Special 첨단 모빌리티용 융복합 소재기술 및 산업응용 동향(2)

밀리미터파 전자파 차폐/흡수소재 연구개발 동향

박병진_한국재료연구원 복합재료연구본부 선임연구원

1. 밀리미터파 전자파 차폐/흡수소재 개요

(1) 개요

그림 1. 다양한 전자파 대역의 파장 – 주파수 관계

밀리미터파 대역이란 주파수가 30~300 GHz 사이인 전자파 대역을 의미하며, 이 대역의 전자파는 진공에서 그 파장이 10mm에서 1mm 사이가 되기에 밀리미터파라는 이름이 붙게 되었다. 다만 일반적으로 통용되는 밀리미터파 대역의 대응 주파수는 5G SA(Stand Alone) 통신 대역인 26~28 GHz를 포함하는 20~100 GHz 가량으로, 이보다 더 주파수가 높은 100~300 GHz 대역은 Sub-THz라는 용어가 통상적으로 활용되고 있다.

  밀리미터파 대역은 높은 주파수를 활용하여 많은 양의 데이터를 동시에 전송하는 것이 가능하기에 차세대 통신에 활용될 수 있을 것으로 각광받고 있으며, 2020년 대한민국에서 최초로 상용화된 5G SA 대역을 포함하여 차세대 5G 위성통신, 6G 위성통신 등에도 활용될 것으로 기대되고 있다. 다만 최근 밀리미터파 대역 통신의 커버리지 문제가 지속적으로 지적되면서 6G 통신의 표준 후보로 어퍼미드 대역 (7~24 GHz)이 부상하는 과정에서 밀리미터파 대역 통신에 대한 관심이 다소 줄어든 것이 사실이다. 하지만 더 많은 데이터를 전송하기 위해서 고주파를 활용해야 하는 것은 피할 수 없는 사실인 만큼, 10년 이상의 미래를 바라보았을 때 밀리미터파 대역의 중요성은 결코 낮지 않다고 할 수 있다. 또한 데이터 통신 이외에 레이더 분야에서 밀리미터파 대역 전자파는 이미 상용화되어 널리 활용되고 있으며, 자율주행자동차의 핵심을 구성하는 근거리 레이더 및 장거리 레이더가 각각 24 GHz 및 77 GHz 대역을 활용하고 있다.

  그러나 기존 3G 및 4G 통신이 각각 900 MHz 및 2.4 GHz 대역을 사용했던 것에 비해 10배 이상 높아진 주파수로 인해 다양한 소재적인 문제가 발생하고 있으며, 그 중 대표적인 것들이 저손실 기판소재의 요구와 전자파 간섭의 문제이다. 이 글에서는 특히 전자파 간섭 문제에 집중하여 1) 전자파 차폐/흡수소재와 그 작동원리에 대해 알아보고, 2) 밀리미터파 대역 전자파 차폐/흡수소재의 요구사항 및 3) 최근 연구개발 동향에 대해 검토해 보고자 한다.

(2) 전자파 차폐/흡수소재의 분류

전자파 차폐소재, 흡수소재 등의 용어가 많이 활용되고 있지만 본질적으로 이들 소재는 전자파의 투과량을 줄인다는 점에서 모두 차폐소재라고 할 수 있다. 전자파는 진행하는 과정에서 다른 매질과 만나 그 계면에서 일부는 반사되고, 반사되지 않은 일부는 매질 내로 입사된 후 진행하며 흡수되고, 흡수되고 남은 전자파는 다시 반대쪽 계면에서 투과된다. 이 때 전자파 차폐소재를 활용하는 목적은 전자파의 투과량을 최소화하는 것이다.

그림 2. 전자파 차폐소재의 분류

  여기서 알 수 있듯이 전자파를 차폐하는 데는 두 가지 접근방식이 있는데, 하나는 반사량을 높이는 것이고 다른 하나는 흡수량을 높이는 것이다. 전자는 일반적으로 잘 알려진 전자파 차폐소재의 개념으로, 구리 박막 또는 그라파이트 판과 같이 전기전도성이 높은 소재는 대부분의 전자파를 반사시켜 전자파의 투과량을 0.001% (50 dB) 이하로 낮게 할 수 있다. 

 후자는 최근 관심을 받고 있는 개념으로, 자성복합소재 또는 발포복합소재와 같이 소재물성을 제어할 경우 전자파의 반사량은 낮추고 흡수량은 높일 수 있다. 다만 이 경우에는 일반적으로 투과량은 10% (10 dB) 수준으로 전자의 소재들보다는 높은 편이다. 전자의 소재는 반사 위주의 차폐 소재(Reflection dominant shielding material), 후자의 소재는 흡수 위주의 차폐 소재(Absorption dominant shielding material)라고 칭해지며, 일반적으로는 입사된 전자파 중 흡수량이 50% 이상인지의 여부에 따라 분류가 결정된다.

널리 사용되는 또 하나의 접근방식은 소재 후면에 완전전도체(PEC, perfect electric conductor)를 부착하는 것이다. 이 경우 소재 전면에서 반사된 전자파와 후면에서 반사된 전자파의 상쇄간섭을 이용해 전자파 반사량을 크게 줄이는 것이 가능하며 완전전도체에 의해 모든 전자파가 반사되기에 전자파의 투과량은 거의 0에 가깝게 된다. 이러한 형태의 소재는 흡수소재(Absorber)라고 칭해지며, 주로 스텔스 등 레이더 분야에서 연구되어 왔다.
  여기서 중요한 것은 흡수소재는 후면의 완전전도체와 결합되어 작동되도록 설계되었다는 것으로, 우수한 흡수소재(Absorber)라고 해서 완전전도체 없이도 우수한 흡수차폐소재(Absorption dominant shielding material)로 작동할 수 있는 것은 결코 아니다. 또한 통신기기 내부의 단락 문제 등으로 완전전도체를 사용할 수 없는 곳이 있는 만큼 흡수소재를 어느 곳에나 활용할 수 있는 것 또한 아니다. 따라서 혼용되는 다양한 용어들의 개념을 정확히 이해하는 것이 중요하다. 이 글에서는 일반적으로 활용되는 것과 같이 완전전도체를 사용하지 않는 반사차폐소재와 흡수차폐소재를 차폐소재로 칭하고, 완전전도체를 사용하는 흡수소재를 흡수소재로 칭하도록 하겠다.

(3) 밀리미터파 전자파 차폐/흡수소재의 필요성

그렇다면 기존의 전자파 차폐/흡수소재와 밀리미터파 대역 전자파 차폐/흡수소재는 어떻게 다를까? 차폐소재 관점에서 보면 밀리미터파 대역에서 가장 요구되는 변화는 반사차폐소재에서 흡수차폐소재로의 전환이다. 이는 밀리미터파 대역 전자파의 짧은 파장에 기인한다. 위 그림과 같이 통신 부품들이 밀집해 있는 패키징 캐비티를 생각해 보자. 통신 부품 각각은 전자파 노이즈를 발생시키기에 이를 외부와 분리시키기 위해 차폐소재로 만들어진 캐비티가 필요한데, 이 캐비티를 반사차폐소재로 만들게 되면 노이즈가 외부로 나가지는 않지만 내부에서 계속해서 반사되며 2차 간섭 문제를 일으키게 된다. 다만 이것이 과거 3G/4G 통신과 같이 낮은 전자파 주파수를 활용할 경우에는 큰 문제가 되지 않았는데, 이 때의 파장 길이가 수 cm 수준으로 (3 GHz -> 10 cm) 패키징 캐비티의 크기에 비해 매우 길기 때문이다. 하지만 밀리미터파 대역에서는 파장 길이가 수 mm 수준이기에 패키징 캐비티의 크기와 전자파의 파장 길이가 유사하고, 이에 따라 지속적인 전자파 반사에 의한 내부 공진이 발생해 (Cavity resonance) 전자파 노이즈가 증폭되는 문제가 발생한다. 따라서 반사차폐소재 대신 흡수차폐소재를 활용해야 전자파의 반사량을 줄여 공진 문제를 해결하는 것이 가능하다. 다만 이것이 반사차폐소재가 불필요하다는 의미는 아니며, 반사차폐소재 역시 어떻게 하면 더 얇고 가벼우면서 우수한 차폐능을 확보할지, 또는 유연성이나 화학안정성과 같은 다른 물성들을 부여할 수 있을지에 대한 연구개발이 여전히 요구되고 있다.

그림 3. 밀리미터파 대역 흡수차폐소재의 필요성

  흡수소재 관점에서 보면 밀리미터파 대역과 기존 대역 소재는 근본적으로 크게 다르지 않다. 다만 활용되는 주파수를 고려하여 그에 적합한 시스템의 설계가 요구된다. 밀리미터파 흡수소재가 요구되는 가장 대표적인 영역은 차량의 자율주행 레이더로, 다른 차량에서 반사되어 온 레이더 전자파가 레이더 하우징 내부에서 반사되며 인식 왜곡을 줄 수 있기에 흡수소재의 활용을 통한 레이더 반사파의 제거가 필요하다.

그림 4. 밀리미터파 대역 흡수소재의 필요성

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