고기능 / 친환경 P 이수민 remindsm@lgchem.com 자동차용전자기파차폐 / 흡수 LUCON 소재 11 01 스마트카시대의개막 최근무인및자율주행을필두로스마트카의시대가개막되고있다. 차량주행의편의성, 안전성을토대로자동차에고성능전장부품을다량도입하면서 그림 1 자동차의과거, 현재, 미래 자동차는점차전자장치화되어가는추세이다. 차량내에사용되고있는전장부품은가볍고집적화되고있으며추구하는개발방향은기능에있어서더욱정확한전자제어운전자에게최대의편의를제공하는데있다. 02 자동차전자기파차폐필요성 과거 안전도개념부족 편의성부족 그림 2 자동차용전장부품 전장부품영상부품센서부품 2.5% 5% 현재 수동적안전 (Seat belt, air bag) 10% 15% 22% 미래 능동적안전, 편의성강화 (LDWS, BSD, AEB, etc.) 30% 35% 50% 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005 2010 2030 차량의편의증대를위하여도입한각종전자제어부품및장치로인해사용자 or 탑승자의편의성은크게향상되었으나전자기기에서방출되는전자파에따른차량전장부품의오작동및성능저하, 안전사고등에대한우려가크게증가하면서, 심각한사회문제로대두되고있다. 따라서차량내부전장부품에서발생하는전자파의차폐필요성이점차증대되고, 전자파장해에대한국제적인규제는점차강화되고있으며여기에대응하기위하여많은노력이이루어지고있다. 전자기파차폐 (Electromagnetic Interference Shielding, EMI shielding) 의주된목적은부품에서발생하는전자기파를반사 (Reflection) 또는흡수 (Absorption) 시켜전자기기고유의성능을유지하는것이다. 이러한목적을달성하기위해전자기파차폐소재가사용되고있으며, 주로사용되는전자기파차
그림 3 전자기파장해에의한자동차급발진사고및신고현황 160 128 자동차급발진의심신고현황 [ 출처 : 국토교통부 / 단위 : 건 ] 136 139 폐소재는전기적으로도체여야하고넓은표면적을 갖는것이유리하다. 전기적특성이우수한금속이주 로이용되어왔지만금속은무겁고가공성이나쁘며 부식을쉽게일으키는문제점을가지고있다. 금속의 단점을대체할수있는소재로전도성을보유한고분 자복합재료가부상하고있다. 고분자는가볍고, 제품의디자인자유도가우수하며최종제품의기계적 전기적특성제어도용이하다. 특히, 자동차산업의 경우첨단화에따른전장부품의수요증대및차량의 무게등의연비를고려한이산화탄소배출에의한환 경문제를해결하고자부품의경량화를가져올수있 는고분자소재에대한연구의필요성이전세계적으 로확산되고있는추세이다. 03 LUCON 당사제품 LUCON 소재는전도성을갖지않는다양한플라스 틱소재에카본및금속계열의전도성필러를첨가하 여전도성을부여한복합소재이다. 적용사례가점차 늘어나고있지만전기적특성을갖기않기때문에전 96 80 64 32 28 34 0 2010 2011 2012 2013 2014.8 자파가투과하는성질을가지고있어전자기파차폐소재로는적합하지않다. 따라서기존의플라스틱소재의장점은유지하면서전도성필러를첨가하여전기적특성을부여하여전자기파차폐소재로역할을가능하게한다. LUCON 의플라스틱기반의전자기파차폐소재는탄소섬유 (Carbon Fiber), 탄소나노튜브 (carbon nanotube, CNT) 등과같은탄소기반필러를이용하여전기적특성과더불어기계적강도가우수하다. 뿐만아니라비중이 1.2 ~ 1.5 로일반적으로경량화를위해많이사용되는금속인알루미늄에비해 45% ~ 55% 의경량화효과를얻을수있는장점이있다. 또한 LUCON 의전자기파차폐효율 (EMI Shielding Efficiency) 은전장부품에적용가능한 40 db(99.99% 전자기파차폐 ) 를만족하며, 요구수준에따라약 80dB(99.999999% 전자기파차폐 ) 까지가능하다. [ 적용사례 1. 차량용레이더부품전자기파흡수용 LUCON 소재 ] 12
자동차용전자기파차폐 / 흡수 LUCON 소재 그림 4 LUCON 전자기파차폐소재의성능 100 측정방법 : ASTM D-4935 : 두께 2mm disk 시편 80 13 EMI Shield Effectiveness (db) 60 40 서두에얘기한바와같이자동차는운전자의편의, 안전성을위해진화하고있다. 운전자의안전을위해 서는주행중인차량의주변상황을정확히인지하고 판단하여차량을제어해야한다. 하지만최근차량의 다기능화와교통량증가, 운전자의고령화, 장거리및 야간운전의증가에따라운전자의부담은증가하고 있다. 이러한운전자의부담을경감하기위한대표적인자동차부품이전 / 후방및측방의주행환경인식 에사용되는밀리미터파레이더이다. 후방및측방의 움직이는차량및물체를감지하여차선을변경하고 자할때운전자가시야를통해확인할수없는사각 지역을경고해주는후방레이더 (BSD, Blind Spot Detection) 와전방의주행중인차량을감지하여전 방차량의속도에맞추어차량속도를제어하며전방 차량과자차량의충돌이예측되면운전자에게경보와 더불어자동브레이크를동작시키는 SCC(Smart Cruse Control) 기술은자동차산업에레이더가사용 되는대표적인편의및안전부품이다. 일반적인전자기기를위한전자파차폐효율기준 : 40dB 20 CP6024-EM CP6034-EM PN6037-EM 0 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 Frequency (MHz) 레이더의동작원리는주변차량에전자기파를발사 하고대상물에서반사되어돌아온전자기파의도달 지연시간을측정하여원하는정보를습득하는것이 다. 이러한레이더장치는송신부와수신부로나누어 지는데송신한전자기파가주변의물체를감지하고 회귀한것을수신하여물체의위치및크기를정확히 감지할수있다. 전자기파의원활한송수신을위해서 는원하지않는전자기파 ( 노이즈 ) 는차단하는전자기 파흡수재가필요하다. 전자기파를흡수특성을부여하기위해서는전도성 향상, 유전특성및자기적특성향상등의여러가지 방법이있지만, 당사 LUCON 소재는고분자플라스 틱과카본필러를이용하여유전손실특성을향상시 켰다. 유전손실특성은소재의전기적특성으로쌍극 자 (dipole) 의움직임의변화가외부의전자기파로부 터의전자기파의전계의변화에뒤늦게변화함으로써 생기는것이다. 높은유전손실값은외부의전자기파 를흡수할수있는흡수성능과비례하며, 흡수된전자기파는에너지보존법칙에의해열혹은소리로전 환된다. 소재비중비교를통한경량화율 기존알루미늄 : 2.71g/cm 3 LUCON CP6042-EM : 1.20g/cm 3 55% 경량화가능 LUCON PN6037-EM : 1.50g/cm 3 45% 경량화가능
그림 5 차량용레이더부품의사용 유전손실 (ε ) 그림 7 LUCON 소재의전자기파흡수특성 100 80 60 40 LUCON 20 일반플라스틱 0 0 200 400 600 800 1000 100 Frequency (MHz) Low 14 High 흡수성능 반사특성 High 투과특성 Low 일반플라스틱소재타복합소재 LUCON 그림 6 레이더의구성및흡수소재의역할 Transmitter < RAM* > Electromagnetic wave @24GHz Undesirable 전자기파흡수소재 Undesirable Receiver Reflected inside bumper Distance Reflected inside bumper [ a ] [ b ] [ c ]
자동차용전자기파차폐 / 흡수 LUCON 소재 15 LUCON 소재의경우일반고분자혹은타소재대비하여유전특성이향상되었으며, 이에다른전자기파흡수성능도향상된것을확인할수있다. [ 적용사례 2. 차량용전장부품 housing 용전자기파차폐 LUCON 소재 ] 자동차의전장부품은점차집적화로인해내전력사용량은급격히증가하고있으며, 이에따라전기시스템도변화하고있다. 차량의연비개선을위한고출력전장부품과운전보조장치 (Advanced Driver Assist System, ADAS) 등의능동안전시스템적용으로기존의 12V 전기시스템이한계에직면하고있으며, 48V 전기시스템에대한필요성이제기되고있다. 사용전압이증가됨에따라차량에서의전자기파방출량이늘어나며이에따라유해전자기파방출로인한부품의오작동이발생하며, 이로인한급발진등의안전사고발생위험이증대되고있으므로유해전자기파를차단할수있는전자기파차폐에대한필요성이더욱더증가되고있다. 향후자동차부품은단순기계조립산업이아니라전자제품제조산업으로자동차가 TV, 컴퓨터, 스마트폰등과같은전자장치에가까운제품으로인식될가능성이높다. 이에따라전장부품시장중안전관련전장부품의경우세계각국에서의무장착이법제화되고규제가강화되어자동차전자파차폐시장규모는점차성장할것으로예상된 다. 모든전장부품은 PCB(Printed Circuit Board) 인쇄회로기판을포함한 ECU(Electronic Control Unit) 에의해작동된다. PCB 는여러종류의많은전자부품을집약적으로탑재하고각부품간을연결하는전기회로를고정시킨기판이다. 복잡한전자회로 PCB 에서전자기파잡음을제거한다는것은현실적으로어려운일이다. 실제로할수있는일은, 발생이예측되는잡음을최대한억제하고제어함으로써, 잡음의확산과전달을최소화하는패턴의 PCB 를설계하는일이다. 하지만이러한작업은매우많은시간과비용을요구하기에전자기파가외부로새어나가지않도록전자기파차폐 PCB housing 사용하는시도가증가하고있다. 당사 LUCON 제품을이용하여차량의전장부품에 housing 을장착하여실장전장용부품의전자기파차폐성능비교를하였다. 초기방사성방출 (Radiated Emission, R.E.) EMC 측정결과를보면전체적으로노이즈가방출되며, 그하모닉주파수들이전대역에걸쳐서나타나고, 노이즈의레벨또한전체적으로높게형성이된것을확인할수있다. 하지만 LUCON housing 결합후의 EMC 측정결과를보면전대역에걸쳐방출되는노이즈의레벨이감소하여안정적인결과를보이고있다. 특히 100 MHz ~ 1 GHz 대역에서의결과를비교하면기준치이상으로
그림 8 차량의전력소모변화량 그림 10 LUCON PCB housing 소재의 EMC test 결과 시대별차량전력소모량변화 소비전력 6V 그림 9 전장부품의직점화 방출되는노이즈성분을기준치이하로효과적으로 감쇠시키는것을확인할수있다. 03 결론 과거현재미래 자료 : 2014 기술과경영자동차산업의전장화동향과시사점 ISC valve airconditioning relay igniter turbocharge indicator fuel pump resistor/relay 12V 편의 / 안전부품 overboost warning buzzer ECU solenoid valve (purge control) 12V+48V 편의 / 안전부품 circult-opening relay wastegate sloenoid valve fuel injector diagnosis connector solenoid valve (pressureregulator control) LUCON 전자기파흡수및차폐용소재에관하여개 략적으로소개하였다. 전자파는과거에도우리의주 변에존재하여왔고, 현재도눈에는보이지않게존재하여왔다. 더구나전자기기의성능이고도화되면될수록전자파에상호작용성은더욱민감해지게될뿐만아니라인체에미치는영향도심각한사회적문제로대두될것으로보인다. 이에따라전자파피해를최소화하기위해많은산업체에서전담부서가생겨나고있고필요설비를갖추고있는중이며, 연구기관에서도전자파장해제어를위한준비를마련하는상황이다. LG화학역시확보된플라스틱기반으로전자기파차폐구현기술을바탕으로고객의요구에맞게다양한제품을제조하여우수한평가를받고있다. 전장부품의시장의변화와기술발전에꾸준히발맞춰왔으며, 신규분야와고객을위한전자파차폐소재개발을노력하고있다. 앞으로도적극적으로고객의소리에귀를기울여고객과함께성장해나갈것이다. 16