아크 금속 용사를 적용한 콘크리트 구조물의 전자기파 차폐 성능 평가에 관한 연구

Abstract

기 전자기파는 전력망, 통신망, 전자 장비, 수자원 시설 등의 국가 주요 사회 기반 시설에 대한 마비 또는 영구적인 손상을 목적으로 인위적인 고고도 핵폭발 및 비핵원의 전자기파 무기부터 방출되는 수백 V/m 이상의 고출력의 에너지로 그 위험성이 지속적으로 증가하고 있다. 이에 각국에서는 전자기파에 의한 사회적 혼란을 방지하기 위해서 주요 사회 인프라 시설을 대상으로 전자기파 방호 시설 구축을 하는 실정이다. 하지만, 대부분의 건설 구조물의 주요 건설 재료인 콘크리트의 경우 전기저항률은 106 ~ 109 Ω·m으로 매우 높아 고출력의 전자기파에 대한 차폐 효과를 기대하기 어렵다. 이 때문에 콘크리트 구조물 내부에 전기저항률이 1.7 x 10-8 Ω·m로 낮은 구리 등의 금속 재료를 활용하여 별도의 전자기파 차폐시설을 구축하여 구조물의 차폐 성능을 확보하거나 특정 전자장비를 대상으로 차폐 보관함을 구축하여 차폐 성능을 확보하고 있다. 하지만 이는 기존의 콘크리트 구조물 내부에 추가적인 설비를 시공하는 것으로 과정이 복잡하고 경제적⦁공간 활용 측면에서 비효율적인 문제점들이 발생하고 있으며, 특히 금속판 접합부에서의 시공 불량 또는 용접부의 부식으로 인하여 목표하는 전자기파 차폐 성능 확보에 문제점이 지적되고 있다. 한편 전기 전도도가 낮은 콘크리트의 전자기파 차폐 성능을 개선하기 위해 전기 전도성 물질을 콘크리트 배합에 혼입하는 재료적인 측면에서의 연구들이 수행되고 있다. 대표적인 물질로 CNT(Carbon Nono-Tube), Carbon black, 강섬유 등을 콘크리트에 첨가할 경우 1 GHz에서 50 dB 이상의 차폐 성능을 확보할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 콘크리트 배합에 따라 차이가 있으나 이러한 전도성 재료들이 첨가될 경우 작업성 저하 또는 배합수 증가로 인한 강도 저하 등의 문제가 보고되고 있다. 위와 같이 콘크리트 구조물의 전자기파 차폐 성능 확보를 위한 연구들이 수행되고 있으나, 대부분이 전도성 물질 혼입에 따른 기초적 물성 평가 연구가 주로 이뤄지고 있으며, 콘크리트 구조물의 충분한 전자기파 차폐 성능 확보를 위한 연구가 미흡한 실정이다. 이에 전도성 재료를 혼입한 콘크리트 시험체에 100 μm 두께의 금속 용사 코팅을 실시할 경우 MIL-STD-188-125-1에서 요구하는 전자기파 차폐 성능 80 dB 이상 확보가 가능할 것으로 보고되었다]. 이는 콘크리트의 표면에 금속 용사 공법을 활용하여 금속 코팅을 형성이 전자기파 차폐 성능 향상됨에 따라 콘크리트의 물성 저하 없이 신축 구조물과 기존의 구축된 콘크리트 구조물을 대상으로도 전자기파 차폐 성능 확보가 가능할 것으로 판단된 이에 본 연구에서는 전도성이 낮은 콘크리트 구조물을 대상으로 금속 용사 공법을 적용하여 전자기파 차폐 성능을 확보하기 위한 방안으로 금속 선재의 종류 및 두께에 따른 금속 용사 코팅의 전자기파 차폐 특성 및 역학적 특성을 평가하고 이를 콘크리트에 적용하여 시공 효율성, 시공 품질 및 전자기파 차폐 특성에 미치는 영향 인자를 검토하여 콘크리트 구조물의 전자기파 차폐 금속 용사 공법을 제안하고자 한다. 본 논문은 아크 금속 용사를 적용한 콘크리트 구조물의 전자기파 차폐 성능 평가 및 전자기파 차폐 금속 용사 공법을 제안하기 위해 아래와 같이 6장으로 구성하였고, 각 장의 내용을 다음과 같이 제시하였다. 제 1장에서는 본 연구의 서론으로 연구의 배경 및 필요성, 연구의 목적과 내용, 그리고 연구의 구성 및 내용을 제시하였다. 제 2장에서는 전자기파의 정의 및 특성을 정리하였으며, 이를 차폐하기 위한 매커니즘을 분석하였고, 관련 규정 현황, 국내외 연구 동향에 대해 조사하여 한계점을 제시하였으며, 금속 용사 공법에 대해 정리하였다. 제 3장에서는 금속 코팅에 사용된 금속 종류 및 두께에 따른 전자기파 차폐 성능을 검토하기 위해 7종(Cu, Zn, Al, CuAl, CuZn, CuNi, ZnAl)을 대상으로 KS C 0304에 의거하여 100, 200 및 500 μm 두께의 시험체를 제작하였다. 또한, 전자기파 차폐 성능 저하원인을 규명하기 위하여 XRD 및 SEM 분석을 실시하여 금속 코팅의 차폐 성능에 미치는 영향 인자를 검토하였고 이를 통해 최적의 금속 코팅 두께를 선정하였다. 제 4장에서는 금속 용사 공법의 콘크리트 적용성을 검토하기 위해 7종(Cu, Zn, Al, CuAl, CuZn, CuNi, ZnAl)을 200 μm 두께의 금속 용사를 실시하였다. 금속 코팅된 콘크리트 시험체에 대한 전자기파 차폐 성능 시험을 실시하였으며, 이후 부착 성능을 평가하였다. 이때 부착 성능 확보를 위해 콘크리트 계면에 대한 면처리를 실시하여 이때 부착 성능 향상을 검토하였다. 제 5장에서는 콘크리트-금속 코팅 간의 물리적·전자기파 차폐 성능에 영향을 미치는 요인을 고려하여 금속 용사 공정을 세분화하였고, 용사 방향에 따른 용착 효율, 경제성, 부착성능을 검토하여 최적의 전자기파 차폐 금속 용사 공정을 제안하였고, 이를 2.2 m 대형 콘크리트 기판 및 Mock-up 시험체에 시공하여 전자기파 차폐 성능을 검증하였다. 제 6장에서는 지금까지의 연구의 결론에 대해 종합적으로 기술하였다. 이를 통해 콘크리트 구조물을 대상으로 아크 금속 용사 공법을 적용하여 시공 효율, 부착 성능 및 전자기파 차폐 성능을 충족하기 위한 금속 용사 선재, 코팅 두께와 계면 처리 방법을 제시하였다.