5.1. 기계적 특성

탄소계 충전제의 첨가로 복합소재의 탄성률은 증가하였으나, 순수 나일론 6 대비 인장강도는 다소 감소하였고 Fig. 2에 표기 하였다. 이는 고분자 사슬 이동성 제한과 응력 집중 현상에 기인한 것으로 판단된다. 특히 마스터배치 공정을 적용한 GNP 기반 복합소재는 인장강도 감소가 가장 적었으며, 이는 판상 구조의 그래핀이 기지 내에서 효과적으로 하중을 분산시키기 때문이다.

하이브리드 충전제 시스템에서는 CNT의 1차원 네트워크 형성과 GNP 또는 CB의 보조적 전도 경로 형성이 동시에 이루어져 강성 증가와 강도 저하 억제가 동시에 나타나는 시너지 효과가 관찰되었다.

5.2. 전기적 특성 및 전자파 차폐 특성

모든 나노복합소재는 10³-10⁴Ω/□ 범위의 표면저항 값을 나타내어 전자파 차폐용 소재로서 요구되는 전기적 특성을 충족하였음을 Fig. 4에 나타내었다. 특히 GNP가 포함된 복합소재에서 낮은 표면저항이 관찰되었는데, 이는 그래핀의 2차원 판상 구조로 인한 전도 경로 확장 효과 때문이다.

일반적으로 표면저항이 10⁴Ω/□ 이하인 고분자 복합소재는 20∼40dB 이상의 전자파 차폐 성능을 나타내는 것으로 보고되고 있다^{[9, 10]}. 이를 고려할 때 본 복합소재는 자동차 보조 배터리 케이스 적용에 충분한 차폐 성능을 가질 것으로 판단된다.

Fig. 4. Analysis of surface resistivity in EMI shielding composite materials

5.3. 결정화거동 및 공정 특성

일반적으로 고분자 소재에 무기물이 첨가되면 불균일 핵제로 작용하여 결정화 온도 및 결정화거동에 영향을 줄 수 있고, 이는 사출성형 등 고분자 가공 에서 냉각공정 변수 조정을 위해 연구가 필요하다. Fig. 5의 DSC 결과에서 보듯이 나일론6과 비교할 때 복합체의 결정화온도가 증가하는 것을 알 수 있는데, 이는 탄소필러가 불균일 핵제로 작용함과 동시에 나일론6의 사슬 운동을 억제함에 따른 것으로 해석할 수 있다. 또한, 복합소재의 결정화 피크가 2개 나타나며, 결정화 피크가 두개를 보이기 위해서는 결정구조가 다른 결정이 생성되거나 탄소 필러의 혼합으로 두개의 결정화 과정이 존재해야 한다. 나일론6/CNT 복합체에 대한 기존 연구에서는 XRD 결과에서 결정구조 변화가 관측되지 않아 두 개의 결정화 과정에 의한 것으로 해석 하였으며, 이는 CNT 계면에서의 이종 핵생성(heterogeneous nucleation)과 나일론6 매트릭스(matrix) 내 결정화가 동시에 진행되기 때문으로 보고되고 있다^{[10, 11]}. 본 연구에 사용된 소재에 대해서도 동일한 내용이 적용되는 것으로 해석할 수 있다. 결정화 거동을 살펴보기 위해 Avrami 방정식(1)을 이용하여 상대 결정화도와 시간에 대한 로그함수를 Fig. 6에 나타내었다^[12]. Avrami 지수(n)과 결정화 속도 상수(k)를 Table 4에 정리하였다. 결정성장 과정이 종횡비가 큰 CNT 등의 첨가에 의해 막대형이 일부 포함된 성장 형태가 진행됨을 확인할 수 있다. 아래에 분석에 사용한 Avrami 방정식(1)을 나타내었다.

여기서 Avrami plot에서의 기울기(slope)는 Avrami지수 n을 의미하며, 절편(intercept)은 log k에 해당한다.

다음으로 유변학적 특성 측정결과 1Hz의 주파수에서 나일론6의 경우 복소점도가 184 Pa-s에서 복합소재의 경우 9,000 Pa-s 수준으로 큰 폭으로 증가하지만, power law index (n)가 0.92에서 0.1로 크게 감소하기 때문에 고 주파수 영역에서의 복소점도 증가폭은 상대적으로 적게 나타나 사출성형 시 사출성형 조건에는 큰 변화가 없을 것으로 판단된다. 다만, 결정화 온도가 증가하기 때문에 금형 등의 냉각 온도는 재설정이 필요하다.

Fig. 5. DSC analysis results of EMI shielding composite materials

Fig. 6. Avrami analysis of composite materials

5.4. 보조 배터리 케이스 적용

기계적 특성이 우수한 복합소재 cb-gnp-1을 적용하여 하이브리드 자동차용 보조 배터리 케이스 시제품을 제작하였다. 제작된 시제품은 온습도 사이클, 열충격, 복합 진동 시험을 수행하였으며 모든 시험에서 구조적 안정성을 유지하였다.

특히 기존 알루미늄 케이스 대비 54% 이상의 중량 저감효과를 달성하여 연비 개선과 차량 성능 향상에 기여할 수 있음을 확인하고 Fig. 7에 표기 하였다.

Fig. 7. Weight comparison between aluminum battery case and plastic composite battery cases

5.5. 전도 네트워크 형성 메커니즘 및 설계 관점에서의 고찰

탄소계 충전제가 포함된 고분자 나노복합소재의 전기적 및 기계적 특성은 충전제의 형상, 분산 상태, 그리고 충전제 간 상호작용에 의해 지배된다. 본 연구에서 사용된 CNT, CB, GNP는 각각 1차원, 0차원 및 2차원 구조를 가지며, 이로 인해 전도 네트워크 형성 메커니즘에 차이를 보인다.

CNT는 높은 종횡비를 기반으로 비교적 낮은 함량에서도 연속적인 전도 경로를 형성할 수 있으나, 응집에 따른 국부적 응력 집중으로 인해 기계적 물성 저하가 발생할 수 있다. 반면 CB는 구형 입자로서 균일한 분산이 용이하나, 동일한 전도도를 확보하기 위해 상대적으로 높은 함량이 요구된다. GNP는 판상 구조에 의해 넓은 접촉 면적을 형성하여 전도 경로 확장에 유리하며, 기계적 강도 저하를 상대적으로 억제하는 장점을 가진다.

하이브리드 충전제 시스템에서는 CNT가 1차원 골격 구조를 형성하고, CB 또는 GNP가 이를 보조하는 형태의 다중 전도 네트워크가 형성되는 것으로 판단된다. 이러한 구조는 전기적 특성 측면에서는 낮은 표면저항을 유지하면서도, 기계적 특성 저하를 최소화하는 데 기여한다. 특히 개별 마스터배치 공정을 적용한 시료에서 보다 안정적인 전도 네트워크가 관찰되었으며, 이는 충전제의 초기 분산 상태가 최종 물성에 중요한 영향을 미침을 시사한다.

유변학적 측면에서 볼 때, 전도 네트워크 형성은 저주파 영역에서의 저장탄성률 증가 및 Van Gurp–Palmen 분석에서의 위상각 감소로 확인할 수 있다. 이러한 결과는 충전제 간 상호 연결성이 향상되었음을 의미하며, 사출성형 공정 중 전단력에 의해 네트워크가 부분적으로 재배열되더라도 성형 후 구조적 안정성이 유지됨을 시사한다.

자동차 보조 배터리 케이스 적용 관점에서 본 복합소재는 단순한 전자파 차폐 기능을 넘어 구조 부재로서의 역할을 동시에 수행해야 한다. 따라서 본 연구에서 제시한 하이브리드 충전제 설계 전략은 전자파 차폐 성능과 기계적 신뢰성의 균형을 달성하기 위한 효과적인 접근 방법으로 판단된다. 또한 금속 대비 우수한 성형성과 설계 자유도를 활용할 경우, 케이스 일체화 설계 및 부품 수 감소를 통한 추가적인 경량화 효과도 기대할 수 있다.

종합적으로 본 연구 결과는 탄소계 나노 충전제의 조성 및 분산 공정 제어를 통해 자동차 전장 부품용 전자파 차폐 복합소재의 성능을 체계적으로 설계할 수 있음을 보여주며, 향후 전기차 및 자율주행 차량용 전장 하우징 소재 개발에 중요한 설계 지침을 제공한다.