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

The Research Journal of the Costume Culture Vol.31 No.1 pp.107-123
DOI : https://doi.org/10.29049/rjcc.2023.31.1.107

Electrical conductivity and stealth characteristics of copper-sputtered clothing materials

Hye Ree Han†

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

^†Corresponding author (luckyherry@hanmail.net)

Received December 23, 2022 Review February 15, 2023 Accepted February 16, 2023

Abstract

This research studied the electrical characteristics, IR transmission characteristics, stealth functions, and thermal characteristics of infrared thermal-imaging cameras of copper-sputtered samples. Nylon samples were prepared for each density as a base material for copper-sputtering treatment. Copper-sputtered NFi, NM1, NM2, NM3, NM4, and NM5, showed electrical resistance of 0.8, 445.7, 80.7, 29.7, 0.3, and 2.2 Ω, respectively, all of which are very low values; for the mesh sample, the lower the density, the lower the electrical resistance. Measuring the IR transmittance showed that the infrared transmittance of the copper-sputtered samples was significantly reduced compared to the untreated sample. Compared to the untreated samples, the transmittance went from 92.0–64.1%. When copper sputtered surface was directed to the IR irradiator, the IR transmittance went from 73.5 to 43.8%. As the density of the sample increased, the transmittance tended to decreased. After the infrared thermal imaging, the absolute values of △R, △G, and △B of the copper phase increased from 2 to 167, 98 to 192, and 7 to 118, respectively, and the closer the density of the sample (NM5→NFi), the larger the absolute value. This proves that the dense copper phase-up sample has a stealth effect on the infrared thermal imaging camera. It is believed that the copper-sputtered nylon samples produced in this study have applications in multifunctional uniforms, bio-signal detection sensors, stage costumes, etc.

Key Words : sputtering , copper , stealth , electrical conductivity , heat transfer

구리 스퍼터링 의류소재의 전기전도성과 스텔스 특성
- 의류소재 기공 크기 변화를 중심으로 -

한 혜 리†

동국대학교 대학원 뷰티아트케어학과 강사

초록

키워드 : 스퍼터링 , 구리 , 스텔스 , 전기전도성 , 열전달

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Cited-By

Funding:

I. Introduction

구리(Copper, Cu)는 열 전도성과 전기 전도성이 매우 우수한 금속으로(Peng et al., 2020), 순수한 구리 금속 표면은 적갈색을 나타낸 다. 또한 구리는 전기 및 열을 잘 전달하는 도체로서 전선, 건축재, 주방기구, 배, 동전, 온도계, 장신구, 금 속 합금 재료, 항균 등 다양한 분야에 많이 사용된다. 구리는 광석에서 추출할 필요 없이 자연에서 금속 형 태로 얻을 수 있는 몇 안 되는 금속 중 하나로, 전 세 계적으로 널리 활용되고 있는 금속이다. 또한 구리는 바이러스 감염 시 병원체와 숙주 모두에게 필수적인 미량 영양소이며, SARS‐CoV‐2를 포함한 여러 바이러 스를 접촉 살균 작용을 하기도 한다(Raha, Mallick, Basak, & Duttaroy, 2020). 구리를 활용하여 광촉매, 황화구리 기반 나노 헤테로 구조, 항균, 적층 가공, 구리/그래핀 합성물, 3D 프린팅을 이용한 섬유 배향, 전자파 흡수, 열적 및 기계적 특성, 플라즈몬 촉매 등 에 관하여 다양한 연구가 있다(Arendsen, Thakar, & Sultan, 2019;Jiang et al., 2021;Liu et al., 2019;Manrique et al., 2019;Mitra, Kang, & Neoh, 2019;Nazeer et al., 2019;Paria & Reiser, 2014;Sun, Aslani, Wei, & Wang, 2021;Xi et al., 2019;Xin et al., 2021). 한편 스퍼터링 기술은 물을 사용하지 않는 친환경 가공 방법 중 하나로, 비교적 편리하고 쉽게 시료 위에 금속을 도포할 수 있는 장점을 지니고 있어 서 반도체, 건설, 각종 기계 부품 등에 다양하게 활용 된다. 한편 전기전도성 의류소재를 활용하여 flexible sensor, antenna, flexible batteries 등에 적용한 연구도 활발히 진행되고 있다(Dai, Zhai, & Zhang, 2021;Gualandi et al., 2021;Jeng, Mendy, Ko, Tseng, & Yang, 2021;Jeong et al., 2018;Krifa, 2021;Ojstršek et al., 2021;Ouyang et al., 2022;Paek, 2022;Stavrakis, Simić, & Stojanović, 2021;Wang et al., 2021;Wu, Mechael, & Carmichae, 2021;Zhao et al., 2021;Zhu et al., 2021). 또한 다른 선행연구에서는 저 피탐 기술의 일종인 스텔스 기술은 제2차 세계대전 (1939~1945) 이후 레이더, 음향, 연막 등 침략의 흔적 을 남기지 않고 적의 영토를 침범하기 위해 요동치고 있는 군사 전술이라고 설명하였다. 레이더는 더 먼 거 리에서도 목표물을 감지하고 관찰하기 위해 전자기파 를 사용한다. 레이더의 전자파는 대상 물체에 부딪히 면 물체에 의해 반사, 흡수 또는 전송된다. 반사파의 수는 레이더 단면적(RCS)에 따라 다르다(David et al., 2022). 다른 선행연구에서는 적외선(IR) 스텔스 효과 가 있는 재료는 군사 표적의 위장 및 특수 환경의 열 관리에 매우 중요하다고 설명하였다(Gu, Wang, & Yu, 2022). 또한 스퍼터링 소재를 활용하여 적외선 레이다에 감지되지 않는 스텔스 의류 소재를 개발한 사례가 있다(Han, 2022a, 2022b). 스텔스 기능을 위해 infrared, carbon, Ti, ZnO, molybdenum, polyanilineplated hollow glass microspheres(PANI/HGMs) 등에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다(Han, 2022a, 2022b;Hu, Hu, Ye, & Shen, 2023;Li, Li, Li, Fan, & Zhi, 2022;Saleh, Gimiee, & Saad, 2022;Zhou et al., 2021;Zhou, Xin, & Liu, 2021). 또한 최근 인공지능, 스텔스 의복, 스마트 패션 기능이 복합된 다기능성 의 류의 필요성이 대두되고 있고, 선행연구에서 구리 스 퍼터링에 관한 연구는 많지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 스텔스 특성, IR 차단 측면에서 심도 있게 고찰하고자 한다. 그리고 선행연구보다 더 많은 시간 스퍼터링 처리를 실시하여 구리 금속층을 두껍게 코 팅하고, 전기전도성을 살펴보았다. 특히 기공 크기(밀 도) 등의 변화에 따른 다양한 특성 변화 들을 연구하 기 위해 나일론을 필름, 직물, 망사 1~5로 나누어 구 리 스퍼터링 처리를 실시하였다. 또한 적외선 열화상 이미지와 IR 투과도의 상관관계를 분석해 보고 산업 분야와의 협업 방안을 모색해 보고자 한다. 즉, 분석 방법은 양적 연구 방법이며, 독립변수는 스퍼터링 처 리 유무와 시료의 밀도 변화이고, 종속 변수는 전기저 항, IR 투과율, 적외선 열화상 이미지 스텔스 특성, 색 차 변화 등이다. 또한 도출해낸 연구 결과에 근거하여 적외선 카메라에 관한 은닉효과 군복, 고기능성 스마 트 의류소재, 전기 저항 감소를 토대로 한 센서 적용 가능성 등에 적용 가능성을 살펴보았다.

Ⅱ. Research Method

1. Materials

구리 스퍼터링 처리에 사용된 소재는 나일론(film, fabric, mesh 1~5)이다. 나일론 시료의 밀도를 달리하 여 구리 스퍼터링 공정 처리 준비를 하였고, 이 시료 들의 특성은 <Table 1>에 나타나있다.

Base clothing material에 적용된 구리 스퍼터링 공정 조건은 <Table 2>에 나타나 있다. 구리 스퍼터링 처리 시 활용한 기계는 sputter coater(SRN120, SORONA, Korea)이며, 구리 스퍼터링 처리가 실시될 때, base clothing material은 원형 모형(원형 지름: 19.5cm)으 로 하였다. 분석방법은 양적 연구 방법으로, 독립변수 는 구리 스퍼터링 처리 유무와 시료의 밀도 변화이고, 종속 변수는 전기저항, IR 투과율, 적외선 열화상 이 미지 스텔스 특성, 색차 변화이다.

2. Characterization

구리 스퍼터링 처리 후 digital microscope(FC CE RoHs, China)로 표면을 살펴본 후, 보다 자세한 스퍼 터링 상태 관찰을 위해 EDS(energy dispersive spectroscopy, EDS Oxford Instruments, UK), FE-SEM (field-emission scanning electron microscopy, Jeol, JSM 7401F, Japan)을 사용하였다. 그리고 스퍼터링 처리 면의 구리 나노 그레인 사이즈 측정을 위해 FESEM( SIGMA, Carl Zeiss, Germany)을 사용하였으며, 모든 시료의 FE-SEM 촬영을 실시하기 전 코팅기를 활용하여(SPT-20, COXEM Co., Ltd, Korea) Pt 코팅 을 120초 행하였다.

전기 저항(electrical resistance)의 경우 digital multimeter( Bluetooth Digital Multimeter, OWON D35T, Fujian Lilliput Optoelectronics Technology Co., Ltd., China)를 사용하여 구리 스퍼터링 처리 전, 후의 표면 저항(surface resistance)을 연구하였다.

적외선 투과율은 IR intensity tester(IR emitting diodes, 5 mm infrared LED, T-1 3/4 IR333-A, EVERLIGHT, Taiwan)를 사용하였다. 시료에 조사되 는 적외선 강도는 200W/m²로 설정하였다. 그리고 주 요 infrared wavelength는 940nm이었다.

스텔스 특성(Stealth characteristics)의 경우 infrared thermographic camera(Flir i7)를 사용하였다. 열화상 이미지 촬영 시 손에 라텍스 장갑을 착용하고 그 손등 위에 시료를 밀착해서 놓고 적외선 열화상 이미지를 촬영하였다. 적외선 열화상 카메라에 관한 은닉 효과 및 L, a, b, R, G, B값 측정은 Color Inspector 3D 프로 그램을 활용하였다. 특히 L, a, b, R, G, B 데이터는 프로그램(Color Inspector 3D)을 활용하여, 스퍼터링 처리 전후의 보다 정량적인 색상 변화를 연구하였다. 그리고 Color Inspector로 측정된 데이터를 토대로 ΔL, Δa, Δb, ΔE 그리고 ΔR, ΔG, ΔB를 계산하 였다. ΔL, Δa, Δb, ΔE값은 아래와 같은 식(Eq. 1~4)을 활용하여 계산하였다(Han, 2022b).

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.

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

<Eq. 1>에서는 구리 스퍼터링 처리된 원단의 ‘L’값 에서 미처리 원단의 ‘L’값을 감해 주어서 구리 스퍼 터링 처리로 인한 ‘L’값의 변화 정도를 보여준다. CIELAB 색공간 개념에서의 ‘L’값은 밝음의 정도를 의미한다. <Eq. 2>는 구리 스퍼터링 처리에 의한 ‘a’ 데이터의 변화를 구리 처리된 스퍼터링 원단의 ‘a’ 데 이터에서 미처리 원단 ‘a’ 데이터를 감한 값을 나타낸 다. CIELAB 색공간에서의 ‘a’값은 red-green 색상의 정도를 나타낸다. 그리고 <Eq. 3>은 구리 스퍼터링 처 리 원단의 ‘b’ 데이터값에서 미처리 원단의 값 ‘b’ 데 이터를 빼서 구리 스퍼터링 처리에 의한 색상값 변화 를 나타낸다. CIELAB 색 공간에서 ‘b’ 데이터는 yellow-blue의 정도를 의미한다. 또한 <Eq. 4>의 ‘E’값 의 경우 CIELAB 색 공간에서 구리 스퍼터링 처리 시 료와 미처리 시료 간 색상 차이를 모두 합해서 도출해 낸 것이다(Han, 2022b).

ΔR, ΔG, ΔB는 다음의 식을 사용하여 계산하였다.

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.

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

<Eq. 5>에서는 구리 스퍼터링 처리 시료의 ‘R’값에 서 처리되지 않은 원단의 ‘R’값을 감해 주어서 구리 스퍼터링 가공으로 인한 ‘R’값의 변화를 보여주었다. RGB 개념에서 ‘R(red)’은 빨간색의 값을 정량적으로 나타낸다. <Eq. 6>은 구리 스퍼터링 공정에 의한 ‘G’ 데이터의 변화를 스퍼터링 원단의 ‘G’ 데이터값에서 미처리 원단 ‘G’값을 감해서 보여준다. RGB 색공간 에서의 ‘G’값은 Green의 정도를 정량적으로 표현한 다. <Eq. 7>은 구리 스퍼터링 처리 시료의 ‘B’값에서 미처리 시료의 값 ‘B’를 감해서 구리 스퍼터링 처리에 의한 B값 변화를 나타내준다. RGB 색 공간에서 ‘B’ 데이터는 blue의 단계를 의미한다.

Ⅲ. Results and Discussions

1. Surface properties

구리 스퍼터링 처리 후 시료 위에 나노 그레인 형 성을 살펴보기 위해 digital microscope 촬영을 행하였 다(Fig. 1). 현미경 사진을 확인한 결과 미처리 시료에 비해 스퍼터링 처리 시료들 모두 표면에 로즈 골드 색 상의 구리를 확인할 수 있었다.

또한 시료 위에 구리 입자가 잘 도포되었는지 더 자세히 관찰하기 위해 FE-SEM을 관찰한 결과는 <Fig. 2>와 같다. 모든 시료에서 구리 나노 그레인이 형성된 것을 확인할 수 있다. NFi, NFa의 경우 각각 22.75~ 36.66, 24.77~33.03nm의 나노 그레인이 포착되었다. NM1, NM2, NM3, NM4, NM5의 경우 각각 15.14~ 27.52, 17.89~26.15, 11.01~15.14, 17.89~24.77, 15.14~ 27.52nm로 나타났다. 선행연구들에서도 금속 스퍼터 링 처리를 한 다음 FE-SEM 촬영을 실시하였을 때, 표 면에 나노 그레인이 관찰된 경우가 많았는데(Han, 2022a, 2022b), 본 연구도 동일한 현상을 나타내었다.

EDX 결과는 <Fig. 3>과 같은데, 표면에 구리가 잘 도포된 것으로 나타난다. 소량의 Pt가 검출된 것은 FE-SEM 촬영 시 보다 선명한 화질을 얻기 위해 촬영 전 120초 Pt 코팅한 것이 검출된 것으로 판단된다.

2. Electrical conductivity

구리 스퍼터링 처리 시료의 전기 전도성의 경우 밀 도, 조직 구조와 연관 있는 것으로 사료된다. 미처리 시료에 비해 스퍼터링 처리 망사와 필름 시료가 전기 저항이 현저하게 감소하였다(Fig. 4). 미처리 시료의 경우 NFi, NFa, NM1~NM5 시료 모두 전기 저항이 기계의 측정범위를 넘어서는 ‘over load’가 나타났다. 그러나 구리 스퍼터링 처리 후에는 NFa 이외에의 모 든 시료의 전기 저항값(Ω)이 현저하게 감소하였다. 구 리 스퍼터링 처리된 NFi의 경우 저항값이 0.8Ω으로 나타났고, 구리 스퍼터링 처리된 NM1, NM2, NM3, NM4, NM5는 각각 445.7, 80.7, 29.7, 0.3, 2.2Ω으로 나타났다. 구리 스퍼터링 처리된 NFi의 전기 저항은 선행연구들(Han, 2022a, 2022b)과 마찬가지로 매우 낮게 나타났는데, 이는 직물이나 망사처럼 경위사 교 착점이 있어 이랑이 있는 것이 아니고, 표면이 평평해 서 구리 층이 균일하고 평평하게 끊김없이 잘 코팅되 어 전류가 장애물 없이 잘 통하기 때문으로 판단된다. 선행 연구들(Han, 2022a, 2022b)에서는 스퍼터링 처 리를 해도 필름을 제외하고는 시료의 저항이 높게 나 타나서, 본 연구에서는 스퍼터링 처리시간을 기존 선 행 연구의 코팅 두께층의 2배가 되도록 길게 실시하 였다. 본 연구에서 구리 스퍼터링 처리된 NM1~NM5 시료의 스퍼터링 처리 시간이 길어서 구리 코팅층의 두께가 두꺼워 전기전도성이 발현된 것으로 사료된 다. NM1에서 NM5로 갈수록 전기 저항이 낮게 나타 난 것은 오히려 밀도가 성글수록 경위사 교착점이 적 기 때문으로 판단된다. 그러나 NFa 시료의 경우 동일 한 조건에서 구리 스퍼터링 처리를 해도 전기전도성 이 나타나지 않았다. 이는 경위사가 촘촘하게 교차되 어 교착점이 많고, 경위사 이랑을 덮을 만큼 구리층이 충분히 두껍지 않았기 때문에 전류가 통하다가 중간 에 끊긴 것으로 판단된다.

시료의 기공 크기와 전기 저항 관계는 <Fig 4>의 (b)와 같다. 망사의 경우, 기공의 크기가 증가할수록 전기 저항이 감소하는 경향을 나타내었고, 회귀식은 y=–0.0017x+357.99로 나타났다.

LED bulb와 회로 사이에 구리 스퍼터링 처리된 나 일론 망사를 두었을 때 LED가 점등되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5). 즉, 구리 스퍼터링 처리 나일론 망 사가 전기전도성 소재로 응용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

<Fig. 4>의 (b)에서 R²값이 0.2277로 나타났으며, 필 름은 전기 저항이 낮은데 직물은 전기 저항값이 높아 서 R²값이 비교적 낮게 나타난 것으로 사료된다. <Fig. 4>의 (c)의 경우 망사 시료 NM1~5만 비교해서 살펴 보았는데, R²값이 0.4079를 나타내며 <Fig. 4>의 (b)보 다 높은 수치를 나타내었다. 이를 통해 망사 시료에서 는 필름이나 직물보다 비교적 높은 기공과 전기 저항 의 상관관계를 보이는 것으로 사료된다. 즉, 망사시료 의 경우 NM1에서 5로 갈수록 기공 크기가 크고, 경위사 교착점이 적어서 전기 저항이 더 작아지는 것 으로 사료된다.

3. Transmittance of IR (%)

본 연구에서는 미처리 시료와 한 쪽 면만 구리 스 퍼터링 처리 시료의 IR 투과율 측정 분석을 실시하였 는데, 그 결과는 <Fig. 6>과 같다. 좌측에는 IR 조사기 를 놓고, 우측에는 IR 측정기를 둔 후, 조사기와 측정 기 사이에 스퍼터링 시료를 놓고 분석을 실시하였다. 측정 결과 구리 스퍼터링 처리를 한 시료는 적외선 투 과값이 현저하게 감소하는 경향을 나타냈다.

미처리 시료의 IR 투과율은 92.0~64.1%로 매우 높 은 값을 나타내었다. 그러나 단면만 구리 스퍼터링 처 리하고 구리 면이 IR 조사기를 향하는 경우(copper phase front)에는 IR 투과율이 73.5~0.0%로 나타났다. 또한 단면 구리 스퍼터링 처리하고 구리 면이 IR 측정 기를 향하는 경우(copper phase back)에는 IR 투과율 이 71.7~0.2%로 나타났다. 즉, 구리 스퍼터링 층의 방 향에 따른 IR 투과값의 변화는 크지는 않았으나, 구리 면이 IR 조사기를 향할 때 적외선 투과율값이 아주 조금 낮은 것으로 나타났다. 그리고 시료의 밀도가 성 글수록 투과율이 상승하는 경향을 나타내었다. 선행 연구에서는(Han, 2022a, 2022b) 금속층의 방향은 IR 투과율에 많은 영향력을 행사하지 않는 것으로 나타 났는데, 본 연구에서는 선행연구보다 금속층 두께를 두껍게 제작했기 때문에, 금속층 방향에 따른 IR 투과 율에 아주 작은 차이가 나타난 것으로 판단된다.

시료의 기공 크기와 전기 저항 관계는 <Fig 6>의 (b)와 같다. 망사의 경우, 기공의 크기가 증가할수록 IR 투과율이 증가하는 경향을 나타내었고, 구리 면 이 IR 측정기를 향하는 경우 회귀식은 y=0.0002x+ 27.676으로 나타났다.

<Fig. 6>의 (b)에서 R²값이 0.5076으로 나타났으며, 비교적 높은 기공과 IR 투과율의 상관관계를 보이는 것으로 사료된다. 기공 크기가 증가할수록 IR이 투과 할 공간이 많기 때문으로 판단된다.

4. IR camera stealth function based on heat transfer

본 연구에서는 적외선 열화상 카메라를 활용하여 스텔스 효과를 살펴보았다(Fig. 7 and 8). 시료와 인체 사이의 거리가 0cm(밀착한 상태)로 적외선 열화상 카 메라로 촬영을 실시하였으며, 단면만 구리 스퍼터링 된 시료의 방향을 바꾸어 가면서 촬영을 실시하였다. 촬영 시 외기 온도는 25℃이었다.

필름과 직물위에 스퍼터링 처리된 시료의 경우, 구 리층이 외기를 향할 때, 인체가 적외선 열화상 카메라 에 감지되지 않는 스텔스 효과가 발현되었다. 구리 스 퍼터링 처리된 필름의 구리층을 외기로 향할 때에는 표면온도가 24.7℃로 나타났고, 스퍼터링 처리된 직물 의 구리층을 외기로 향할 때에는 표면온도가 26.7℃ 로 나타났다. 그러나 구리층 부분이 인체를 향할 때에 는 인체가 그대로 적외선 열화상 카메라에 나타나며 스텔스 효과가 거의 나타나지 않았다.

또한 망사 시료의 경우 구리 스퍼터링된 층이 외기 를 향할 때, 망사의 성글기가 성글수록(NM1→NM5), 표면온도가 29.7~32.0℃로 나타나며 스텔스 효과가 감소하였다. 망사의 밀도가 성글고 기공 크기가 증가 할수록 인체의 열기가 그대로 외기에 빠져나가면서 표면온도가 인체 온도 그대로 나타난 것으로 판단된 다. 선행연구(Han, 2022b)에서도 알루미늄 스퍼터링 처리된 시료를 활용하여 금속층이 외기를 향하도록 적외선 열화상 촬영을 하였을 때에, 밀도가 성글수록 표면온도가 인체에 가까운 양상을 보였다. 본 연구에 서도 선행연구와 유사한 경향을 나타내었다. 그리고 구리 스퍼터링 처리된 망사시료의 구리층 부분이 인 체를 향할 때에는 표면온도가 33.7~34.8℃로 나타나 며 높은 표면 온도를 나타내었다.

적외선 열화상 카메라 촬영 후, 정량적인 IR 카 메라에 대한 스텔스 효과 평가를 위해 프로그램 (Color Inspector 3D, Image J)을 사용하여 L, a, b값을 측정하고(Table 3), △L, △a, △b, △E값을 계산하였 다(Table 4). Lab 색공간은 CMYK와는 다르게 매체 에 독립적이라는 특성이 있다. 특히 L값의 경우 사람 이 느끼는 밝기에 대응하도록 설계되어 있다. Lab 색 역은 컴퓨터 디스플레이, 인간이 지각할 수 있는 색 영역보다 훨씬 크다는 특성을 지닌다. 따라서 본 연구 에서 Lab 특성을 심도 있게 관찰하였다.

측정 포인트는 <Fig. 7>에 나와있는 십자문양의 오 른쪽 하단 부분의 빨간점 부분이다. 그리고 △L, △a, △b, △E값은 식 ‘Eq. 1~4’에 의거하여 산출하였다. 외기의 L, a, b 데이터는 각각 ‘12, 30, –48’로 나타났 고, 인체(hand)의 L, a, b 데이터는 각각 ‘89, –6, 62’로 나타났다.

‘미처리 시료’와 ‘copper phase down(단면 스퍼터 링 처리 시료의 구리면이 인체를 향할 때)’의 L, a, b 값은 모든 시료에서 매우 유사하게 나타났으며 밀도 에 따른 차이가 크지 않았다. 미처리 상태의 모든 시 료의 L값은 83~89, a값은 –2~–7, b값은 60~78로 나 타났다. Copper phase down의 모든 시료의 L값은 79~87, a값은 –6~8, b값은 62~77로 나타났다. 이는 <Fig. 7>의 열화상 이미지와 동일한 양상을 보여준다. Copper phase down의 시료들의 △E의 절대값(1.4~ 12.1)이 작게 나타나는 것은, copper phase down 상태 시료와 미처리 시료와의 L, a, b 데이터 차이가 작은 것을 변론해주고, 적외선 열화상 카메라 스텔스 효과 가 적음을 설명해준다. 이는 <Fig. 7>의 열화상 이미지 와 동일한 양상을 보여준다.

반면 ‘copper phase up(단면 스퍼터링 처리 시료의 구리면이 외기를 향할 때)’의 Lab값은 ‘미처리 시료’, ‘copper phase down’과는 다른 경향을 나타내었다. Copper phase up의 모든 시료의 데이터는 L값은 24~ 65, a값은 36~51, b값은 –57~64로 나타났다. L값의 경 우 시료의 밀도가 성글수록(NFi→NM5) 높게 나타났 다. a값은 시료의 밀도와는 큰 연관성을 보이지는 않 았다. b값의 경우, 시료의 밀도가 성글수록(NFi→ NM5) 높게 나타났다. Copper phase up의 △E의 절대 값(53.8~154.7)이 크게 나타나는 것은, Copper phase up 시료와 미처리 시료와의 L, a, b값 차이가 큰 것을 변론해준다. 이는 copper phase up 시료가 적외선 열 화상 카메라 스텔스 효과가 있음을 입증해주는 증거 가 됨을 알 수 있다.

시료의 기공 크기와 △E 관계는 <Fig. 9>에 나타 나 있다. 망사의 경우, 기공의 크기가 증가할수록 △ E값이 감소하는 경향을 나타내었고, 회귀식은 y= –0.0002x+103.27로 나타났다. R²값은 0.3541로 나타 났으며, 기공 크기가 증가할수록 색차가 작아지는 것 으로 사료된다. 이는 기공 크기가 증가할수록 인체의 열기가 투과할 공간이 많기 때문으로 판단된다.

적외선 열화상 카메라 촬영 후, 정량적인 IR 카 메라에 대한 스텔스 효과 평가를 위해 프로그램 (Color Inspector 3D, Image J)을 사용하여 R, G, B값 을 측정하고(Table 5), △R, △G, △B값을 계산하였다 (Table 6). 현재, 고급형 모니터, 디지털 카메라에서 Adobe RGB 관련된 설정을 주로 볼 수 있다. 즉, 각종 디지털 이미지에서 RGB 칼라를 활용하는 경우가 적 지 않은 실정에서, 본 연구의 RGB 해석은 필요하다 고 판단된다.

△R, △G, △B값의 경우, 앞에서 언급한 식 ‘Eq.5 ~7’에 의거하여 산출하였다. 외기의 R, G, B값은 각 각 ‘36, 17, 109’로 나타났고, 인체(hand)의 R, G, B값 은 각각 ‘235, 198, 31’로 나타났다.

‘미처리 시료’와 ‘copper phase down(단면 스퍼터 링 처리 시료의 구리면이 인체를 향할 때)’의 R, G, B값은 모든 시료에서 밀도에 상관없이 매우 유사하게 나타났으며 밀도에 따른 차이가 크지 않았다. 미처리 상태의 모든 시료의 R값은 227~239, G값은 198~223, B값은 31~91로 나타났다. Copper phase down의 모든 시료의 R값은 232~248, G값은 198~217, B값은 40~ 82로 나타났다. Copper phase down의 시료들의 △R, △G, △B의 절대값이 각각 3~13, 2~16, 0~39로 나타 나며 작게 나타나는 것은, copper phase down시료와 미처리 시료와의 R, G, B값 차이가 적은 것을 변론해 주고, 적외선 열화상 카메라스텔스 효과가 적음을 설 명해준다.

반면 ‘copper phase up(단면 스퍼터링 처리 시료의 구리면이 외기를 향할 때’의 R, G, B값은 ‘미처리 시 료’, ‘copper phase down’과는 다른 양상을 보여주었 다. Copper phase up의 모든 시료의 데이터는 R값은 68~239, G값은 6~109, B값은 36~164로 나타났다. R, G값의 경우 시료의 밀도가 성글수록(NFi→NM5) 상 승했다. B값의 경우, 시료의 밀도가 성글수록(NFi→ NM5) 감소했다. Copper phase up의 △R, △G, △B의 절대값이 각각 2~167, 98~192, 7~118을 나타내었고, 시료의 밀도가 촘촘할수록(NM5→NFi) 절대값이 크 게 나타났다. △R, △G, △B의 절대값이 크게 나타나 는 것은, copper phase up 시료와 미처리 시료와의 R, G, B값 차이가 큰 것을 변론해준다. 이는 촘촘한 copper phase up 시료가 적외선 열화상 카메라 스텔스 효과가 있음을 변론해준다.

Ⅳ. Conclusions

본 연구에서는 구리 스퍼터링 처리 시료의 전기적 특성, IR 투과 특성, 적외선 열화상 카메라 스텔스 기 능, 열적 특성 등을 연구하였다. 구리 스퍼터링 처리 를 위한 base material로 나일론 시료를 밀도별로(나일 론 필름, 나일론 직물, 나일론 망사 기공 크기별로 5가 지) 준비하였다. 그리고 시료 밀도에 따른 IR 투과율, 전기적 특성, 적외선 열화상 카메라 촬영 시 L, a, b, R, G, B, 표면 온도 변화 등에 관하여 평가하고, 이에 관하여 심도 있게 고찰하였다.

전기전도성 평가를 위해 전기 저항을 측정한 결과 미처리 시료의 경우 모든 샘플에서 측정치를 벗어날 정도의 높은 저항값을 나타내며 전기전도성을 발현하 지 않았다. 그러나 구리 스퍼터링 처리된 NFi, NM1, NM2, NM3, NM4, NM5의 경우 전기 저항이 각각 0.8, 445.7, 80.7, 29.7, 0.3, 2.2Ω을 나타내며, 미처리 시료에 비해 전기 저항이 매우 낮은 값을 나타내었다. 또한 LED 전등과 배터리 사이에 이 시료들(구리 스퍼 터링 처리된 NFi, NM1~5)을 놓고 연결하니 LED가 점등되었다. 이는 구리 스퍼터링 처리로 인해 전기전 도성이 잘 발현된 것으로 사료된다. 그리고 망사시료 의 경우 밀도가 성글수록 낮은 전기저항을 나타내었 다. 이는 밀도가 성글수록 경위사 교차점이 적기 때문 으로 사료된다.

IR 투과율 측정 결과, 미처리 시료에 비해 구리 스 퍼터링 처리 시료의 적외선 투과율이 현저하게 감소 했다. 미처리 시료의 경우 투과율이 92.0에서 64.1% 로 나타났다. 단면만 구리 스퍼터링 처리하고 구리 면 이 IR 조사기를 향하는 경우에는 IR 투과율이 73.5~ 0.0%로 나타났다. 또한 구리 면이 IR 측정기를 향하 는 경우, IR 투과율이 71.7~0.2%로 나타났다. 즉, 구 리 스퍼터링층의 방향에 따른 IR 투과값의 변화는 크 지는 않았으나, 구리 면이 IR 조사기를 향할 때 적외 선 투과율값이 약간 감소하는 것으로 나타났다. 그리 고 시료의 밀도가 성글수록 투과율이 상승하는 경향 을 나타내었다.

적외선 열화상 카메라 이미지에서, 망사 시료의 경 우 구리 스퍼터링된 층이 외기를 향할 때, 망사의 성 글기가 성글수록(NM1→NM5), 표면온도가 29.7~ 32.0℃로 나타나며 스텔스 효과가 감소하였다. 망사의 밀도가 성글고 기공 크기가 클수록 인체의 열기가 그 대로 외기에 빠져나가면서 표면온도가 인체 온도 그 대로 나타난 것으로 판단된다.

적외선 열화상 카메라 촬영 후, 정량적인 IR 카메 라에 대한 스텔스 효과 평가를 위해 L, a, b, R, G, B 값을 측정하고, △L, △a, △b, △E, △R, △G, △B값 을 계산하였다. ‘미처리 시료’와 ‘copper phase down’ 의 L, a, b값은 모든 시료에서 매우 유사하게 나타났 으며 밀도에 따른 차이가 크지 않았다. Copper phase down의 시료들의 △E의 절대값(1.4~12.1)이 작게 나 타나는 것은, copper phase down 시료와 미처리 시료 와의 L, a, b값 차이가 적은 것을 설명해준다. 반면 ‘copper phase up’의 Lab값은 ‘미처리 시료’, ‘copper phase down’과는 다른 경향을 나타내었다. Copper phase up의 모든 시료의 데이터는 L값은 24~65, a값 은 36~51, b값은 –57~64로 나타났다. L값의 경우 시 료의 밀도가 성글수록(NFi→NM5) 높게 나타났다. a 값은 시료의 밀도와는 큰 연관성을 보이지는 않았다. b값의 경우, 시료의 밀도가 성글수록(NFi→NM5) 높 게 나타났다. Copper phase up의 △E의 절대값(53.8~ 154.7)이 크게 나타나는 것은, Copper phase up 시료 와 미처리 시료와의 L, a, b값 차이가 큰 것을 변론해 준다. 이는 copper phase up 시료가 적외선 열화상 카메라에 스텔스 효과가 있음을 입증해준다. 또한 ‘copper phase up(단면 스퍼터링 처리 시료의 구리면 이 외기를 향할 때’의 R, G, B값은 ‘미처리 시료’, ‘copper phase down’과는 다른 양상을 보여주었다. Copper phase up의 △R, △G, △B의 절대값이 각각 2~167, 98~192, 7~118을 나타내었고, 시료의 밀도가 촘촘할수록(NM5→NFi) 절대값이 크게 나타났다. △ R, △G, △B의 절대값이 크게 나타나는 것은, copper phase up 시료와 미처리 시료와의 R, G, B값 차이가 큰 것을 변론해준다. 이는 촘촘한 copper phase up 시 료가 적외선 열화상 카메라 스텔스 효과가 있음을 증 명해준다.

앞서 언급한 IR 투과 특성과 L, a, b, R, G, B 결과 를 살펴본 결과, 모든 시료에서 구리 스퍼터링층 방향 은 적외선 투과율에 큰 영향을 미치지 않았다. 이는 적외선 열화상 카메라 이미지에 IR 투과율이 큰 영향 을 주지 않는다는 것으로 판단된다.

본 연구에서 제작한 구리 스퍼터링 처리 나일론 시 료들의 우수한 전기적 특성과 적외선 열화상 카메라 스텔스 기능, IR 차단 특성, 경량성을 활용하여, 다기 능성 군복, 스텔스 의복, 호흡 센서, 생체 신호 감지 센서, 무대의상, 반도체 제품, 배터리 등에 응용할 수 있을 것으로 사료된다.

Figure

<Fig. 1>.

Surface characteristics of copper sputterd specimens (digital microscope images before and after sputtering treatment)

<Fig. 2>.

FE-SEM images of copper sputterd specimens

<Fig. 3>.

EDX results of copper sputtered specimens

<Fig. 4>.

Electrical conductivity of specimens: (a) electric resistance of untreated and Cu sputtered specimens (b) correlation between pore size and electrical resistance (NFi, NFa, NM1–5), (c) correlation between pore size and electrical resistance (NM1–5).

<Fig. 5>.

LED bulb lighting comparison between untreated and copper sputtered specimens

<Fig. 6>.

Transmittance of IR: (a) IR transmittance according to the specimens, (b) correlation of pore size and IR transmittance.

<Fig. 7>.

IR thermal imaging for different densities

<Fig. 8>.

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

<Fig. 9>.

Correlation between △E value and pore size (copper phase up)

Table

<Table 1>.

Characterization of base materials

<Table 2>.

Copper sputtering conditions

<Table 3>.

L, a, b value of untreated and copper sputtered specimens

<Table 4>.

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

<Table 5>.

R, G, B value of untreated and copper sputtered specimens

<Table 6>.

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

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