에서의 투자율 손실이 크게 나타난다.

전자파는 흡수체에 입사할 경우 침투파 제어가 용이한 열에너지로 변환된다.

따라서 유전체, 자성체 등의 소재로 구성된 전자파 흡수 소재를 이용하여 전자파 발생과 전자파에 영향을 받는 부품 등을 보호할 수 있다.

이러한 요구 조건을 만족시킬 수 있는 전자파 흡수체는 복소투자율과 복소유전율에 의하여 결정되기 때문에 금속 자성체의 성능 검토가 이루어지고 있다.

■ 기존 전자파 흡수 소재 박막형 요구

전자파 감쇠용 전파흡수체로서 요구되는 가장 중요한 특성은 통신주파수(셀룰러폰 : 800 ㎒, PCS : 1.8 ㎓, I MT-2000 : 2.2 ㎓)에서 전자파 흡수율이 커야 함은 물론 무엇보다도 박막형이 요구된다.

기존의 페라이트 자성체나 탄소 분말은 주파수대역에서 두께가 6∼10㎜에 달하기 때문에 박형화에 필요한 새로운 소재의 사용 및 새로운 방식의 전자파흡수체가 검토되어야 한다.

■ 전자파 흡수소재 배향 및 분산 기술 필수

전자파 흡수체의 흡수 메커니즘은 물질의 고주파 손실특성에 기인하는 것으로 사용재료에 따라 도전손실 재료, 유전손실 재료, 자성손실 재료로 나뉜다.

두 가지 이상의 손실을 대응할 수 있는 재료 설계, 극미세 고각형비의 자성 금속 입자 제조 기술과 이들의 배향 및 분산 기술이 필수적이다.

전자파 흡수체에서는 입사된 전자파 에너지를 흡수하여 열로 변화되는 과정에서 고집적화된 칩 상에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하는 것이 중요하다.

고각형비의 극미세 금속입자의 제조와 열전도 특성이 고려된 박막 설계가 동시에 진행된다면 개발 효과가 클 것으로 사료된다.

■ 미래車 최적화 위한 솔루션 다각도 검토 필요

미래의 자동차 개발 방향은 전기자동차와 자율주행자동차로 대변할 수 있다.

환경, 에너지, 편의성 및 안전성 등을 고려할 때 필연적인 개발 방향이라 하겠다.

그러나 시스템을 최적화하고 기능의 효과를 극대화하기 위해서는 다양한 문제의 솔루션을 다각도로 검토하고 실행하여야 할 것이다.

이제는 소재개발자, 시스템개발자, 부품설계자들이 각자 일하고 integration하는 단계가 아니라 함께 모여 동시에 고민하고 해결책을 도출해야하는 시대가 되었다는 의미일 것이다.

신시장을 기대하면서 새로운 기술의 도출이 범람하고 있는 현 시점에서 규제와 평가 가이드라인이 기술 시장의 진입 장벽이 아닌 예측프로그램과 정확한 분석을 선행할 수 있는 안내자가 되어야 할 것이다.