1. 서 론

정보 통신 기술(ICT, Information and Communication Technology)의 비약적인 발전으로 현대 사회는 다양한 전자기기와 전자부품에서 방출되는 전자기파(Electromagnetic wave)에 끊임없이 노출되어 있다. 전자기파는 전기장(Electric field)과 자기장(Magnetic field)으로 구성된 파동으로, 전기장의 변화가 자기장의 변화를 유도하고, 다시 자기장의 변화가 전기장의 변화를 일으키는 과정을 반복하며 자유공간을 빛의 속도(c = 3 × 10⁸ m/s)로 전파된다. 이러한 전자기파는 대략 3 kHz에서 3,000 GHz에 이르는 넓은 주파수 대역을 가지며, 주파수에 따라 통신, 센서, 제어 등 다양한 분야에서 활용된다. 최근에는 스마트폰의 다기능화, 사물인터넷(IoT) 및 웨어러블 기기의 확산, 차량의 전장화와 같은 기술 발전으로 인해, 전자기파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)으로 인한 신호 품질 저하 및 전자기기의 오작동 문제가 빈번히 발생하고 있으며, 이로 인해 전자파 차폐재의 중요성이 더욱 커지고 있다.

첨단 전자장비의 안정적인 운용을 위해서는 외부 전자파 교란이나 노이즈 신호와 같은 전자적 공격으로부터의 보호가 필수적이다. 또한, 장비 내부의 다양한 전자소자에서 발생하는 전자기파가 상호 간섭을 일으킬 경우 전자기적 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility)이 저하되어 전자신호의 정밀도와 시스템 안정성이 감소하게 된다. 이러한 문제를 방지하기 위해서는 전자파 차폐 성능이 우수하고 내구성이 뛰어난 소재를 적용하여 핵심 전자부품의 안정적 제어와 보호를 확보할 필요가 있다.

더불어, 국가 주요시설이나 사회기반시설(SOC)의 통제실, 방송국, 이동통신 기지국 등과 같은 공공 인프라에서도 전자파 차폐 기술은 중요한 역할을 담당한다. 이는 외부의 전자파 공격으로 인해 발생할 수 있는 정보 유출이나 제어 시스템 마비 등의 피해를 예방하기 위함이다. 한편, 민간 분야에서도 전자파 차폐 기술의 적용 범위가 확대되고 있다. 예를 들어, 스마트폰의 무선 충전 시스템(100 kHz 수준의 AC 자기장)과 근거리무선통신(NFC, 13.56 MHz) 간의 상호 간섭을 억제하기 위해 차폐재가 적용되고 있으며, 의료시설이나 스마트 빌딩과 같은 민수시설에서도 외부 전자파 노이즈로부터 기기를 보호하기 위해 내구성이 뛰어난 전자파 차폐 소재의 수요가 증가하고 있다. 따라서 전자파 차폐 특성과 기계적 안정성을 동시에 확보할 수 있는 고성능 복합소재의 개발은 군수, 산업, 민수 전반에 걸쳐 필수적인 기술로 자리 잡고 있다^[1]. 일반적으로 도전성 또는 자성 특성을 지닌 소재가 전자파 차폐재로 사용된다.

차폐효과 매개변수(SE, Shielding Effectiveness)는 재료의 차폐효과를 정량화 하는 데 사용된다. 차폐효과의 단위는 dB이며 흔히 30dB이하의 차폐효과는 좋지 않다고 판단되고, 산업용은 30~60dB 정도의 차폐효과를 요구한다.

입사되는 전자파의 차단은 우선 소재의 자유표면이 대기와 이루는 경계면에서의 반사를 통하여 이루어진다. 소재가 대기와 이루는 경계면에서 반사되지 않고 내부로 입사되는 경우, 그 일부는 소재 내부에서 다중반사 또는 흡수를 통하여 차폐되며, 반사와 흡수되지 않은 나머지 부분이 소재를 투과하게 된다^[2-5]. 전자기파가 차폐 물체의 표면에 입사 될 때, 전자기파 차폐의 세 가지 메커니즘이 전달되는 전자기파를 차폐 시킨다. 이를 반사 차폐 ($SE_R$, Shielding Effectiveness Reflection, dB), 흡수 차폐($SE_A$, Shielding Effectiveness Absorption, dB), 다중 반사 차폐($SE_B$, Shielding Effectiveness multiple reflection, dB)라 한다. 아래 식은 전자기파 차폐 효과에 대한 인자를 나타낸 식이다^{[2, 6]}.

위의 식에서 $\sigma$, $\sigma_r$, $f$, $\mu$, $\mu_r$, t는 전기전도도, 상대 전기전도도, 주파수, 투자율, 상대 투자율, 두께를 의미한다. $\delta$의 경우 내부 반사 SE_B의 독립 변수이며, SE_A가 10dB 이상인 경우 SE_B는 무시된다. 이 식으로부터 차폐효율(SE)은 전기전도도 및 투자율이 높고 두께가 증가할수록 향상되는 경향을 보인다. 반면, 주파수가 증가하면 반사 감쇠($SE_R$)는 감소하고 흡수 감쇠($SE_A$)는 증가하는 특성을 나타낸다. 고주파 영역에서는 다중 반사 손실($SE_B$)의 영향이 미미하므로, 반사와 흡수에 의한 손실이 차폐 성능에 지배적으로 작용한다. 따라서 반사, 흡수, 내부 반사에 해당하는 dB 감쇠 값의 총합이 전자파 차폐 효과를 결정한다^[7].

마그네슘 합금 차폐효과에 영향을 미세조직 요인으로는 대표적으로 결정립 크기, 결정립 배향, 합금 원소, 2차 상 4가지가 존재한다. 결정립 크기가 작을수록 결정립계의 밀도가 커져, 전자흐름에 방해를 받게 되고 낮은 전기전도도를 초래하게 된다. 조직 방향성이 균일할수록 높은 차폐효과를 가지게 되는데, 압연공정은 결정의 c축 방향으로 균일하게 배열시킬 수 있으므로 차폐효과에 긍정적인 영향을 주는 공정이라 말할 수 있다. Al과 같은 합금 원소는 마그네슘 합금의 기계적 특성을 개선하는데 널리 사용되지만, 과량의 합금 원소가 첨가됨으로써 α-Mg matrix내에 고용체가 증가하게 되어, 전자 이동 시 산란이 발생하게 된다. 이에 따라 전기전도도가 감소하여 전자파 차폐 효과 감소가 발생한다. 2차상의 수가 증가할수록 계면의 수가 증가하여 전자기파 반사에 유리하며, 이는 2차상과 α-Mg matrix 간의 불연속적인 계면에서 전자기파 산란으로 인한 것으로 알려져 있다. 하지만 합금 원소를 과도하게 첨가하게 되면 2차상 조대화가 일어날 확률이 존재하게 되는데, 이는 전자 이동을 방해하고 전기전도도를 감소시킨다^[8]. 본 연구에서는 2차상의 형성이 전자기파 차폐 효과에 미치는 영향에 대한 분석을 위해 200ºC 시효 열처리를 통해 석출물의 크기와 분율을 조절하였으며, 이를 통해 전자기파 차폐 효과와 미세구조 간의 관계를 분석하였다. 구조용 금속재료 중 가장 낮은 밀도(1.79 g/cm³)를 가지는 마그네슘 합금의 전자기파 차폐 효과 향상을 위해 2차상의 다량 석출과 기지-석출상 간의 계면증가를 통하여 입사되는 전자기파 차폐효율을 극대화하는 방안을 제시하였다. 압연상태의 판재는 높은 변형에너지를 가지며 이로 인한 상대적으로 낮은 성형성을 보인다. 이는 판재를 이용하여 전자부품 보호용 케이스 부품을 성형할 때 성형을 저해하는 요소가 된다. 따라서 압연 판재의 전자기파 차폐 효과 향상과 더불어 성형성 향상을 동시에 얻을 수 있는 공정개발이 필요하다. 압연-용체화 열처리-시효 열처리 공정은 용체화 열처리를 통해 변형에너지 감소와 가공성을 향상한 뒤, 원하는 형상의 부품제작이 용이하게 할 수 있는 방안을 제시하였다. 성형공정 후엔 시효 열처리를 통해 성형된 부품의 강도향상과 전자기파 차폐 효과를 동시에 이루도록 하였다.

본 연구에서는 두께 0.7 mm의 AZ61 합금 판재를 200ºC에서 1h, 35h, 184h, 250h, 300h 시효 열처리를 진행한 뒤 미세조직을 분석하고 전자기 차폐 거동을 연계하여 분석하였다. 이를 바탕으로 우수한 기계적 특성과 함께 높은 전자파 차폐 효과를 가지는 판재를 개발하는 것을 목표로 한다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 상용 마그네슘 합금인 AZ61의 열처리 조건과 이에 따른 미세조직 변화가 전자기파 차폐에 미치는 영향을 분석하였다. AZ61합금을 압연 공정을 통해 0.7 mm 두께로 압연한 뒤 이를 용체화 열처리를 진행하였고, 시효시간을 달리하여 판재 내 석출되는 2상 분율의 변화를 유도하였다. 초기재는 두께 1.2 mm의 압연 판재를 사용하였다(Pinetree Pos Magnesium 사). 초기재를 400ºC 패스당 15% 압하율로 열간 압연을 진행하여 최종두께 0.7 mm 판재를 제작하였다. 각각의 압연패스 사이에는 시편을 400ºC로 10분간 가열을 진행하였다. 압연 판재를 400ºC에서 18시간 동안 용체화 열처리를 한 뒤 200ºC에서 1 h, 35 h, 184 h, 250 h, 300 h 동안 시효 열처리를 진행하였다. 시효 열처리 후 판재는 수냉하여, 냉각과정 중 미세조직의 변화를 최소화하였다 (Fig. 1).

Fig. 1. Equilibrium phase diagram for Mg-6Al-1Zn, calculated using Pandat software

압연 판재의 RD(Rolling direction)-ND(Normal direction) 면에서 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), 후방전자회절 (EBSD, Electron Backscatter Diffraction)을 이용하여 미세조직을 분석하고, 비커스 경도를 측정하였다. X-선 회절 (XRD, X-Ray diffraction), 전자기파 차폐 효과 (SE, Electromagnetic Shielding Effectiveness) 및 전기전도도 분석은 RD(Rolling direction)-TD(Transverse direction) 면에서 수행하였다. 시효 처리된 압연재의 2차상 입자 크기 및 분율을 관찰하기 위해 SEM와 EDX을 사용하였으며, JEOL사의 전계 방출형 주사 전자 현미경(JSM-IT800SHL, FE-SEM)을 사용하였다.

XRD 분석은 시효 시간에 따른 2차상의 형성여부 및 결정립 배향을 확인하기 위해 Rigaku사의 Smartlab 장비(Cu target, 45 kV, 200 mA)를 사용하여 10°<2θ<90° 범위에서 5°/min의 주사 속도로 측정하였다. AZ61판재의 기계적 특성은 판재 두께면(RD-ND 면)에서 비커스 경도(1 kgf, 10초, VMT-X7, Matsuzawa)를 이용하여 측정하였다. 비커스 경도치는 열처리 조건 별 7회 이상 측정한 후, 측정값 중 최대치와 최소치를 제외한 나머지의 평균값으로 나타내었다. 미세조직 관찰을 위해 일정 크기로 절단한 판재 시료를 에폭시에 마운팅 한 뒤 #4000까지 기계연마를 진행하였으며, 최종 연마는 콜로이달 실리카(0.05 μm)를 이용하였다.

전자파 차폐 효과는 Keysight사의 네트워크 분석기(E5071C)를 사용하여 저주파 30 MHz ~ 1.5 GHz, 고주파 1.5 GHz ~ 10 GHz 대역에서 측정하였다. 시료 홀더에 기준 시료를 장착한 뒤 차폐효과를 측정하고, 이 값을 부하시료에 대해 측정치에서 빼 줌으로써 네트워크 분석기와 시료 홀더의 영향을 배제하였다. 기준시료에서 측정된 dB값과 부하시료에서 측정된 dB값의 차를 구해 차폐능을 계산하였다. 전기전도도는 표면에 발생한 산화층을 제거한 후, CMT-SR100N 모델을 사용하여 측정하였다. 시편 5개의 지점에 대하여 표면저항 값을 측정 후 평균을 구하였고, 전기전도도로 환산하여 나타냈다. Fig. 2은 전자기파 차폐 측정을 위한 시료의 형상 및 크기를 나타낸다.

Fig. 2. Specimen for measurement in the 30 MHz ~ 1.5 GHz range and 1.5 GHz ~ 10 GHz range

3. 결과 및 고찰

3.1 시효 처리에 따른 미세조직 변화

Fig. 3은 AZ61 초기재의 광학현미경 미세조직, Fig. 4는 0.7 mm 압연 판재, 1 h 시효 열처리 후 AZ61의 EBSD 미세조직을 나타낸다. 모든 AZ61 시편은 RD-ND 면에서 관찰하였다. 결정립의 방위에 따라 색상이 다르게 표현되었으며, 해당 색상은 ND방향을 기준으로 한 IPF map 결과를 나타낸다.

Fig. 3. Optical microstructure of the Initial AZ61 sheet with the thickness of 1.2mm, provided by Pinetree PosMagnesium (PPM)

Fig. 4. EBSD inverse pole figure (IPF) map and kernel average misorientation (KAM) map of the AZ61 sheet rolled to the thickness of 0.7mm: (a) and (b) As-rolled sheet, (c) and (d) Aged sheet at 200°C for 1h. The IPF color legend refers to the sheet normal direction (ND).

As-rolled와 aged 1h의 IPF map을 통해 대부분 결정립의 방위가 [0001]//ND (Z) 방향으로 배열되어 있음을 알 수 있다. Fig. 3 AZ61의 초기재의 특성은 쌍정과 Deformation Band가 보이지 않으며, 결정립 크기는 20~30μm 결정립을 가지는 것을 알 수 있다. Fig. 4 (a)~(d)는 IPF(Inverse pole figure) 맵과 KAM(Kernel Average Misorientation)을 통해 결정립 방위와 변형 조직의 형성을 나타낸다. KAM은 결정립 내부의 국부적인 방위변화를 나타내는 값으로 GND밀도와 국부변형 정도를 나타낸다. As-rolled의 특정 결정립이 조대화가 발생했음을 알 수 있는데, 이는 400ºC 열간압연 과정에서 시편 가열 도중 특정 결정립이 비정상 결정립(200~300 μm) 성장이 일어난 것으로 판단된다. 또한 Fig. 4 (a)의 미세한 결정립들은 압연 공정 중 동적재결정(DRX, dynamic recrystallization)이 발생함을 나타낸다. 상대적으로 높은 압연온도(400ºC)에서 낮은 패스당 압하율(15%)로 압연을 수행하여, 압연 및 중간 어닐링 과정에서 동정재결정과 결정립 성장이 발생하면서 압연 판재내 변형에너지가 낮은 것으로 보인다.

KAM map에서 미소한 DRX 결정립에 misorientation 정도가 높은 것을 알 수 있으며, 이를 통해 미소결정립은 연속 동적재결정(continuous DRX) 기구로 형성되었음을 알 수 있다. Fig. 4 (c) (d) 그림은 1h 시효 처리한 시편의 IPF, KAM image를 나타낸다. IPF map을 통해 재결정이 일어난 것을 알 수 있고, deformation energy의 밀도가 낮아진 것을 보아 변형조직이 거의 사라졌음을 알 수 있다^[12].

각 시료내 형성된 2차상에 대해 XRD, SEM, EDX를 이용해 분석하였다. Fig. 5는 압연 상태의 판재와 시효 조건에 따른 AZ61의 XRD 분석 결과를 보여준다. XRD분석은 AZ61 판재의 RD-TD 면에서 관찰하였다.

Fig. 5. XRD pattern of AZ61 alloy in the as-rolled and after aging at 200ºC for 1 h, 35 h, 184 h, 250 h and 300 h

XRD 분석 결과, 주요 회절 피크는 육방정계 조밀 구조(HCP)를 갖는 α-Mg 상으로 확인되었으며, 이 중 (0002) 회절 피크가 가장 큰 강도를 보였다. 판재의 압연면에 결정립의 (0001)면이 배열된 경향이 강한 형태를 보이며, 이러한 기저면형 집합조직의 형성은 기존의 상용 마그네슘 합금에 대한 연구에서도 많이 보도되었다. 이는 EBSD 측정 결과 중 한 가지인 IPF map과 일치하는 결과이다. Fig. 4 (a) (c)는 판재 ND방향 IPF를 기준으로 결정립의 방위를 나타내고 있으며, 대부분의 결정립이 [0001] 방향의 배열을 가지는 강한 기저면형 집합조직이 형성되었음을 알 수 있다.

모든 시험편에서 2θ = 31° 부근에서 관찰되는 매우 약한 회절 피크는 Cu Target에서 발생하는 K_β-선에 의해 (0001)면이 중복되어 나타나는 추가적인 회절 피크이다. 35h 시편부터 Mg₁₇Al₁₂ 회절 피크가 나타나고 시효시간 증가와 함께 회절피크의 강도는 증가하며, 이는 Fig. 6의 BSE 미세조직과 일치하는 결과를 보여준다^[9].

Fig. 6. BSE images of 200ºC Aging heat treatment AZ61 (a) Aged 35h (b) Aged 184h (c) Aged 250h (d) Aged 300h

다만 250 h와 300 h 시편의 Mg₁₇Al₁₂ 회절피크의 강도가 유사하며, 이는 250 h, 300 h에서 석출물의 양이 증가하지 않고 석출물의 크기가 커져 제 2상의 분율이 크게 변화하지 않았음을 보인다.

Fig. 6는 35 h, 184 h, 250 h, 300 h 시효 처리한 시편의 SEM 후방전자 이미지를 나타낸다. 모든 시효 시편들은 RD-ND 면에서 측정하였다. SEM은 BSE 이미지를 사용하였으며, RD-ND 방향의 면을 관찰하였다. 시효 조건에 따른 시편의 미세구조 Image는 다음과 같다.

Fig. 6에서 35 h, 184 h, 250 h, 300 h 시편에서 보이는 미세한 상들은 Mg_xAl_y (x:y = 84.68: 11.18 wt%) 상, 밝은 석출물은 Al_xMn_y (x:y = 10.59: 3.17 wt%) 상으로 나타났다. Al_xMn_y상은 열적 안정성이 높아 초정상으로 존재하며 시효처리 중 그 크기나 분율에 큰 변화를 보이지 않는다. 35 h부터 결정립계와 특정 결정립 내에 2차상이 석출되기 시작하였으며, 184 h부터 2차상이 결정립 내에 층상구조(Lamellar structure)로 배열되어 있음을 알 수 있다^{[10, 11]}. 시효 시간에 따라 2차상의 양이 증가함을 알 수 있으며, Aged-300h 시편부터 특정 결정립 내에 과시효된 석출물이 나타난다. AZ61 합금의 시효 열처리 과정에서는 결정립 내부에서 발생하는 연속 석출(CP)이 시효 초기 및 중기 단계에서 지배적으로 나타나며, 이 단계에서는 미세한 β- Mg₁₇Al₁₂계열 석출물이 균일하게 분포한다. 반면, 장시간 시효 조건에서는 입계를 따라 진행되는 불연속 석출(DP)이 우세해지며, 조대한 β-Mg₁₇Al₁₂ 석출물이 층상 구조로 형성된다^[13].

3.2 시효 처리에 따른 기계적 특성 변화

Fig. 7는 시효 조건에 따른 비커스 경도를 나타낸 그래프이다. 비커스 경도 값은 총 7회 측정하여 최대값과 최소값을 제외한 나머지 5회값의 평균을 나타내었다.

Fig. 7. Vickers hardness of AZ61 alloy at the as-rolled condition and after aging at 200ºC for 1 h, 35 h, 184 h, 250 h and 300 h

초기에 열간 압연을 통해 변형이 된 As-Rolled 시편이 64.36 Hv로 높은 경도 값을 나타냈다. 이는 압연 과정에서 전위 밀도가 증가해서 경도가 증가하였다. 이후 용체화 열처리후에 1 h 시효 처리된 시편이 장 낮은 경도 값을 나타냈는데, 이는 용체화 열처리를 통한 재결정화에 의해 변형 조직이 제거되고 전위 밀도가 낮아져 가장 낮은 경도 값 54.04 Hv를 나타내었다. As-Rolled 시편과 1 h 시효 처리한 시편의 변형조직의 변화는 Fig. 4의 KAM map의 변형에너지 변화를 통해서도 확인할 수 있다.

Aged 35h부터 경도가 높아지는 경향을 통해 2차상의 석출이 시작되는 것을 알 수 있다. 이 후 35h부터 250h까지 시효 열처리 시간의 증가와 함께 경도가 증가하는 경향을 나타낸다. 이는 금속기지에 석출하는 2차상의 밀도 증가로 인한 경화효과로 사료된다^[14]. 시효처리 시간의 증가와 함께 기지에 비해 경한 특성을 가지는 2차상의 밀도와 부피분율의 증가로 인해, 경도측정시 압입자와 접촉하는 2차상의 면적이 증가하는 결과이다. Aged 300h 시편에서 경도가 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 시효 시간에 따른 2차상의 성장과 함께 상대적으로 밀도가 감소하는 결과라 할 수 있다. 석출물의 밀도가 높을수록 경도가 높아지는데. 석출물의 과도한 성장으로 인한 밀도감소가 발생하게 되면, 300h 시편에서 나타나는 경도치 감소가 발생한다.

3.3 시효 처리에 따른 전자파 차폐 효과 분석

Fig. 8은 입사 전자기파 주파수 30 MHz ~ 1.5GHz 저주파 영역과 1.5 GHz ~ 10 GHz 고주파 영역에서의 시효 시간에 따른 AZ61의 전자기파 차폐 효과를 나타낸다.

Fig. 8. (a) Total electromagnetic shielding effectiveness at 30 MHz to 10 GHz range (b) electromagnetic shielding effectiveness of as-rolled AZ61 and AZ61 aged at 200ºC for 1h, 35h, 184h, 250h and 300h in the 5 GHz to 9 GHz range

저주파 영역에서 1 GHz까지 거의 모든 조건의 시편들이 80 dB정도로 유사한 차폐 효과를 나타낸다. 그 중 As-Rolled 시편의 전자파 차폐효과가 가장 높게 나타났는데, 이는 KAM Image에서 보이듯 압연 후 나타난 변형 에너지가 발생함으로써 전위 밀도가 증가하여 차폐 효과가 증가했음을 나타낸다^[15].

1.5 GHz 인근의 주파수대역에서 전자기파 차폐 효과는 불연속적인 감소를 보이며, 이러한 차폐능의 불연속성은 저주파역(1.5GHz 이하)과 고주파역(1.5 GHz 이상)에 대해 따로 측정하였기 때문이다. 각 주파수역에 대한 측정 전 네트워크 분석기의 보정(Calibration)을 각각 수행하므로 1.5 GHz에서는 측정치의 불연속성이 나타난다. 또한 고주파 영역에서는 저주파에 비해 10 dB 낮은 전자파 차폐 효과를 나타내는데, 관련 식으로부터 주파수가 증가함에 따라 전자기파 차폐 효과가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 250 h, 300 h 시효처리한 시편이 약 75 dB 정도로 가장 높게 나타났다. 이는 시효시간이 길어질수록 기지에서 2차상이 석출되어 격자 변형을 감소시키며 전기전도도를 증가시킨다. 또한 2차상이 많을수록 전위와 같이 전자파 흡수의 장애물 역할을 하여 전자기파 차폐 효과를 향상시킨다. 이에 따라 35 h, 80 h, 184 h 시편에 비해 높은 전자파 차폐율을 나타낸다.

1 h 시효 처리된 시편이 63 dB정도로 가장 낮은 전자파 차폐 효과를 나타내는데, 이는 용체화 열처리로 인한 2차상 및 전위가 존재하지 않기 때문에 전자파 반사의 장애물 역할이 없어, 가장 낮은 값을 나타내었다. 또한 비커스 경도 데이터에서 250 h가 가장 높은 경도를 나타내었고, 그 이후인 300 h에서 감소하는 경향을 볼 수 있는데, 184 h 및 250 h 시효 조건의 시편은 미세한 CP가 지배적으로 형성되어 가장 우수한 전자기파 차폐 성능을 나타내지만, 과시효 조건인 300 h 시편에서는 DP의 형성과 조대화가 증가하여 전자파 산란 장애물의 밀도가 감소하여 250 h 시편에 비해 차폐 효과가 낮아진다. 이에 따라 미세한 석출물이 많이 발생한 250 h 시편에서 미세하게 전자파 차폐 효과가 우수하다는 것을 알 수 있다. As-Rolled 시편의 경우에는 250 h, 300 h 이후로 높은 전자파 차폐효과를 나타내었는데, 이는 압연 후 발생한 변형 조직에 의해 전위 밀도가 높아, 전자파 흡수에 대한 장애물로써 작용했기에 비교적 높은 전자파 차폐율을 나타냈다. 9 GHz 이후로 높은 주파수 영역으로 진행됨에 따라, 모든 시편이 동일하게 전자파 차폐능이 떨어지는 것을 알 수 있다 (Fig. 10).

전자파 차폐 효과의 대표적인 변수인 전기 전도도를 시효 조건에 따라 측정하였다. 전기 전도도의 경우에는 AZ61합금이 순수 Mg보다 낮은 전기전도도를 가지는데, 이는 AZ61이 순수 Mg보다 합금원소인 Al, Zn가 첨가되어 원자 크기 차이가 발생해, 전자가 이동할 때의 산란이 증가하여 전기전도도가 낮아진다.

격자가 불안정하고 산란이 많아질수록 전자의 이동도가 낮아지고, 전기전도도가 떨어지게 된다.

As-Rolled 같은 경우에는, 압연 과정에서 전위 및 변형 정도가 높아져 Al, Zn등의 원소가 전위 주위에 국부 농축을 형성하게 된다. 이에 따라 균일 고용 상태보다 전자의 이동경로에 장애물이 없어, 전기 전도도가 높게 나온 거라 판단된다. 또한 금속의 결정구조에 따라 전자 이동이 용이한 면이 존재하는데 마그네슘은 HCP 결정구조를 가지며, (0001) 기저면으로 배열 시 전자 이동도가 가장 우수하다. 마그네슘은 슬립계가 다른 금속에 비해 적어, 압연공정을 진행함에 따라 c축 방향으로 정렬하게 되는데 이에 따라 전기전도도가 높아지게 된다.

이후 1 h 시효처리 시편은 급격히 전기전도도가 떨어지게 된다. 이는 용체화 열처리 후에는 Al, Zn 등의 원소가 Mg matrix에 균일하게 고용되기 때문에 격자 왜곡이 발생하여 산란이 증가하게 되어, 전기전도도가 감소하게 된다. 또한 새로운 결정립들이 성장하면서 texture intensity가 감소하기 때문이라 판단된다.

Fig. 9. Electrical conductivity of AZ61 alloy in the as-rolled and after aging at 200ºC for 1 h, 35 h, 184 h, 250 h and 300 h

Fig. 10. Reflection mechanisms between incident electromagnetic waves and the microstructure of metals

35 h 시효처리 시편의 경우, 시간이 지남에 따라 일부 2차상 석출에 의해 전자 이동을 방해하던 원자들이 기지 밖으로 빠져나와 기지 내에 격자왜곡을 완화시키게 되어 전기전도도가 다시 증가하는 경향을 나타낸다. 하지만 184 h부터 2차상이 미세 균일하게 분포하게 됨으로써, 석출상 계면이 커지고 계면에서 전자 산란에 의해 전기전도도가 다시 떨어지게 된다. 250 h, 300 h 시효 처리된 시편의 경우 시간이 지남에 따라 석출상이 성장되어 계면의 밀도가 줄어들어 전자 산란이 줄어들기 때문에 전기전도도가 다시 증가한다. 전자파 차폐 결과에서 250 h가 가장 높게 나오는데, 이는 전기전도도가 우수한 300 h보다 미세한 2차상이 많은 250 h가 더 높게 나왔다. 즉, 전기전도도가 높은 변수보다 2차상의 미세하게 많이 존재할수록 전자파 차폐의 장애물의 역할로 수행하여 전자파 차폐가 높게 된다는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 AZ61 1.2 mm 초기재를 400ºC 열간압연 후, 200ºC로 1 h, 35 h, 184 h, 250 h, 300 h 시효 열처리를 진행하였다. 위 조건 별 미세조직 변화, 기계적 특성, 전기적 특성, 전자기파 차폐 성능을 분석하였다. 이를 통해 시효 시간에 따른 미세구조, 전기 전도도 변화와 전자기파 차폐 특성을 비교하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

열간 압연을 진행한 as-rolled AZ61은 KAM image를 통해 변형 조직이 나타났음을 알 수 있고, 용체화 열처리 이후 1h 시효처리한 시편에서는 재결정에 의해 변형조직이 거의 사라짐을 나타낸다. 시효 조건 별 AZ61의 결정립 크기 차이가 나타나지 않았으며, 35h 이후 2차상 Mg_xAl_y가 석출되기 시작하였다. As-rolled 조건이 가장 높은 기계적 특성을 나타냈으며, 이는 압연 공정 중에 형성된 금속 내부의 전위, 결함에 의해 높은 경도를 가진다. 용체화 이후 경도는 감소하였으며, 2차상 Mg_xAl_y이 존재하는 250h 조건에서 경도가 가장 높게 나타났다.

저주파 영역 (30 MHz ~ 1.5 GHz)에서 as-rolled 상태의 AZ61은 내부에 존재하는 전위와 변형에너지로 인해 입사된 전자파를 효과적으로 산란시켜 가장 뛰어난 전자파 차폐 효과를 나타낸다. 이러한 결과는 금속의 전기전도도에 의해 전자파 차폐 효과뿐만 아니라, 미세조직적 요인인 결함, 전위 등의 영향이 크게 작용함을 보여준다.

고주파 영역 (1.5 GHz ~ 10 GHz)에서 250 h, 300 h 시효 열처리된 AZ61은 2차상 Mg_xAl_y 석출에 의해 상의 계면 증가로, 입사된 전자파 반사가 증가하게 되어 우수한 전자파 차폐능을 보인다.

본 연구결과를 통해 AZ61 합금의 전자기파 차폐 효과는 전기전도도 인자에 의해서만 결정되지 않으며, 미세조직 내 전위 밀도, 2차상 분포, 결정립계와 같은 미세구조적 요인이 복합적으로 작용함을 확인하였다. 따라서 최적의 시효 조건인 250h 시편과 As-rolled 시편은 전도성과 산란 효과 균형을 이루어 경량 금속으로서 우수한 전자기파 차폐 소재로 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.