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ISSN : 1226-0401(Print)
ISSN : 2383-6334(Online)

The Research Journal of the Costume Culture Vol.30 No.4 pp.579-593
DOI : https://doi.org/10.29049/rjcc.2022.30.4.579

Stealth, electromagnetic interception, and electrical properties of aluminum sputtered clothing materials

Hye Ree Han†

Lecturer, Dept. of Beauty Art Care, Graduate School of Dongguk University, Korea

^†Corresponding author (luckyherry@hanmail.net)

Received July 22, 2022 Review August 6, 2022 Accepted August 9, 2022

Abstract

This study examines the surface characteristics, electrical conductivity, electromagnetic wave blocking characteristics, infrared (IR) transmittance, stealth function, thermal characteristics, and moisture characteristics of IR thermal imaging cameras. Nylon film (NFi), nylon fabric (NFa), and 5 types of nylon mesh were selected as the base materials for aluminum sputtering, and aluminum sputtering was performed to study IR thermal imaging, color difference, temperature change, and so on, and the relationship with infrared transmittance was assessed. The electrical conductivity was measured and the aluminum-sputtered nylon film demonstrated 25.6kΩ of surface resistance and high electrical conductivity. In addition, the electromagnetic wave shielding characteristics of the sputtering-treated nylon film samples were noticeably increased as a result of aluminum sputtering treatment as measured by the electromagnetic wave blocking characteristics. When NFi and NFa samples with single-sided sputtering were placed on the human body (sputtering layer faced the outside air) and imaged using IR thermographic cameras, the sputtering layer displayed a color similar to the surroundings, showing a stealth effect. Moreover, the tighter the sample density, the better the stealth function. According to the L, a, b measurements, when the sputtering layer of NFi and NFa samples faced the outside air, the value of a was generally high, thereby demonstrating a concealing effect, and the ∆E value was also high at 124.2 and 93.9, revealing a significant difference between the treated and untreated samples. This research may be applicable to various fields, such as the military wear, conductive sensors, electromagnetic wave shielding film, and others.

Key Words : sputtering technology , aluminum , electromagnetic interception , conductivity , stealth

알루미늄 스퍼터링 처리 의류소재의 스텔스 특성과 전자파 차단 및 전기적 특성에 관한 연구
- 밀도 변화를 중심으로 -

한 혜 리†

동국대학교 대학원 뷰티아트케어학과 강사

초록

키워드 : 스퍼터링 기술 , 알루미늄 , 전자파 차단 , 전도성 , 스텔스

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Cited-By

Funding:

I. Introduction

알루미늄(aluminum: Al)은 가공이 쉽고, 가벼우며 내구성이 큰 특성을 지니고 있어서 각종 기계 부품, 원재료 등에 많이 활용되고 있다. 색상은 은백색에 가 볍고 원자량은 26.981g/mol이며, 전기음성도는 1.61 (Pauling scale)에 해당한다. 이처럼 알루미늄의 다양 한 특성과 오랜 역사로 인하여 알루미늄 관련 열 중 량 분석, 알칼리 에칭, 내식성, 분광학, 목재-알루미 늄 복합체, 다층형 구조, 용접, 초음파 진동, 적외선- 가시광선 호환 스텔스 효과 등에 관하여 여러 분야 에서 연구가 이루어져 왔다(Chankitmunkong, Eskin, Limmaneevichitr, Kengkla, & Diewwanit, 2022;Chen, Ren, Liu, Wang, & Wang, 2021;Cheng, Wu, Yao, & Yang, 2019;Hasan, Jewel, Karakalos, Gaevski, & Iftikhar, 2022;Hou, Cai, & Lu, 2017;Kadioglu & Alaboyun, 2022;Ni et al., 2022;Omoniyi et al., 2022;Samuel et al., 2022;Xue, He, & Zhou, 2022;Yeole, Ning, & Hassen, 2021).

Sripradit and Theeradejvanichkul(2022)의 연구에 서는 알루미늄 나노 큐브를 활용하여 색상이 변하는 위조방지 필름을 제조하여 연구하였다. 이 연구에서 는 투과율값을 기반으로 필름의 색상을 예측하는 방 법을 제안하였다.

마그네트론 스퍼터링 기술은 막 두께 조절이 용이 하고, 순도가 높으며, 접착성이 우수하고, 물을 사용 하지 않으며, 환경 친화적이라는 장점이 있다. 최근 친환경 패션, 업사이클링 패션, 리사이클링 패션, 지 속 가능한 패션 등에 관한 연구(Chen, Yang, & Lee, 2021;Lee & Lee, 2019;Shin & Kim, 2015;Shin & Lim, 2021)도 활발히 진행되고 있는 추세에서 스퍼터 링 기술이 더욱 각광받을 것으로 판단된다. 선행연구 에서 직물 위에 스퍼터링 기술을 활용하여 나노 메탈 필름, 나노 Cu 필름, 나노 Ag 필름, 나노 Ti 필름, 나 노 알루미늄 필름, 나노 metal oxide 필름, 나노 Tio₂ 필름, 나노 Zno 필름, ITO(indium tin oxide)와 AZO (aluminum doped zinc oxide) 필름, multi-layer coated nano film 등의 적용 가능성을 연구하였다(Tan, Liu, Niu, Liu, & Tian, 2018).

또한 스퍼터링 처리공정이 비교적 간단하고 폐수 가 전혀 없다는 장점으로 인해, 이 기술을 이용하여 전 도 메커니즘, 금속 터널링 효과, 전기 저항률, 표면 특 성, 임플란트, 항균, 자외선 차단, 배터리, 상처 치유 등에 관한 연구가 많이 있다(Baker et al., 2022;Baptista, Silva, Porteiro, Miguez, & Pinto, 2018;Cen, Wu, Lee, Fan, & Liu, 2019;Dehghan, Shi, Woodrum, Brewer, & Sacks, 1994;Iqbal & Yasin, 2018;Jones, Camino, Teer, & Jiang, 1998;Kino, Ikuse, Dam, & Hamaguchi, 2021;Lai, Tsai, Hung, & Feng, 2015;Liu et al., 2020;Ma et al., 2021;Qadir, Li, & Wen, 2019;Salunkhe, Ali, & Kekuda, 2020;Shahidi & Ghoranneviss, 2016;Shi, Woodrum, Dehghan, Brewer, & Sacks, 1992;Tan et al., 2018;Yuan, Wei, Chen, & Xu, 2016).

선행연구에서, 몰리브덴을 직물 위에 도입하여 적 외선 열화상 카메라에 은닉 효과를 나타내었고, 우수 한 전자파 차단 효과를 나타내었다. 또한 몰리브덴 처 리 필름의 경우 우수한 전기전도성을 나타내어 센서 로의 활용 가능성을 보였으나, 직물의 경우 전기전도 성이 나타나지 않았다(Han, 2022).

4차 산업혁명과 더불어 전기전도성 센서의 중요성 과 함께 전자파 차단 물질에 관한 관심도 증가하고 있 다. 그리고 군복에서도 적군의 레이다에 노출되지 않 는 기술에 관한 연구가 필요한 실정에서, 금속 스퍼터 링 직물 연구가 다기능성이 요구되는 군복 분야에 적 절한 자료를 제시할 수 있다고 사료된다. 따라서 본 연구에서는 인체 보호를 위한 적외선 카메라 이미지 분석, 색차 분석, IR 투과 분석, 전자파 차단 성능, 전 기전도성을 분석하여 다기능성 스마트 의류 소재 개 발 및 평가를 목표로 하였다.

본 연구에서는 필름, 직물, 다양한 기공 크기의 mesh에 알루미늄 스퍼터링 공정 처리 후, 알루미늄 나노 그레인 코팅 확인, 전자파 차폐, 전도성, InfraRed 투과 성능, IR 카메라와 색차 변화 등을 연구하였다. 이를 위해, 밀도 등의 변화에 따른 각종 특성 변화들 을 살펴 보기위해 나일론을 film(필름), fabric(직물), mesh(망사) 1~5로 나누어 알루미늄 스퍼터링 처리를 실시하여 연구하였다. 이를 바탕으로 도출해낸 연구 결과를 토대로 전자파 차단 의복, 전기전도성을 토대 로 한 센서 적용 가능성, 적외선 카메라에 관한 스텔 스 군복, 고기능성 스마트 원단 등에 적용 가능성을 살펴보았다.

Ⅱ. Experiment

1. Materials

본 연구에 사용된 base material은 나일론(film, fabric, mesh1, mesh2, mesh3, mesh4, mesh5)이다. Base material들의 특성은 <Table 1>과 같다.

Base material에 행해진 알루미늄 스퍼터링 공정 조 건은 <Table 2>와 같다. 알루미늄 스퍼터링 공정 시 사 용한 기기는 sputter coater(SRN120, SORONA, Korea) 기기로 알루미늄 스퍼터링 공정이 행해질 때, base material은 원형모형으로 제작되었고, 이 때 원형의 지 름은 19.5cm였다.

2. Characterization

본 연구에서 알루미늄 스퍼터링 공정 후 시료 위에 알루미늄이 잘 형성되었는지 확인하기 위해 energy dispersive spectroscopy(EDS, EDS Oxford Instruments, UK), field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Jeol, JSM 7401F, Japan)를 사용하였다. 그 리고 시료 위에 형성된 알루미늄 나노 그레인 사이즈 측정을 위해 FE-SEM(FE-SEM SIGMA, Carl Zeiss, Germany)이 사용되었다. 미처리 시료, NFi의 경우 FE-SEM 촬영 전 Pt 코팅(SPT-20, COXEM Co., Ltd, Korea)을 120초 실시하였다.

전기전도성(electrical conductivity)의 경우 digital multimeter(Bluetooth Digital Multimeter, OWON D35T, Fujian Lilliput Optoelectronics Technology Co., Ltd., China)를 활용하여 알루미늄 스퍼터링 공정 처리 전과 후의 표면 저항(surface resistance)을 측정 하였다.

전자파 차폐 성능(blocking of electromagnetic waves)은 EMF tester(BO-1392, BLUETEC, China)를 활용하여 알루미늄 스퍼터링 공정 처리에 전과 후의 전자파의 투과 정도를 측정하였다.

Infrared 투과 특성은 IR intensity tester(infrared emitting diodes, 5mm Infrared LED, T-1 3/4 IR333-A, EVERLIGHT, Taiwan)를 활용하여 연구하 였다. 조사되는 infrared 강도는 200W/m²였다. 또한 주요 IR wavelength는 940nm였다.

열적특성(thermal characteristics)의 경우 IR thermographic camera(Flir i7)를 사용하였다. 측정 시 라 텍스 장갑을 착용하고 그 위에 시료를 밀착해서 놓고 열화상 이미지를 촬영하였다. 적외선 열화상 카메라 에 관한 스텔스 효과 및 R, G, B, L, a, b값 측정은 Colorinspector 3D, Image J 프로그램을 사용하였다. 특히 R, G, B와 L, a, b값은 Colorinspector 3D, Image J 프로그램을 사용하여 정량적인 색상 변화를 고찰하 였다. 그 후, 측정된 데이터를 토대로 ΔL, Δa, Δb, ΔE 그리고 ΔR, ΔG, ΔB를 계산하였다. ΔL, Δa, Δb, ΔE값은 다음과 같은 방정식을 사용하여 계산하 였다(Habekost, 2013;Han, 2019).

Δ L = L_{t r e a t e d} - L_{u n t r e a t e d}

Eq. 1.

Δ a = a_{t r e a t e d} - a_{u n t r e a t e d}

Eq. 2.

Δ b = b_{t r e a t e d} - b_{u n t r e a t e d}

Eq. 3.

Δ E= \sqrt{{(Δ L)}^{2} + {(Δ a)}^{2} {(Δ b)}^{2}}

Eq. 4.

Each parameter in Eqs. (1)~(4) are defined below.

L_untreated: Value L of untreated sample
L_treated: Value L of sputtered sample
a_untreated: Value a of the untreated sample
a_treated: Value a of the sputtered sample
b_untreated: Value b of the untreated sample
b_untreated: Value b of the sputtered sample

<Eq. 1>에서는 스퍼터링 원단의 ‘L’값에서 미처리 원단의 ‘L’값을 빼 주어서 스퍼터링 공정으로 인한 ‘L’값의 변화를 보여준다. CIE LAB 색 공간에서의 ‘L(빛)’값은 밝음의 정도를 나타낸다. <Eq. 2>는 스퍼 터링 공정에 따른 ‘a’값의 변화를 알루미늄 스퍼터링 원단의 ‘a’값에서 미처리 원단 ‘a’를 뺀 값을 나타낸 다. CIELAB 색 공간에서의 ‘a’값은 적-녹색 정도를 나타내며, <Eq. 3>은 스퍼터링 처리 원단의 ‘b’ 값에서 처리되지 않은 원단의 값 ‘b’를 빼서 스퍼터링 공정에 의한 값 변화를 보여준다. CIELAB 색 공간에서의 ‘b’ 값은 노랑-파랑색의 정도를 표현한다. 그리고 <Eq. 4> 의 ‘E’값은 CIELAB 색 공간에서의 샘플 간 실제 차 이인 색상 차이를 모두 적용해서 도출해낸 것이다 (Han, 2022).

ΔR, ΔG, ΔB는 다음 방정식을 사용하여 계산되 었다.

Δ R = R_{t r e a t e d} - R_{u n t r e a t e d}

Eq. 5.

Δ G = G_{t r e a t e d} - G_{u n t r e a t e d}

Eq. 6.

Δ B = B_{t r e a t e d} - B_{u n t r e a t e d}

Eq. 7.

Each parameter in Eqs. (5)~(7) are defined below.

R_untreated: Value R of untreated sample
R_treated: Value R of sputtered sample
G_untreated: Value G of the untreated sample
G_treated: Value G of the sputtered sample
B_untreated: Value B of the untreated sample
B_treated: Value B of the sputtered sample

<Eq. 5>에서는 알루미늄 스퍼터링 원단의 ‘R’값에 서 처리되지 않은 원단의 ‘R’값을 빼서 스퍼터링 가공 으로 인한 ‘R’값의 변화를 보여준다. RGB 색 공간에 서 ‘R(red)’은 빨간색의 단계를 나타낸다. <Eq. 6>은 스퍼터링 가공에 따른 ‘G’값의 변화를 스퍼터링 원단 의 ‘G’값에서 처리되지 않은 원단 ‘G’를 빼서 보여준 다. RGB 색 공간에서의 ‘G’는 녹색의 단계를 나타낸 다. <Eq. 7>은 스퍼터링 원단의 ‘B’값에서 미처리 원 단의 값 ‘B’를 빼서 스퍼터링에 의한 값 변화를 보여 준다. RGB 색 공간에서 ‘B’는 파란색의 단계를 나타 낸다.

Ⅲ. Results and Discussions

1. Surface and add-on characteristics

알루미늄 스퍼터링 공정 처리된 시료들의 표면상태 를 관찰하기 위해 FE-SEM, EDS 촬영을 실시하였다 (Fig. 1 and 2). FE-SEM으로 200,000배 확대하여 관 찰하였을 때, base material 종류에 관계없이 미처리 시료는 표면이 매끈한 것에 비해 알루미늄 스퍼터링 처리 시료는 표면에 알루미늄 나노 그레인(nano-grain) 이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

NFi 시료 위에 알루미늄 스퍼터링 처리 후 FE-SEM 으로 5군데의 나노 그레인 사이즈를 확인한 결과 알 루미늄 그레인 사이즈가 56.42~78.44nm로 나타났다. 또한 NFa, NM1, NM2, NM3, NM4, NM5의 그레인 사이즈를 5군데 선택하여 측정한 결과, 각각 59.17~ 88.07nm, 78.44~81.19nm, 59.17~74.31nm, 38.53~ 44.04nm, 19.27~22.02nm, 37.16~42.66nm로 나타났 다. 전반적으로 나노 그레인 크기가 90nm 이하로 매 우 작은 원형을 나타내었다.

EDS 결과에서 관찰할 수 있듯이, 알루미늄 스퍼터 링 처리한 나일론 필름의 표면에 알루미늄이 검출된 것을 확인할 수 있었다. 알루미늄 스퍼터링 처리된 NFi의 EDS 결과 알루미늄이 76.78 Wt% 검출되었다. 이 외에는 O(13.34 Wt%) 등이 검출되었는데, 이것은 EDS 관찰 시 EDS의 빔이 알루미늄층을 투과해 들어 가서 나일론층까지 검출했기 때문으로 사료된다. Pt (6.64Wt%)가 검출된 것은 EDS 관찰을 위해 FE-SEM 촬영 시 Pt 코팅한 것으로 판단된다. 다른 선행연구에 서도 스퍼터링 공정 처리 후 FE-SEM 촬영을 실시하 면, 미처리 시료에서는 검출되지 않았던 금속 나노 그 레인이 표면에 형성된 것을 확인할 수 있었다(Han, 2019;Han, 2022).

한편, 알루미늄 스퍼터링 처리된 NFa 시료의 경우 EDS 결과 알루미늄이 51.48Wt% 검출되었다. 그 이 외에 C는 35.07 Wt%, O는 10.31 Wt% 검출되었다. 또한 알루미늄 스퍼터링 처리된 NM1 시료의 경우 EDS 결과 알루미늄이 73.08 Wt%, O가 23.07 Wt% 등 나타났다.

알루미늄 이외에 C와 O가 검출된 것은 EDS 관찰 시 EDS 빔이 알루미늄층을 투과해 들어가 나일론층 까지 들어가 검출했기 때문으로 사료된다.

알루미늄 스퍼터링 처리 전후 시료의 무게(g) 측정 값과 add-on ratio(%) 계산 결과는 <Fig. 3>과 같다. 모 든 시료에서 알루미늄 스퍼터링 공정 처리 후 무게가 3.3~10.0mg 정도 증가하였다.

2. Electrical conductivity

알루미늄 스퍼터링 공정 처리 샘플 표면의 저항을 Digital multimeter로 평가한 결과 알루미늄 스퍼터링 나일론 필름은 저항값이 25.6Ω으로 나타나며 낮은 저 항과 높은 전기전도도를 나타냈다(Fig. 4). 그러나 알 루미늄 스퍼터링 공정 처리 소재나 미처리 소재의 경 우 모두 기기의 측정 범위 이상(over load)의 매우 높 은 저항값을 나타내며 전기전도성을 발현해내지 못했 다. 이는 알루미늄 스퍼터링층의 두께가 직물을 구성 한 경사와 위사의 굴곡(이랑) 높이보다 훨씬 얇기 때 문에, 전류가 통하는 길이 중간에 절단되기 때문으로 사료된다. 필름의 경우 표면이 이랑이나 굴곡 없이 평 평한 표면이어서 알루미늄 스퍼터링 공정 처리 시 비 교적 얇게 필름 위에 알루미늄층이 도포되더라도 굴 곡이 거의 없어 전류가 잘 통한다. 그러나 직물의 경 우 경사와 위사 교차점의 부근에서 알루미늄 스퍼터 링층이 절단되어 전기가 통하지 않는 것으로 판단된 다. 따라서 알루미늄 스퍼터링 공정 처리 직물이 전 기전도성 소재로 사용되기 위해서는, 경사와 위사 이 랑을 충분히 커버할 만큼의 두께로 알루미늄 스퍼터 링 공정 처리를 해야 전도성이 나타날 것으로 판단된 다. 이러한 현상은 선행연구에서도 나타났었다(Han, 2022). 선행연구에서 직물과 필름 위에 티타늄 또는 몰리브덴을 스퍼터링 처리했었는데, 그 때에도 본 연 구결과와 마찬가지로 필름만 전기전도성이 발현되고 직물에서는 전기전도성이 전혀 나타나지 않았었다. 본 연구결과 알루미늄 스퍼터링 처리 필름의 경우 우 수한 전기전도성을 나타내어 센서로의 적용 가능성이 있는 것으로 판단된다.

3. Blocking of electromagnetic waves

전자파 차폐 효과를 관찰한 결과 알루미늄 스퍼터 링 처리 필름 시료들을 전자파원 앞에 두었을 때, 전 자파장(mG)값이 48.0에서 26.7~35.3으로 감소했다 (Fig. 5). 그리고 알루미늄 코팅층이 전자파가 나오는 전자기기를 향할 때(aluminum phase down, 35.3mG) 보다 측정기를 향할 때(aluminum phase up, 26.7mG), 전자파가 더 잘 차단되는 것으로 측정되었다. 이 외의 나일론 fabric이나 나일론 mesh 원단 위에 알루미늄 스퍼터링 처리를 하였을 때에는 전자파 차단 효과가 거의 나타나지 않는 것으로 확인되었다. 이는 시료 사 이의 기공에 의해서 그 기공 사이로 전자파가 그대로 통과하는 것으로 사료된다. 하지만 필름의 경우 기공 이 없기 때문에 알루미늄층이 전자파를 차단하는 것 으로 판단된다. 하지만 mG값이 0이 나오도록 더 완벽 하게 전자파를 차단하기 위해서는 알루미늄층을 필름 위에 더 두껍게 스퍼터링해야 할 것으로 사료된다.

선행연구에서는 티타늄 스퍼터링 처리된 직물과 몰리브덴 스퍼터링 처리직물의 경우 전자파가 차단된 것으로 나타났는데(Han, 2022), 이는 본 연구에서 사 용한 전자파 측정 장비가 다르기 때문으로 판단된다.

4. Transmittance of IR(%)

알루미늄 스퍼터링 처리 시료, 미처리 시료의 적외 선 투과 특성 결과는 <Fig. 6>과 같다. 측정 결과, 미처 리 시료의 infrared 투과율은 시료들 모두 64.1~91.7% 로 나타났으나, 알루미늄 스퍼터링 공정 처리를 실시 하였을 때에는 투과율이 0.7~76.0%로 현저하게 감소 하였다. 이는 알루미늄 스퍼터링층이 infrared 투과를 차단한 것으로 판단된다.

본 연구에서 IR 투과도 관찰 시, 한쪽 면만 알루미 늄 스퍼터링 처리를 한 경우 알루미늄 스퍼터링층의 방향은 infrared 투과율에 많은 영향을 주지 않는 것으 로 관찰되었다. 선행연구에서도 금속을 직물 위에 스 퍼터링 처리하여 이와 유사한 결과가 나타났는데, 이 는 적외선 열화상 카메라 관찰 결과와 infrared 투과율 이 반드시 유사한 경향성을 보이지 않는 다는 것을 변 론해 준다(Han, 2022).

5. Infrared thermographic camera stealth function based on heat transfer

Base 시료의 밀도, 스퍼터링층 방향에 따른 적외선 열화상 카메라 관찰은 대기 온도 25℃에서 실시하였 다. 시료와 인체(손)가 밀착되어 있을 때, 적외선 열화 상 카메라 촬영 결과는 <Fig. 7 and 8>과 같다.

알루미늄 스퍼터링층이 인체(손등)를 향할 때에는 시료의 표면 온도가 인체에 가까운 온도를 나타내었 다. 그러므로 알루미늄 스퍼터링층이 인체를 향할 때 에는 스텔스 효과가 보이지 않았다. 한쪽 면만 알루미 늄 스퍼터링 처리한 시료 중에서 base 시료가 필름, 직물만 알루미늄층이 외기를 향했을 때, 주위와 인체 위에 시료가 있는 위치의 색상이 흡사하게 나타나면 서 손이 거의 완벽하게 은닉되어 보이는 효과를 보였 다. 선행연구에서 외기 20℃인 상황에서 500W로 10 분 동안 몰리브덴 스퍼터링 처리를 실시한 시료 등을 활용하여 적외선 열화상 촬영하였을 때에, 몰리브덴 층이 외기를 향할 때, base 시료 종류(Cotton, Silk, Nylon, PET)에 따라 표면 색상이 다르게 관찰되었다. 선행연구에서 몰리브덴을 nylon film, nylon fabric, nylon mesh1, nylon mesh2에 스퍼터링 처리한 후 나 온 적외선 열화상 이미지(Han, 2022)와, 본 연구에서 NFi, NFa, NM1, NM2 위에 알루미늄 스퍼터링 처리 한 후 나타난 이미지가 유사한 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서 알루미늄 스퍼터링층이 인체를 향할 때에는 시료의 표면 온도가 인체와 유사하게 나타났 다. 그러나 알루미늄 스퍼터링층이 외기를 향할 때에 는 시료의 밀도가 촘촘할수록 외기에 가까운 온도를 나타내며 은닉효과를 나타내었다. 특히, mesh의 밀도 가 성글수록(NM1 ⟶ NM5로 갈수록) 표면 온도가 높 아지면서 인체와 유사한 온도를 보이며 은닉 효과가 감소하였다. 따라서 기공 크기가 클수록 인체의 열기 가 그대로 적외선 열화상 카메라에 노출되어 스텔스 효과가 발현하지 않는 것으로 판단된다.

앞에서 실시한 적외선 열화상 이미지를 토대로 보 다 정량적인 색상 변화를 확인하기 위해 Colorinspector 3D와 Image J 프로그램을 활용하여 L, a, b값을 측정 하였고(Table 3), L, a, b값 측정 위치는 <Fig. 7>에 나 와 있듯이 적외선 열화상 이미지 가운데 십자 문양의 우측 하단을 포인트로 하여 측정하였다. 그리고 △L, △a, △b, △E값을 계산해 도출하여 보았다(Table 4). 그 결과 외기의 L, a, b값은 각각 L: 9, a: 7, b: –27로 나타났다.

또한 미처리 직물과 aluminum phase down 소재의 경우 L, a, b값이 비교적 흡사하게 나타났다. 이러한 결과는 <Table 4>의 △L, △a, △b, △E 값을 확인해 보면 알 수 있다. aluminum phase down의 △L, △a, △b, △E의 절대값이 aluminum phase up보다 훨씬 작 게 나타나는 것은, aluminum phase down 시료와 미처 리 시료와의 L, a, b값 차이가 적은 것을 변론해 주었 다. 또한 aluminum phase up의 사례의 경우 △E값이 17.2~124.2로 높게 나타나 은닉 효과가 aluminum phase down보다 훨씬 큰 것으로 나타났다. 그리고 시 료의 밀도가 높을수록 스텔스 효과가 더 우수한 것으 로 나타났다. Aluminum phase down의 경우, NFi의 △E값이 124.2로 가장 높게 나타나며 우수한 스텔스 효과를 나타내었다. 그리고 시료의 밀도가 성글어 질 수록(NFa, NM1~5로 갈수록) 점점 스텔스 효과가 감 소하는 것으로 나타났다. NM2, NM3, NM4, NM5의 경우△E값이 각각 43.0, 20.5, 20.1, 17.2를 나타내며 은닉 효과가 거의 나타나지 않았다.

한편, aluminum phase down의 경우, △E값이 4.1~18.5를 나타내며 모든 시료에서 은닉효과가 나타 나지 않았다.

알루미늄층이 외기를 향할 때에는 미처리 시료에 비해 L값(명도를 나타냄)이 7~47 정도 더 낮게 나타 났다. 이는 시료의 표면 온도가 낮게 나타나서, 상대 적으로 밝기가 낮게 관찰되는 것으로 판단된다. 또한 적색-녹색 정도를 표현하는 a값의 경우 알루미늄층이 외기를 향할 경우 a값이 8~58 정도 더 높게 나왔다.

또한 RGB값도 측정해 보았으며(Table 5), △R, △G, △B값을(Table 6) 계산하였다. R값의 경우, aluminum phase up 상황에서 시료의 밀도가 성글수 록(NFi ⟶ NM5로 갈수록) R값도 88에서 229 정도로 증가하는 추세를 보였다. G값의 경우, aluminum phase up 상황에서 시료의 밀도가 성글수록(NFi ⟶ NM5로 갈수록) G값은 0 ⟶ 183으로 증가하는 추세 를 보였다. B값의 경우, aluminum phase up 상황에서 시료의 밀도가 성글수록(NFi ⟶ NM5로 갈수록) 146 에서 13 정도로 감소하는 경향을 보였다. 또한, △R, △G, △B 절대값은 시료의 밀도가 촘촘하고 기공이 적으며(NFi, NFa), 알루미늄층이 외기를 향할 때 크게 나타났다. 알루미늄층이 외기를 향할 때, 밀도가 성근 NM2, NM3, NM4, NM5의 경우 △R, △G, △B 절대 값이 NF1이나 NFa보다 작게 나타났다.

L, a, b, R, G, B 결과 분석을 통해 밀도가 촘촘할수 록(NFi, NFa) 알루미늄 스퍼터링 처리 시료가 적외선 카메라에 대한 스텔스 효과를 지닌 의복으로 적용될 수 있음을 알 수 있다.

Ⅳ. Conclusions

본 연구에서는 알루미늄 스퍼터링 처리 시료의 표 면 특성, 전자파 차단 특성, infrared 투과 특성, 전기 전도성, 스텔스 기능, 열적 특성 등을 연구하였다. 알 루미늄 스퍼터링을 위한 base material로 나일론(film, fabric, mesh 5종류)을 선택한 후, 알루미늄 스퍼터링 공정 처리하여 시료의 밀도에 따른 전자파 차폐, 적외 선 열화상 카메라 촬영, 색상 차이, 온도 변화 등을 연 구하고, 적외선 투과 특성과의 연관성을 고찰하였다.

FE-SEM 촬영 결과 알루미늄 스퍼터링 처리 후 표 면에 알루미늄 나노 그레인이 형성된 것을 관찰할 수 있었다. 또한 스퍼터링 처리된 NFi 시료의 EDS 결과 알루미늄이 76.78Wt% 검출되었다. 이 외에는 O (13.34Wt%) 등이 검출되었었는데, 이러한 현상은 EDS 관찰 시 EDS 빔이 알루미늄층을 통과해 들어가서 나 일론층까지 검출했기 때문으로 판단된다.

전기전도성을 측정한 결과 알루미늄 스퍼터링 나 일론 필름은 25.6kΩ 표면 저항을 나타내었고, 시료들 중 비교적 높은 전기 전도도를 보였다. 그러나 알루미 늄 스퍼터링 처리된 NFa, NM1~5는 전기 전도도가 낮았다. 이는 알루미늄 스퍼터링이 직물 경위사 구조 에 따라 알루미늄층이 교차부에서 계속되지 않아 전 류가 통과하지 않기 때문으로 추정된다.

또한 전자파 차단 특성을 관찰한 결과, 알루미늄 스퍼터링 처리 결과, 스퍼터링 처리된 NFi 샘플의 전 자파 차단 성능이 눈에 띄게 증가했다. 특히 알루미늄 층이 검사기 방향으로 향할 때 미처리 시료에 비해 mG값이 21.3 감소하며 전자파 차단 효과가 좋은 것 으로 나타났다. 그러나 스퍼터링 처리된 NFa, NM1~5 시료의 경우 미처리 시료와 비교했을 때 전자파 차단 효과가 거의 없었다.

그리고 infrared 투과 특성 연구 결과, 미처리 시료 보다 알루미늄 스퍼터링 처리 시료가 infrared 투과율 이 현저하게 감소했으나, 알루미늄 스퍼터링층 방향 에 따른 infrared 투과율 차이는 매우 적었다.

적외선 열화상 카메라 촬영 연구 결과, 인체 위에 단면 스퍼터링 처리된 NFi, NFa 시료를 놓았을 때, 스 퍼터링층이 외기를 향했을 때 적외선 열화상 이미지 를 관찰하면 주변과 흡사한 색상을 나타내며 스텔스 효과를 발현해 내었다. Lab 측정 결과에서도 NFi, NFa 시료의 스퍼터링층이 외기를 향할 경우 비교적 낮은 L값을 나타내었고, a값의 경우 대체적으로 높게 나타내며 은닉효과를 입증하였다. 또한 △E값의 경우 124.2, 93.9로 높게 나타내며 미처리 시료와 비교적 큰 차이를 나타내었다. 그러나 단면 알루미늄 스퍼터 링 처리한 시료의 알루미늄층이 인체를 향하면, 인체 와 유사한 표면 온도를 나타내며 스텔스 효과가 거의 없었다. 그리고 알루미늄 스퍼터링 처리 층이 외기를 향할 때 NFi>Nfa>NM1>NM2>NM3>NM4>NM5 순 서로 표면 온도가 높아지게 나타났다. 즉, 시료의 밀 도가 성글수록 표면온도가 높게 나타났다. NFi, NFa 가 NM1~5보다 낮은 온도를 나타낸 까닭은, 기공이 없기 때문에 알루미늄층이 보다 촘촘하게 스퍼터링 처리되어 열 전달이 더욱 효과적인 것으로 판단된다.

위에서 언급한 infrared 투과 특성과 적외선 열화상 이미지 연구 결과를 고찰해 보았을 때, 모든 시료에서 알루미늄 스퍼터링층 방향은 적외선 투과율에 유의한 영향력을 행사하지 않았다. 이는 적외선 열화상 카메 라 이미지에 적외선의 투과율이 영향을 주지 않는다 는 것을 변론해 주는 것으로 사료된다.

본 연구에서 제작한 알루미늄 스퍼터링 처리 직물 의 우수한 스텔스 기능을 군복에 응용할 수 있을 것으 로 판단된다. 또한 전자파 차단 특성, IR 차단 특성, 경량성을 활용하여 각종보호복, 임산부용 앞치마, CT 촬영복, MRI 촬영복 등으로 적용 가능성을 생각해 볼 수 있다. 또한 본 연구에서 제작한 알루미늄 스퍼터링 처리 필름의 경우 각종 센서(호흡 감지 센서, 생체 신 호 감지 센서 등), 스텔스 텐트 혹은 우산, 썬팅 필름, 태양열 차단 제품, 반도체 제품, 무대 의상 등으로 응 용 가능성을 제시할 수 있을 것으로 사료된다.

Figure

<Fig. 1>.

FE-SEM images before and after aluminum sputtering treatment

<Fig. 2>.

EDS data of aluminum sputtered samples: (a) aluminium sputtered NFi; (b) aluminium sputtered NFa; (c) aluminium sputtered NM1

<Fig. 3>.

Changes in weight and add-on untreated and aluminum sputtered samples

<Fig. 4>.

Electrical conductivity of untreated and Mo sputtered samples

<Fig. 5>.

Blocking of electromagnetic waves

<Fig. 6>.

Transmittance of IR according to the samples

<Fig. 7>.

IR thermal imaging for different base samples

<Fig. 8>.

Surface temperature for different base samples (distance between hand and sample: 0mm)

Table

<Table 1>.

Characterization of base fabrics

<Table 2>.

Sputtering condition

<Table 3>.

L, a, b value of untreated and aluminum sputtered samples

<Table 4>.

△L, △a, △b, △E values from IR thermal imaging

<Table 5>.

R, G, B value of untreated and aluminum sputtered samples

<Table 6>.

△R, △G, △B values from IR thermal imaging

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