1. 서 론
정보 통신 기술 (ICT, Information and Communication Technology)의 급속한 발달과 함께 우리는 수많은 전자 부품, 전자기기로부터 발생되는 전파 혹은 전자파 환경 속에서 살고 있다. 전파 혹은 전자파는 전자기파 (Electromagnetic wave)이며, 이는 전기장과 자기장의 두가지 성분으로 구성된 파동으로 전기장의 세기 변화가 자기장의 변화를, 자기장의 변화가 전기장의 변화를 유발하며 이를 반복하면서 자유공간에서 빛의 속도 c = 3 × 108 m/s로 퍼져 나간다[1]. 무선통신에 사용되는 전자기파의 주파수 범위는 대략 3 kHz ~ 3,000 GHz로 매우 넓고 주파수에 따라 사용되는 용도도 매우 다양하다. 컴퓨터나 휴대 전화 등 전자기기로부터 발생되는 전자기파의 세기는 인체에 거의 영향이 없는 것으로 알려지고 있으나 장기간 노출에 의한 전자기파 유해성에 대한 연구 결과도 지속적으로 보고되고 있어 전자파에 둘러싸인 환경을 안전하다고 볼 수 없다. 인체 유해성에 대한 논의에 더해 전자파와 연관된 주요이슈로 IT 기기 및 자동차 전자기기에서의 전자기파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)에 의한 전자기기의 오작동 및 신호 품질 저하 등이 있다[1]. 최근 스마트폰의 다기능화, 웨어러블, 사물인터넷, 자동차의 전장화 시장의 성장은 전자파 차폐재에 대한 수요를 크게 증가시키고 있다.
전자파의 차단은 크게 반사와 흡수의 개념으로서 구분된다[2]. 반사는 입사되는 전자파를 대기와 차폐재의 계면에서 입사되는 전자파가 반사되는 것을 말하며 흡수는 전자파 흡수체 내부로 들어온 전자기파를 열에너지로 변화시키거나 다른 에너지로 변환시켜 감소를 유도하는 방법이다[3-5]. 아래 식은 전자파 차폐 효과에 대한 인자를 나타낸 식이다. SER은 반사에 의한 감쇄(dB), SEA는 흡수에 의한 감쇄(dB), SEB는 차폐재의 내부반사(dB)이며 아래와 같이 표현된다[2,6].
위의 식에서 σ 전기전도도, σr상대 전기전도도, f 주파수, μ 투자율을 의미한다. 의 경우 내부반사 SEB의 독립 변수이며, SEA가 10dB 이상인 경우 SEB는 무시된다. 차폐효율은 두께가 두껍고, 전기 전도도와 투자율이 높을수록 크다는 것을 알 수 있다. 반사, 흡수, 내부 반사 dB값을 모두 더한 값이 전자파 차폐능이 된다[7].
알루미늄, 구리, 은 등의 금속의 경우, 전자파 차폐의 대부분은 반사에 의한 감쇄이다. 금속은 일반적으로 전기전도도가 우수하고 전자파가 표면에 입사하여 금속의 내부에서 흡수되는 침투거리가 짧은 특징이 있다. 따라서 입사된 전자기파가 침투거리 이상을 진행할 경우 금속 내에서 효과적으로 흡수되었다고 할 수 있지만 전기전도도가 큰 금속은 침투거리가 짧기 때문에 반사에 의한 차폐제로서 효과적으로 사용되고 있다[1]. AZ31 마그네슘 합금은 구조용 금속 중 가장 낮은 밀도(1.78 g/cm3)를 가지며, 높은 비강도, 우수한 진동 감쇠 특성과 더불어 뛰어난 전기전도도 및 전자기파 차폐능을 갖춘 것으로 알려져 있다. 그러나 현재까지 마그네슘 합금의 전자기파 차폐 특성에 대한 연구는 주로 주조재 및 압출재에 초점이 맞춰져 있으며, 수송기기 및 통신장비의 경량화 케이스 재료로의 응용을 위해서는 압연판재의 차폐능에 대한 심도 있는 연구가 필요하다.
이에 따라 AZ31 압연판재의 전자파 차폐 효과를 분석하였고, Al5052, Cu와 비교 분석을 진행하였다.
본 연구에서는 두께 1 mm의 AZ31, Al5052, Cu 판재와, 이를 열처리한 뒤 (AZ31 380°C × 1 h, Al5052 450°C × 1 h, Cu 400°C × 1 h) 미세조직을 분석하고, 미세조직과 전자기 차폐 거동을 연계하여 분석하였으며, 이를 바탕으로 높은 전자파 차폐 효과와 기계적 특성을 동시에 가지는 우수한 판재를 제시하고자 한다.
2. 실험 방법
본 연구에서는 AZ31, Al5052, Cu의 1 mm 두께 압연재를 사용하여 열처리에 따른 전자파 차폐 특성을 분석하였다. 각 합금별 재결정 및 결정립성장 거동을 고려해 판재별 다른 온도(AZ31: 380°C, Al5052: 450°C, Cu: 400°C)에서 1시간 유지 후 상온까지 노냉하였다. 모든 판재의 경우 5 % 나이탈 용액을 사용하여 초음파 세척을 통해 산세 처리를 진행한 후, 산화층 제거한 뒤 전자파 차폐측정을 진행하였다.
압연판재와 열처리한 판재의 RD(rolling direction)-ND(normal direction)면에서 Scanning Electron Microscope (SEM), Electron Backscatter Diffraction(EBSD), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy(EDX), Vickers 경도를 측정하였고, X-ray Diffraction(XRD) 분석은 RD(rolling direction)-TD(transverse direction)면에서 수행하였다. 금속 압연재의 2차상 입자 크기 및 분율을 관찰하기 위해 XRD와 SEM을 사용하여 분석하였다. XRD 분석은 열처리에 따른 2차상의 형성여부를 확인하기 위해 Rigaku사의 mini Flex 장비(Cu Target, 40 kV 15 mA)를 사용하여, 10° < 2θ < 80° 범위에서 15o/min의 주사 속도로 측정하였다.
비커스 경도(VMT-X7, Matsuzawa)는 1 kgf의 하중을 10초동안 부가하는 조건으로 측정하였으며, 10 mm × 1 mm 크기로 가공된 시편의 RD-ND면 중심부에서 총 7개의 지점을 측정하였다. 최소값과 최대값을 제외한 5개의 평균값을 계산하여 최종 경도값을 나타내었다.
미세조직 관찰 및 성분 분석을 위해 시편은 #4000까지 연마지를 사용하여 그라인딩을 진행한 후 미세연마 하였으며, 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM, JSM-IT700HR)과 후방 산란 전자 회절(EBSD)를 이용하였다.
전자파 차폐 효율은 Keysight사의 네트워크 분석기(E5071C)를 사용하여 30 MHz ~ 1.5 GHz대역에서 측정하였다. 우선 기기의 보정을 위해 Specimen holder의 특성 임피던스를 측정하여 50±0.5 Ω 여부를 확인하고, 기준시료와 부하시료의 차폐능을 차례로 측정하였다. 기준시료에서 측정된 dB값과 부하시료에서 측정된 dB값의 차를 구해 차폐능을 계산하였다. 그림 1은 전자파 차폐 효과 측정을 위한 기준시료와 부하시료의 형상 및 크기를 나타낸다.
3. 결과 및 고찰
3.1 열처리에 따른 미세조직 변화
그림 2은 AZ31, Al5052, Cu 압연판재의 열처리 전후 RD-ND면에서 EBSD를 이용해 측정한 미세조직을 나타낸다. 각 결정립의 방위에 따라 다른 색으로 표현되며, 이러한 방위별 결정립의 색은 ND방향 역극점도에 대해 표현하였다. 그림 2 (d)의 열처리한 Al5052의 미세조직에서 타원으로 표기된 결정립들은 내부분할(Internal partitioning)된 형상을 보이며, 이는 결정립내 석출물로 인한 국부적방위변화에 기인한다. Al5052와 Cu는 열처리로 인해 상당한 결정립 조대화(200~300 μm)가 발생한 반면, AZ31은 결정립 크기(20~30 μm)의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 이는 AZ31 내부에 분포한 다수의 미세한 2차상으로 인해 열처리 중 결정립계의 이동을 막는 피닝(Pinning) 효과로 인해 결정립 성장이 억제된 결과이다. 그림 2 (a), (c), (e)의 원으로 표기된 결정립과 같이 열처리전 모든 시료에서 결정립내 방위변화를 보이며, 이는 모든 시료가 변형된 상태임을 나타낸다. 이러한 재료의 변형된 미세조직은 열처리 후 재결정 미세조직을 형성하며 변형에너지는 제거된다(그림 2 (b), (d), (f)).
각 시료내 형성된 2차상에 대해 XRD, SEM, EDX를 이용해 분석하였다. 그림 3은 압연상태 및 열처리된 판재의 XRD 분석 결과를 보여준다. 압연상태 AZ31 판재는 마그네슘에 해당하는 회절피크만을 나타내지만, 380°C에서 1시간 열처리한 경우 Mg17Al12에 해당하는 회절피크가 관찰된다[8]. 열처리온도인 380°C는 해당조성에 대해 Al은 고용된 상태로 존재하며, 따라서 열처리 후 노냉과정에서 Mg17Al12상이 형성된 것으로 보인다.
또한 (0002) 회절피크가 가장 큰 강도를 보이며, (0001) 기저면이 압연면과 평행하게 배열된 형태의 집합조직을 가지고 있음을 알 수 있다. 이는 거의 모든 결정립의 [0001] 축이 ND방향으로 배열된 형태의 강한 집합조직을 형성한 그림 2(a)의 EBSD 미세조직 결과와 일치한다. 압연상태의 Al5052는 Al6Fe와 Al4SiFe 회절피크를 나타내며, 450°C에서 1시간 열처리 후 Al6Fe만 관찰되었다[9,10]. 즉 열처리로 인해 Al4SiFe의 Si와 Fe는 고용되고 그 중 일부는 Al6Fe상을 형성하거나 기존의 Al6Fe상의 성장에 기여했음을 알 수 있다(그림 3(b)). Cu는 압연상태와 400°C에서 1시간 노냉 처리 후 회절피크별 강도비가 같으며, 이는 Cu가 압연과 열처리 후 비슷한 집합조직을 형성하고 있음을 나타낸다(그림 3(c)).
그림 4는 AZ31, Al5052, Cu의 SEM 후방전자 이미지를 나타낸다. SEM 미세조직과 EDX 분석결과는 XRD회절에서 측정된 2차상을 보이며, 열처리 전후 2차상의 크기와 분율에는 큰 변화를 보이지 않는다.
AZ31의 경우 밝게 보이는 AlxMny상을 확인할 수 있으나, XRD 회절패턴에서 나타났던 Mg17Al12상은 관찰되지 않았다. 이는 Mg17Al12상이 SEM 이미지에 관찰하기 어려운 정도로 매우 미세한 상태로 존재하였기 때문이다.
Al5052에서는 밝은 석출물이 AlxFey(x:y = 81.79 at%:16.54 at% in atomic fraction)상, 검은색 석출물이 AlxSiy (x:y = 42.2 at%:16.06 at% in atomic fraction)상으로 나타났으며, 이는 XRD 분석 결과에서 관찰된 Al6Fe상과 거의 일치한다[11,12].
Cu에서 보여지는 Cu-Si상은 고온 압연 판재 제조 및 정련과정에서 불가피하게 첨가되는 Si에 의한 것으로 판단된다[13].
3.2 열처리에 따른 기계적 특성 변화
As-rolled 상태에서 AZ31(195.9 MPa), Al5052(208.5 MPa), Cu(242.7 MPa)의 강도를 보이며, 이를 각 금속의 밀도(AZ31: 1.78 g/cm3, Al5052: 2.68 g/cm3, Cu: 8.96 g/cm3)로 나눈 값인 비강도를 그림 5 (b)와 표 1에 나타냈다. 구조용 금속재료 중 가장 낮은 밀도를 가지는 마그네슘 합금인 AZ31의 비강도가 다른 금속에 비해 높은 값을 보였다.
열처리 후 모든 판재에서 강도 감소를 나타내며, 가장 작은 결정립도를 가지는 AZ31은 강도 및 비강도에서 월등히 높은 값을 보인다. 이는 열처리를 통한 내부 결함(결정립계, 전위, 미세 균열 등)이 제거로 인한 강도감소에 더해, Al5052와 Cu의 경우 결정립 조대화로 인한 심한 강도감소의 결과라 할 수 있다.
3.3 저주파 영역 전자파 차페 효율
그림 6 (a)는 입사전자기파 주파수 30 MHz ~ 1.5 GHz 영역에서 압연상태와 열처리 후 AZ31, Al5052, Cu의 전자파 차폐 효율을 나타낸다. 측정시 인가한 전자기파의 주파수는 30 MHz ~ 1.5 GHz이나, 대부분의 전자기기가 작동하는 900 MHz 이상에 대한 금속별 전자기파 차폐능을 분석한 그래프를 Fig 6(b)와 6(c)에 나타냈다. 압연 상태에서 AZ31과 Cu 판재는 주파수 변화에 대해 약 85 dB의 높은 차폐능을 보인다. 반면에 Al5052는 약 80 dB의 상대적으로 낮은 차폐율을 보이고 1.2 GHz 부근에서 최저값을 나타낸 뒤 차폐능이 증가하여 1.4 GHz에서 AZ31 및 Cu 판재에 상응하는 차폐능을 나타낸다.
열처리한 시료의 경우 압연상태에 비해 낮은 전자파 차폐능을 나타낸다. Cu판재의 경우 열처리 후 900 MHz ~ 1.4 GHz의 입사전자파 주파수역에서 가장 심한 차폐능의 감소를 보인다. 이와 달리 AZ31는 약 75 ~ 80 dB의 값으로 Al5052, Cu에 비해 약 10 dB 정도 우수한 차폐성능을 보였다. 즉 AZ31판재는 열처리 전후 우수한 전자파 차폐능을 나타냄을 알 수 있다[14,15].
이러한 열처리에 따른 전자파 차폐능의 변화는 입사하는 전자파와 금속 매질 간의 상호작용과 관련 있다. 그림 7는 입사 전자기파가 금속 표면에 도달할 때 대기-금속표면간 경계면에서 발생하는 반사 및 내부로 투과된 전자기파의 흡수 및 산란과정을 도식적으로 나타낸 것이다. 대부분의 전자기파는 금속표면에서 반사될 것으로 보이며, 이는 금속내 존재하는 결정립계, 전위, 석출물에 의해 산란되는 현상 때문이다. 일부 내부로 들어가는 전자기파는 흡수된다. 흡수된 전자파의 에너지는 격자진동을 유발하며 열 에너지 형태로 방출된다. 본 연구결과에서 보이듯, 열처리에 따른 전자파 차폐능의 변화는 이러한 미세조직인자의 변화에 따른 결과라 할 수 있다.
미소한 결정립을 가지는 경우 결정립계로 인한 전자기파의 산란정도가 심해진다. 압연상태의 판재는 AZ31가 Al5052 및 Cu에 비해 결정립 크기가 더 작고, 그림 2에서 EBSD패턴 인덱싱 정도가 상대적으로 낮은 것을 통해 변형에너지, 전위 및 결함의 양이 많음을 알 수 있다. 결정립의 크기와 결함 구조의 관점에서 AZ31는 결정립계, 결함에서 산란 효과가 활발히 일어나 전기전도도가 구리에 비해 낮음에도 전자파 차폐 효과가 높은 것을 알 수 있다.
열처리 후 미세구조를 분석한 결과, Al5052, Cu의 결정립 조대화가 뚜렷한 반면, AZ31은 내부에 분포한 다수의 미세한 2차상에 의한 결정립계 피닝효과로 인해 결정립 성장이 억제됨을 알 수 있다. 이에 따라 AZ31가 Al5052, Cu에 비해 결정립계가 작아서 산란효과가 활발히 일어나 우수한 전자파 차폐능을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 열처리 전후 AZ31 판재의 SEM 미세조직에서 보여지는 미세한 AlxMny상은 효율적인 결정립계 피닝효과를 가지며, 이는 XRD회절패턴에서 확인된 Mg17Al12상과 더불어 전자기파 산란점으로 작용했을 것으로 보인다. Al5052의 경우 열처리 후에도 팬케이크 형상의 결정립을 보이며, 판재의 ND방향으로 입사하는 전자기파의 경우 결정립계와 반응하는 횟수가 상대적으로 높다. 따라서 등축정의 결정립을 가지는 Cu보다 전자기파 산란이 효율적으로 발생된다고 볼 수 있다. 열처리 후 모든 금속에서 전자파 차폐 효과가 감소한 것은 압연상태에서 존재하던 전위, 격자뒤틀림 등 결함제거로 인해 전자기파 산란이 줄어들었기 때문이다.
본 연구결과는 AZ31, Al5052, Cu 판재의 결정립크기, 결함밀도, 이차상 등 미세조직요인을 통해 전자기파 차폐능의 변화를 가져올 수 있음을 보이며, AZ31는 Al5052와 Cu에 비해 높은 전자파 차폐 효과를 나타냄을 알 수 있다. 또한 전기전도도가 높은 금속이 전자파 차폐 효율이 높다는 기존의 전자파 차폐능에 대한 기구로는 설명하기 어려운, Cu가 AZ31 판재보다 낮은 전자파 차폐 효과를 나타내는 원인을 미세조직인자를 통해 설명할 수 있었다. 즉 재료의 고유특성인 전기전도도에 더해 미세조직 인자의 조절을 통해 전자기파 차폐능의 최적화를 이룰 수 있음을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 AZ31, Al5052, Cu 압연판재를 열처리한 후 기계적 특성, 미세조직 변화, 전자기파 차폐 성능을 분석하였다. 이를 통해 각 금속의 열처리 전 후에 따른 미세 구조 변화와 차폐 특성을 비교하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다. 열처리한 AZ31는 미세한 AlxMny상에 의해 결정립 성장이 억제된 반면에 Al5052와 Cu 판재는 심한 결정립 조대화가 나타난다. 또한 AZ31는 열처리 전후 다른 금속에 비해 높은 비강도를 보이며, 열처리 후엔 미소한 결정립으로 인해 Al5052와 Cu판재에 비해 높은 강도를 나타낸다.
AZ31는 미세한 결정립과 금속 내부의 전위로 인해 입사된 전자파를 효율적으로 산란하여 우수한 전자파 차폐능을 보이며, 이는 금속의 전기전도도에 따른 전자파 차폐능에 더해 미세조직적 요인인 결함, 결정립계 등의 영향이 크게 작용함을 보여준다. 본 연구결과를 통해 전자파 차폐성능을 극대화를 위해 전위와 결함의 증가, 결정립 미세화 및 2차상 증가가 필요함을 알 수 있다.
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