고기능친환경 P 이수민 remindsm@lgchem.com 01 서론전기자기파 ( 電氣磁氣波, Electromagnetic Wave) 는이것을줄여서전자파라고부른다. 전자파는전기장과자기장의두가지성분으로구성된파동으로서서로반복하며퍼져나간다. 역사상최초로영국의물리학자패러데이가전기장과자기장의상호관계성을규명하였으며, 이후영국의맥스웰이전자파의존재를수학적으로정립하여전자기이론법칙을세웠다. 전자파는주파수및파장에따라분류된다. 주파수가높은순서대로분류하면 γ선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파 ( 초고주파, 고주파, 저주파 ) 가있으며, 가정용교류전기는 1초에 60번씩극성이바뀌기때문에 60Hz 의전자파이다. 일본후쿠시마원전사고로발생된유해한방사선역시주파수가높고파장이짧은에너지가강한전자파이다. 우리의일상생활과가장밀접한극저주파 (0-1kHz), 초저주파 (1-500kHz), 라디오파 (500kHz-300MHz), 마이크로파 (300MHz-300GHz) 등은쉽게인식되지않기에간과되지만전자파에의한장해는바로낮은주파수에서발생되는일이많다. 1990 년 대부터전자기기에서발생되는전자파들이인체에심각한해를줄수있다는주장이제기되면서, 근래에는전자파의위험성에대한인식이높아지고있다. 전기장판에서방출되는전자파가인체에해를미칠수있다고알려지면서, 최근전자파가나오지않는온수매트등이인기를끌고있다. 뿐만아니라, 스마트폰이나고압송전선으로부터방출되는전자파의유해성도심각하게고려되고있는실정이다. 물론이러한전자파를비단현대문명의이기로만볼수는없다. 인류가존재하지않았던과거에서부터현재까지전자파는지구상에항상존재해왔기때문이다. 태양에서지구로불어오는태양풍그리고지구스스로발생시키는지자기 ( 지구주위에나타나는자석과같은자성 ) 등자연에서발생된전자파가바로그것이다. 하지만인류를포함한지구상에생존하는생명체는자연에서발생한전자파에스스로적응하며진화해왔기때문에, 자연에서발생되는전자파는생명체에큰위험을초래하지는않는다. 뿐만아니라우리주변에는전자파를이용한유용한제품들도많이있다. X선, γ선은엑스레이사진이나방사선치료에사용되고, 자외선은살균에, 적외선은 2
난방, 리모컨등에사용된다. 이외에도마이크로파를이용한전자레인지, 전파를이용한 TV, 라디오, 휴대전화등다양한곳에전자파가쓰이고있다. 이처럼우리의생활과뗄수없는전자파의역사는언제부터시작되었을까? [ 그림 1 파장에따른전자기파 ] 02 본론현대문명에서전자기파가얼마나중요한역할을하는지는새삼설명할필요가없을것이다. 우리의일상생활이전자기파와밀접한관계를가지고있다는것을누구나경험을통해잘알고있기때문이다. 그러나전자기파가발견된것은그리오래전의일이아니다. 도선속을흐르는전류가주변에자기장을만드는것을본패러데이 (Michael Faraday, 1791-1867) 는어떤전기작용이도선밖으로나오고있다고생각했다. 맥스웰 (James Clerk Maxwell, 1831-1879) 은전자기학의기초가되는맥스웰방정식으로부터수학적으로전자기파의파동방정식을유도하고빛의속도로전파되고있는전자기파가있을것이라고예측했다. 그러나, 실험을통해전자기파를발생시키고그것을안테나를이용하여수신하는데성공한사람은독일의하인리히헤르츠 (Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894) 였다. 헤르츠는 1857 년독일의함부르크에서태어났다. 어려서부터과학에많은관심을보였던헤르츠는드레스덴, 뮌헨, 베를린에서키르히호프 (Gustav R. Kirchhoff), 헬름홀츠 (Hermann von Helmholtz) 등의지도를받으며과학을공부했다. 1880 년에베를린대학에서박사학위를받은헤르츠는헬름홀츠아래에서연구원 [ 그림 2 마이클페러데이 ] 3
으로있다가 1883 년에킬 (Kiel) 대학의이론물리학강사가되었고, 1885 년에는전자기파발견실험을한카를스루에 ( 칼스루헤, Karlsruhe) 대학의교수가되었다. 전자기파를발생시키고그것을수신하는최초의성공적인실험은 1886 년에이루어졌다. 그는고전압의유도코일과축전기 ( 라이덴병 ), 그리고좁은간격을두고떨어져있는지름 2cm 의금속구로만들어진회로에빠르게진동하는전류가흐르도록했다. 진동수는축전기의용량과유도코일의인덕턴스를이용하여조정했다. 이것이전자기파발생장치였다. 실제로전자기파가존재한다는것을증명하기위해서는이발생장치에서발생된전자기파를수신해야했다. 헤르츠는 1mm 두께의구리선을구부려지름 7.5cm 의원을만든다음한쪽끝에는작은구리합금으로만든금속구를, 그리고다른쪽끝에는바늘을매달아금속구가까이놓고나사를이용해바늘을금속구에아주가까이접근시킬수있도록했다. 이수신장치는전자기파발생장치의진동수와같은진동수를가지도록설계되었다. 전자기파에의해수신장치에유도된전류는수백분의 1mm 에불과한금속구와바늘사이에서방전되어전기스파크를일으키도록했다. 이장치를이용하여헤르츠는전자기파를발생시키고그것을수신안테나를이용하여수신할수있었다. 맥스웰이그존재를예측한전자기파가실제로발견된것이다. 헤르츠는그의연구결과를 [ 전기파 : 전기작용이유한한속도로전파되는것에대한연구 ] 라는제목의논문으로발표했다. 헤르츠는전자기파를이용하여많은실험을했다. 전자기파가횡파라는것을확인했으며, 속도를측정하여빛의속도와같은속도로전파된다는것을확인하여빛이전자기파의일종이라는맥스웰의주장을증명했다. 1887 년과 1888 년에헤르츠는전파가여러가지매질을통해전파되 는것을실험했고, 매질의경계에서반사되는것을실험하여미래의레이더기술에응용될사실들을밝혀내기도했다. 전자기파를이용하여실험을하는과정에서헤르츠는후에양자역학의발전과정에중요한역할을하게되는광전효과실험을하기도했다. 금속구와바늘사이에서방전이일어날때금속구에자외선을쪼이면전자가더잘방출된다는것을알게되었다. 전자기파가금속에서전자를방출시키는데중요한역할을한다는것을알게된것이다. 1887 년에그는전자기파를이용하여광전자를발생시키는다양한실험을하고그결과를 < 물리학연대기, Annalen der Physik> 에발표했다. 그러나헤르츠는광전자의발생과관련된현상을설명하지는못했다. 1905 년아인슈타인은광전효과를설명하는논문을발표했다. 1921 년아인슈타인이노벨물리학상을수상한것은이논문때문이었다. 헤르츠의전자기파발견은인류의생활방식을바꾸어놓을역사적인발견이었다. 그러나헤르츠는자신이발견한전자기파의중요성을알아차리지못했다. 자신이발견한전자기파의중요성에대한질문을받은헤르츠는... 이것은맥스웰이옳았다는것을증명해주는실험입니다. 우리는이실험을통해눈으로볼수없는신비한전자기파가존재한다는것을알게되었습니다. 그러나전자기파의발견이별로중요한발견은아닙니다. 라고대답했다고전해진다. 헤르츠는자신이발견한전자기파가무선통신에사용되는것을보지못한채 1894 년베게너육아종증이라는병에걸려 36세의나이로독일의본에서사망했다. 1930 년에열렸던국제전자기술위원회 (IEC) 에서는헤르츠가전자기파를발견한것을기념하기위해진동수의단위로헤르츠 (Hz) 를사용하기로결정했고, 1964 년에는국 4
제도량형총회 (CGPM) 에의해채택되었다. 1Hz 는 1초에한번진동하는진동수를나타낸다. 1874 년이탈리아에서태어난마르코니는무선전신을발명한공로로 1909 년에노벨상을받았다. 어려서부터과학과전기에관심이많았던마르코니는자신의집다락방에실험장치를마련하고실험을시작했다. 그의목표는전자기파를이용하여원거리에서모스부호를주고받아무선통신을가능하게하는것이었다. 많은사람들이같은목표를가지고연구하고있었지만실용적인장치를만드는데는성공하지못하고있었다. 마르코니는헤르츠가사용했던것과비슷한발진 ( 發振 ) 장치와수신장치를이용하여실험했다. 전신기의자판을누르면길고짧은전자기파신호가발생되도록했고, 수신장치에서는수신한신호의길이를이용하여종이위에점과선을그려넣도록했다. 비슷한실험을한사람들이이미있었지만그들은수백m 이상의거리에서신호를수신하는데는실패했다. 1895 년여름마르코니가전자기파발생장치와수신장치의안테나길이를늘이고, 두안테나를수직으로배열한후안테나를땅에닿도록설치하자수신거리가 1.5km 까지늘어났다. 이실험에성공한마르코니는전자기파가상업적으로나군사적으로중요하게사용될수있을것이라고확신했다. 그러나이탈리아에서자신에연구에대한재정적지원을받지못하게되자 21살이던 1896 년에어머니와함께영국의런던으로가서영국우체국으로부터연구에대한재정적지원을이끌어내는데성공했다. 1897 년 3월 13일마르코니는최초로브리스톨해협에서바다를건너 6km 떨어진두지점사이에서무선통신에성공했다. 곧이거리는 16km 로늘어났다. 이실험에성공한후마르코니는 1896 년 12월 11일과 1897 년 6월 4일에일반대중을위한무선통신에대해설명하는강연을하기도했다. 무선통신에대한연구가국제적인관심을받게되자마르코니는이탈리아, 프랑스, 영국, 미국에서도무선통신실험을했다. 1901 년 12월 12일에마르코니는연에매단 152.4m 의안테나를이용하여캐나다의뉴펀들랜드와영국의콘월사이에서처음으로대서양을횡단하는무선통신을성공시켰다고발표했다. 두지점사이의거리는 3,500km 였다. 이실험의성공여부에대한논란이있기는했지만그의이런일련의실험은원거리무선통신이가능하다는것을증명하기에충분했다. 그후마르코니는라디오방송을위한많은실험을하기도했다. 헤르츠와마르코니같은선구자들의연구가있은후, 전자기파를이용하는연구는눈부시게발전되었다. 현재우리는지구에서멀리떨어져있는다른행성에탐사선을보내놓고지구에서전자기파를이용하여탐사선을조종하고있다. 태양계탐사를마치고우주속으로날아간보이저탐사선들은명왕성궤도보다훨씬더멀리날아간후에도지구로전자기파를이용해신호를보내고있다. 우리가일상생활을하는동안에항상사용하는휴대전화나 TV, 라디오등은전자기파를이용하는대표적인기기들이다. 앞으로전자기파는우리생활에서더욱중요한역할을하게될것이다. 이처럼전자파는전기를이용하는모든전자기기에서필수적으로발생된다. TV를비롯한모든가정용전자제품에서전자파가발생되는데, 가정용전자제품가운데비교적많은전자파를발생시키는전자레인지는 60Hz 의저주파성분과 2.45GHz 의마이크로파를동시에낸다. 60Hz 의저주파는전자레인지의전원으로, 높은에너지의 2.45GHz 의마이크로파는음식물을데우는데사용한다. 뿐만아니라, 스마트폰등의통신기기는통신의매체로전자파를이용하기때문에기기자체가전자파발생장치를가지고있다. 비록통신기기에서발생되는전자파는 5
[ 그림 3 워싱턴대에서발표한휴대폰사용 15 분후의체온의변화영상 ] [ 그림 4 급발진사고차량 ] [ 그림 5 전자기파차폐 ] 의도적으로발생시킨것이지만, 주변에발생된전자파는의도하지도않은전자파이다. 인류가끊임없이연구하고사용하고자하는전자기파에는인체의건강및전자기기에는어떤영향을미치며, 악영향을준다면이를막을수는있을까? 좴인체유해성좵 인체내에서의모든생체신호는전기적인자극을통해이루어지기때문에전자파에의한전자기적인상호작용의결과에의해인체가영향을받을가능성이높다. 전자파가인체에미치는유해메커니즘은다음과같이열작용과비열작용그리고자극작용에의한 3가지로분류된다. 우선, 열작용에의한유해는주파수가높고강한세기의전자파에신체가노출되면서부분적인체온의상승에의하여세포나조직의기능에해를끼치는것이다. 상대적으로높은주파수는, 전자레인지가음식내부의물분자를운동시켜온도를높이는것과같이, 인체의물분자를움직여체온을높인다. 300MHz ~ 30GHz 대역의방송, 스마트폰, 항공, 기상레이더등에사용되는주파수가이에속하며, 인체의조직온도가 1도이상상승할경우문제를초래할가능성이크다고알려져있다. 좴전자기기간의피해좵 전자파는다른전자기기에오동작및전자파장해를일으킨다. 예전보다전자기기를더욱밀접히사용하는현대에서는전자파로인한기기장해는과거보다위험도가상승했을뿐만아니라, 장해발생가능성도커져가고있다. 전자파장해현상은일상생활에서도흔히관찰할수있는데, TV 근처에서전기청소기등을사용할때화면이떨리는현상이일례이다. 항공기가관제탑과의교신불량으로항로를이탈하고, 고속열차가선로를벗어나는대형참사로이어질수있는가능성도있다. 단순한기기에서또 6
하나의전자제품으로변모하고있는자동차역시전자파의장해에서예외는아니다. 시동이켜진차안에서이동전화를사용하면통화의잡음이심한데, 이역시자동차의전자장치에서나오는전자파때문이다. 차량에서발생된전자파는사고로도직결될수있으며, 자동변속기조절장치에영향을미쳐차가급가속되는급발진사고사례는뉴스에서도흔히접할수있는일이다. 이는 2010 년발생한 Toyota recall 사태와도같은국제적인문제를야기할수도있다. 좴전자파차단은가능한가? 좵 인체및각종전자기기에장해를일으키는사고가잦아짐에따라, 선진국에서는이미각종의전자기기에대한전자파복사규제를위하여자국산및수입품에대하여국가차원의엄격한시험절차를시행하고있으며, 향후에는규제수준을강화할계획이다. 이런국제적인추세와더불어전자파차폐가필수적으로요구되는가전제품및전기자동차의증가되는수요에맞춰, 전자파차폐에대한효과적인대응능력을확보하고품질을개선하는것이시급히요구되고있다. 우선, 도체를사용하여접지가가능하다면전기장은땅으로흘려보낼수있다. 하지만접지를하더라도자기장성분은거의차폐되지않는다. 자기장은전기장과달리물질을통과하기때문에차폐가어렵지만거리가멀어지면약화되는현상을보인다. 때문에전자부품의하우징에전자파차폐소재를적용하여전기장과자기장을함께차폐하려는시도가이어지고있다. 최근에는소형화와경량화추세와더불어가격및디자인용이성으로인해스마트폰, 컴퓨터및많은전자제품의하우징재료로플라스틱복합소재를사용하고있다. 플라스틱자체는전기절연체로서전자파차폐재료로적용할수없기에플라스틱의표면을도전성층으로코팅하거나, 도전성충전제를 혼련하는방식으로플라스틱에도전성을부여하여전자파차폐효과를구현할수있다. 하지만도전성층코팅방식의경우고가의도전성코팅제, 후가공비용및스크래치에의한차폐효과감소등의이유로후자의경우인전도성복합체를적용하려는시도가늘고있다. 좴당사제품좵 LUCON 소재는정전분산용도뿐아니라, 전자파차폐용도로도적용이가능하다. 현재까지전자파차폐능력이뛰어난금속을많이사용하여이를해결하고있지만최근각국환경규제의강화와함께환경친화적측면에서연비를높여배출되는환경오염물질을줄이는것이큰화두이다. 이러한관점에서사용되는장비나소재의무게감소를통해연비를향상시키려는경량화시도가적극적으로이루어져오고있는데, 전자파차폐성능확보를위하여사용되는많은금속은경량화에걸림돌로작용하는것이자명한일이다. LUCON 전자파차폐소재는비중이 1.2 ~ 1.5 로일반적으로경량화를위해많이사용되는금속인알루미늄에비해 45% ~ 55% 의무게감소를얻을수있는장점이있다. 또한 ASTM D4935 방법에의해측정된전자파차폐효율결과, LUCON 전자파차폐소재는 40dB 의차폐효율 (EMI Shielding Efficiency) 을모든주파수영역에서뛰어넘고있는것을확인할수있다.( 그림 6) 03 결론전자파역사및유해성그리고차폐방법에대해개략적으로소개했다. 전자파는과거에도우리의주변에존재해왔고, 현재도눈에는보이지않게존재한다. 더구나전자기기의성능이고도화되면될수록전자파상호작용성은 7
[ 그림 6 LUCON 전자파차폐소재의차폐성능 ] EMI Shield Eff Ectiveness (db) 100 80 60 40 일반적인전자기기를위한전자파차폐효율기준 : 40dB 20 CP6024-EM CP6034-EM PN6037-EM 0 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 Frequency (MHz) 측정방법 : ASTM D-4935 - 두께 2mm disk 시편 소재비중비교를통한경량화율예상 기존알루미늄 : 2.71g/cm 3 LUCON CP6042EM : 1.20g/cm 3 55% 경량화가능 LUCON PN6037EM : 1.50g/cm 3 45% 경량화가능 더욱민감해지게될뿐만아니라인체에미치는영향도심각한문제로대두될것이다. 이에따라전자파피해를최소화하기위해많은산업체에서전담부서가생겨나고있고필요설비를갖추고있는중이며, 연구기관에서도전자파장해제어를위한준비를마련하는상황이다. LG화학역시확보된전기전도성구현기술을바탕으로정전분산용소재뿐만아니라, 전자파차폐용도의소재도개발했다. 해당소재들은고객의요구에맞게다양한수지를바탕으로제조되어우수한평가를받고있다. 이를위해 LG화학은꾸준히신규분야와고객을위한전자파차폐소재개발을연구하고있으며, 적극적으로고객의소리에귀를기울여고객과함께만족할수있는소재개발에최선을다하고있다. 8