산화비스무트 나노입자가 산업폐기물 기반 전자파 차폐 및 열안정성에 미치는 영향

Aug 01, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1787(2023) 이 기사 인용

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금광 광미, 플라이애시, 사탕수수재는 전자파 간섭 차폐 효율(EMI-SE)이 향상되고 열 특성이 높은 지오폴리머(GP)를 생산하기 위해 용도가 변경되었습니다. GP는 콘크리트에 비해 차폐 효율이 낮습니다. 이로 인해 EMI-SE를 향상하려면 적절한 필러를 매트릭스에 통합해야 합니다. 본 연구에서는 첨가제 충진재로 산화비스무스 나노물질(BiNP)을 활용하였다. GP의 EMI-SE에 대한 영향을 평가하기 위해 BiNP의 함량 백분율을 다양하게 변경했습니다. 형태는 Bi2O3가 GP의 매트릭스에 내장되어 있고 새로운 알루미누-필로실리케이트 광물이 형성되지 않았음을 보여줍니다. 이는 일부 미네랄이 매트릭스의 내부 충전재로만 작용했음을 나타냅니다. 압축 강도는 합성된 GP 복합재가 20MPa 이상이었고 순수한 GP가 최대 강도에 도달했음을 보여줍니다. 더욱이 깔끔한 GP의 EMI-SE는 20~4500MHz 범위에서 21.2dB였습니다. 이는 GP만으로도 EMI 방사선을 감쇠시키는 데 충분한 특성을 가지고 있음을 나타냅니다. 5%, 10% 및 15% 중량의 BiNP를 추가하면 EMI-SE가 4~10% 향상되며 5% BiNP가 최적 비율인 것으로 나타났습니다. 마지막으로 BiNP를 첨가하면 GP의 열 안정성이 향상됩니다. 본 연구는 Bi2O3가 포함된 GP가 소규모 건축 및 소규모 주거용 건물에 권장될 수 있음을 보여줍니다.

최근 몇 년간 전자 기기와 대형 장비의 발전은 인류 사회에 많은 도움을 주었습니다. 그러나 인간의 건강에 영향을 미칠 수 있는 전자기 방사선(EMR) 오염이 전례 없이 증가함에 따라 많은 우려도 제기되었습니다1,2. EMR 소스 신호는 항공, 의료 분야 등 다양한 산업 분야에서도 문제를 일으켰습니다. 또한 전자 장치의 오작동 및 성능 저하를 유발하고 적의 네트워크를 무력화하기 위한 군사 무기(EM 펄스)로 사용될 수 있습니다3,4,5. 이로 인해 EM 방사선에 대한 잠재적인 인체 노출을 줄이고 민감한 전자 장치를 보호하기 위해서는 상당한 EM 차폐 특성을 갖는 재료 제조에 관한 연구가 필요합니다.

EMI 차폐 재료에 대한 대부분의 연구는 일반적으로 탄소 기반 재료와 전도성 및 자기 흡수체를 포함하는 폼 및 폴리머를 기반으로 제작되는 코팅 및 얇은 패널과 같은 경량 재료를 대상으로 합니다. 탄소 기반 재료는 그래핀, 흑연, 탄소 섬유, 나노튜브(CNT) 및 나노막대와 같은 나노 형태의 탄소와 같은 효과적인 흡수 재료로 광범위하게 사용되어 왔습니다. 그러나 EMR 허용을 제한하기 위해 향상된 차폐 특성을 갖춘 건축 응용 분야와 같은 대규모 EMR 보호는 기계적 특성과 화학적 안정성이 좋지 않기 때문에 이러한 폴리머 기반 재료의 단점이 될 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 EM 방사선에 대한 차폐 역할을 하고 추가적인 탄소 기반 충전재가 필요하지 않은 건축 자재를 개발하는 데 관심이 집중되었습니다. 이러한 관심의 대부분은 고유한 수분 함량, 고밀도 특성, 저렴한 비용 및 소규모 또는 대규모 응용 분야에서의 취급 용이성으로 인해 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)에 집중되었습니다. 그러나 그 생산은 총 인위적 CO2 배출량의 5~7%를 차지하는 다량의 온실가스를 배출합니다6. 이로 인해 전 세계적으로 많은 연구자들이 탄소 배출량이 적은 대체 재료를 추구하게 되었습니다.

더욱이, OPC와 그 구성 요소를 조달하기 어려운 저자원 환경에서는 콘크리트에 대한 대안이 필요합니다. 즉, 토종 또는 지역적으로 이용 가능한 원료입니다. OPC 기반 콘크리트를 잠재적으로 대체할 수 있는 지난 10년 동안 널리 인기를 얻은 재료 중 하나는 지오폴리머(geopolymer)입니다. 자연폐기물 및 산업폐기물을 주원료로 하는 알칼리활성알루미노실리케이트 바인더입니다.